메탄의 부분 산화에 대한 Co/Al2O3 촉매의 촉진제 효과: 구조–활성 상관관계

메탄의 부분 산화(POM)를 위한 비용 효율적인 비귀금속 촉매 개발은 수소가 풍부한 합성가스를 생산하면서 온실가스 배출을 줄이는 주요 전략으로 남아 있습니다. 본 연구에서는 5 wt.%의 Co를 사용하여 코발트 지지 알루미나(Co/Al2O3) 촉매를 준비하고 600, 700 및 800 °C에서 소성하였습니다. 이후 최적의 소성 온도에서 10 wt.%의 Mg, Si, Ti 및 Zr로 Co/Al2O3 촉매를 촉진하였습니다. 촉매는 FT-IR, XRD, N2 물리 흡착, H2-TPR 및 XPS 분석을 통해 체계적으로 특성화되었습니다. CH4의 POM을 위한 촉매 활성을 600 °C에서 시험하였으며 (CH4/O2 = 2, GHSV = 14, 400 mL g−1 h−1) 700 °C에서 소성한 촉매(5Co/Al₇00)가 비촉진 샘플 중 가장 높은 활성을 보였으며, CH4 전환율 43.9%와 H2 수율 41.8%를 기록하였습니다. 우수한 성능은 높은 표면적과 환원 가능한 Co3+ 종의 풍부함에 기인하여 더 많은 Co0 활성이 생성되었습니다. XPS 결과는 γ-Al2O3의 구조적 안정성 및 소성 온도에 따른 Co–Al 상호작용의 보존을 확인했으며, 촉진제는 주로 Co 분산 및 산화환원 접근성을 조절하였습니다. 촉진된 촉매들 중에서 활성을 보인 순서는 5Co/10ZrAl > 5Co/10MgAl > 비촉진-5Co/Al₇00 > 5Co/10SiAl > 5Co/10TiAl이었습니다. Si 및 Ti로 촉진된 촉매는 활성이 부진하여 활성 사이트의 농도가 낮았습니다. 환원 가능한 종의 농도와 POM에 대한 초기 활성이 Zr 및 Mg로 촉진된 촉매에서 유사하게 나타났습니다. 그러나 이전 촉매는 높은 환원 가능성을 가지며, 지속적인 활동 이력을 유지했습니다. Zr 촉진 촉매는 우수한 환원성과 뛰어난 안정성을 보였으며, 300분 동안 지속된 CH4 전환율 47.3%와 H2 수율 44.4%를 달성했습니다. 사용 후 5Co/10ZrAl의 TEM 분석 결과, Zr 촉진이 흑연 탄소 형성을 억제한 것으로 나타났습니다.