CuO/CeO2의 개선된 제조 방법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9345(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

본 연구에서는 요소질산염 연소법을 이용하여 CeO2/CuO 촉매로 단일체를 직접 코팅하는 방법을 제시한다. 촉매는 XRD, SEM/EDX 및 EPR 측정을 통해 특성화되었습니다. 이 촉매가 CO의 우선적 산화에 사용되었을 때의 실험 결과가 설명되어 있습니다. CO-PrOx 반응에 대한 촉매 활성은 수소가 풍부한 가스 혼합물에서 반응 온도의 함수로 CO 전환을 기록하여 측정되었습니다. 그리고 수증기가 없다. 310시간이 넘는 장기 테스트에서 촉매의 장기 안정성이 입증됐다. 직접 코팅은 워시코트를 사용하여 가능한 것보다 더 많은 양의 촉매를 단일 단계로 단일체에 증착할 수 있는 유망한 접근 방법인 것으로 나타났습니다.

고분자 전해질막 연료전지(PEFC)의 작동을 위해 연료 처리 기술을 통해 에너지 벡터(예: 디젤, 등유 또는 메탄올)를 운반하는 액체 수소로부터 수소가 풍부한 연료 가스가 생성됩니다. 연료 처리의 첫 번째 단계는 개질이며, 흔히 수성가스 전환 반응(WGS)1이 뒤따릅니다.

후자는 제품 가스의 CO 농도를 약 8~10vol.%에서 1vol.% 미만으로 개질하는 기능을 가지고 있습니다. 또한, WGS 원자로의 생성 가스에는 일반적으로 약 35vol.% H2, 16vol.% CO2, 20vol.% H2O, 0.5vol.% Ar 및 수백 ~ 수천ppm의 메탄이 포함되어 있습니다. 다른 미량의 고급 탄화수소2,3,4,5와 마찬가지로 100%의 균형은 질소입니다. 그러나 PEFC를 작동하려면 CO 농도를 < 100ppm1,6 값으로 더 줄여야 합니다. 이는 CO-PrOx(선호 산화) 반응기를 통해 수행되는 경우가 많습니다. 미래의 열 통합형 이중 스테이지 PrOx 반응기에서는 귀금속이 없는 촉매로 코팅된 단일체 지지체를 활용할 계획입니다.

촉매 시스템 선택 시 Samsun et al.4에서 설명한 연료 처리 시스템의 기술 프로세스 체인에 중점을 두었습니다. CO-PrOx 반응기는 시스템에 완벽하게 맞아야 합니다. 따라서 PrOx 반응기 입구의 설계 온도는 200~300°C 범위의 WGS 반응기 출구 온도를 기준으로 해야 합니다. 다수의 유망한 발표 결과7,8,9,10,11,12,13,14,15,16를 바탕으로 이 작업을 수행하기 위해 촉매 시스템 CuO/CeO2가 선택되었습니다. 다음에서는 요소-질산염 연소 방법을 사용하여 단일체 지지체에서 이 촉매의 목표 합성을 보고합니다.

특히 Avgouropoulos et al.9, Barbatos et al.11 및 Landi et al.14,16의 연구를 바탕으로 400cpsi의 벌집 구조를 갖는 근청석으로 만들어진 세라믹 단일체(Paul Rauschert GmbH & Co. KG) , Germany)을 혼합 산화물 CuO/CeO2로 코팅했습니다. 모놀리스의 길이는 70mm, 직경은 12mm로 부피는 7.9cm3입니다.

그러나 이전에 수행된 것처럼 세라믹 단일체를 촉매로 코팅하기 위해 사전합성된 산화물의 워시코트를 사용하지 않았습니다. 대신 Avgouropoulos et al.9에 의해 문서화된 CuO/CeO2 혼합 산화물(Cu/(Cu + Ce) 몰비 0.15)에 대한 전구체 용액이 합성되었고 모놀리스는 한 번(모놀리스 #1) 또는 두 번(모놀리스 # 2) 이 점성 용액에서. 전구체 용액으로 코팅된 단일체는 450°C에서 하소되었으며, 그 동안 촉매는 단일체 표면에 직접 형성되었습니다. 워시코트와 비교하여 점성 전구체 용액을 사용하면 지지체에 더 긴밀하게 접착된다는 이점이 있는 반면, 침전과 같은 고전적인 준비 방법은 균질한 촉매 코팅을 얻기 위해 실현하기 어렵습니다. 추가적으로 재료 특성화를 위해 동일한 방식으로 전구체 용액으로부터 분말을 제조했습니다. 단일 코팅 및 소성 후 촉매물질의 도포량은 모노리스 #1의 경우 446 mg이었다. 모노리스 #2의 경우 이중 코팅을 수행하여 약 768mg의 촉매 코팅을 생성했습니다.

95%. Beyond the section shown in the figure, the conditions for a reliable quantification were not given even if the trend indicates a constant composition. Detailed data of the complete line scan can be found in the supplemental information./p> 90% could be achieved at a GHSV of 5000 h−1. Between 155 °C and 160 °C, the CO conversion was higher than 95%. Increasing the space velocity GHSV to 10,000 h−1, a conversion exceeding 86% was achieved between 159 and 163 °C. The conversion curve for the moist fuel gas at a space velocity of 10,000 h−1 rises steeply up to a temperature of 191 °C, reaches X(CO) = 84% as a maximum, and then declines steeply again. The detected decrease of the CO conversion at higher reaction temperatures can be explained by the oxidation of H2, which becomes more and more dominating and consumes more and more oxygen. The observed shift of the temperature window is due to the shorter residence time of the molecules on the catalyst surface with increasing GHSV values./p> 99% became smaller and was between 170 and 210 °C. When further increasing the GHSV to 10,000 h−1, CO conversion did not exceed 99%, but a maximum of 97% was reached at temperatures of 170 °C and 180 °C. A sharp decline to approximately 92% was observed, when the temperature further raised to 200 °C. The corresponding CO concentrations at the outlet are depicted in Fig. 6c./p> 99.9% for a micro-reactor with catalytically coated stainless steel structures (5 wt% Cu/CeO2−x) with a reformate-like gas mixture, based on a WHSV of 240 L g−1 h−1 at 230 °C, exceeding the results given in this work./p>

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