요약
니켈이 균일하게 치환된 Ni-BEA 제올라이트 촉매를 통해 메탄과 이산화탄소를 고효율로 전환하는 기술이 개발되었습니다. 이 촉매는 건식 메탄 개질 반응에서 메탄과 이산화탄소의 변환율이 각각 76%와 78%로 높은 활성을 보이며, 코크 형성이 억제되어 촉매의 수명도 연장됩니다. 제올라이트 간 변환 방법을 활용하여 합성 시간이 12시간 이내로 단축되었으며, 이는 대량 생산과 상업적 활용에 유리합니다. 이 기술은 온실가스인 메탄과 이산화탄소를 유용한 합성가스로 전환하여 에너지 효율을 높이고 환경 문제 해결에 기여할 것으로 기대됩니다.
기본 정보
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특허명: 제올라이트간 변환을 통한 Ni-BEA 제올라이트 촉매의 제조방법 및 이에 따라 제조된 촉매
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발명자: 박민범 교수
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출원번호: 10-2021-0169953
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등록번호: 10-2664972
상세 정보
배경 기술
배경 설명
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니켈 실리케이트 제올라이트는 금속 종의 높은 분산도를 가진 촉매 개발에 중요함. 그러나 기존 방법으로는 프레임워크 내에 니켈을 균일하게 치환하기 어려움.
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제올라이트간 변환은 기존의 3차원 제올라이트 구조를 새로운 상으로 전환하여 일반적인 수열 합성으로 얻기 어려운 제올라이트를 형성할 수 있음. 이를 통해 결정화 시간을 단축하고 생산 효율성을 높일 수 있음.
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본 발명에서는 니켈 실리케이트 MWW의 제올라이트간 변환을 통해 니켈 실리케이트 BEA형 제올라이트(Ni-BEA)를 12시간 이내에 합성함.
기존 기술의 문제점
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금속 실리케이트 물질 합성에서 니켈의 산화 상태 차이로 인해 프레임워크 내 안정적인 치환이 어려움. 특히 Ni²⁺는 다른 프레임워크 원자와 산화 상태가 달라 구조적 불안정성을 초래함.
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기존의 금속 촉매는 코킹, 소성, 촉매 독성 등에 취약하여 상업적 공정에서 비활성화 문제가 발생함. 이는 촉매의 수명과 효율을 저하시키는 요인임.
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Ni-MFI 합성 시 프레임워크 내 니켈 함량이 제한적이며, 균일한 니켈 치환이 어려워 촉매 활성 부위의 분산에 한계가 있음.
기술의 필요성
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니켈 실리케이트 Ni-BEA는 프레임워크 내 균일하게 니켈이 치환되어 건식 개질 반응(DRM)에서 높은 활성과 안정성을 보임.
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DRM 반응에서 Ni-BEA는 700℃에서 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)의 변환율이 각각 76%, 78%로 높은 활성을 나타냄. 이는 에너지 효율적인 메탄 전환에 기여함.
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본 촉매는 균일하게 분산된 니켈 클러스터와 3차원 거대 기공 구조로 인해 코크 형성이 적고, 촉매의 수명을 연장시킬 수 있음.
구현 방법
기술의 원리
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기존에는 니켈(Ni)의 산화 상태 차이로 인해 제올라이트 프레임워크 내에 안정적으로 치환하는 것이 어려웠음. 특히 Ni²⁺ 이온은 다른 프레임워크 원자인 Si⁴⁺ 또는 Al³⁺ 와 산화 상태가 달라 구조적 불안정을 초래함.
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제올라이트 간 변환 방법은 기존의 제올라이트 구조를 새로운 상으로 전환하여 다양한 금속 실리케이트 제올라이트를 합성할 수 있음. 이는 일반적인 수열 합성으로 얻기 어려운 제올라이트 상을 형성함.
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프레임워크 내에 균일하게 분산된 니켈 종은 촉매의 활성 부위로 작용하여 촉매 성능을 향상시킴. 이는 금속 종의 고분산을 통해 활성 사이트의 수를 증가시킴.
구체적인 구현 방법
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붕규산염 MWW 전구체를 수열 처리하여 Ni-MWW 제올라이트를 합성함. 이때 1.0 M 니켈 질산 수용액을 사용하여 100℃에서 4일 동안 반응시킴.
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합성된 Ni-MWW와 규소 베타 씨드를 수산화 테트라에틸암모늄(TEAOH)과 NH4F 용액에 혼합하여 190℃에서 수열 처리함. 이를 통해 Ni-MWW가 Ni-BEA 제올라이트로 변환됨.
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소결 과정을 통해 유기 구조 지시제를 제거하여 Ni-BEA 제올라이트를 완성함. 소결은 550℃에서 8시간 동안 진행하여 잔류 유기물을 제거함.
기술의 장점
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합성된 Ni-BEA 제올라이트는 건식 메탄 개질 반응(DRM)에서 높은 촉매 활성과 안정성을 나타냄. CH₄와 CO₂의 변환율이 각각 76%, 78%로 우수함.
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프레임워크 내 균일하게 분산된 니켈 종은 코크 형성을 억제하여 촉매 수명을 연장시킴. 12시간 반응 후에도 코크 침착이 1% 미만으로 나타남.
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제올라이트 간 변환 방법을 통해 합성 시간을 단축하고 에너지 효율을 향상시킴. 기존 방법 대비 12시간 이내에 Ni-BEA를 합성할 수 있음.
실험 및 결과
실험의 목적
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Ni-MWW로부터 Ni-BEA 제올라이트를 제올라이트 간 변환을 통해 합성하여 합성 시간을 단축하고자 함.
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합성된 Ni-BEA 제올라이트의 구조와 특성을 분석하여 프레임워크 내 니켈 종의 존재를 확인하고자 함.
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Ni-BEA 제올라이트의 건식 개질 반응에서의 촉매 성능을 평가하여 높은 활성과 안정성을 검증하고자 함.
실험 방법 및 과정
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붕규산염 MWW 전구체를 니켈 질산 수용액으로 수열 처리하여 Ni-MWW 제올라이트를 합성함.
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합성된 Ni-MWW를 규소 베타 씨드와 혼합하여 섭씨 190도에서 수열 처리하여 Ni-BEA 제올라이트로 전환함.
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Ni-BEA 제올라이트를 섭씨 550도에서 소결하여 유기 구조 지시제를 제거하고 합성을 완료함.
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합성된 Ni-BEA의 구조와 특성을 XRD, IR, UV-DRS, XPS 등을 사용하여 분석함.
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Ni-BEA 촉매의 건식 개질 반응 성능을 섭씨 700도에서 고정층 반응기를 이용하여 평가함.
실험 결과
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Ni-BEA 제올라이트를 12시간 이내에 성공적으로 합성하였으며, 프레임워크 내 니켈 종의 존재를 확인함.
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Ni-BEA는 프레임워크 내 니켈 함량이 약 7.3 중량 퍼센트로, Ni-MWW보다 두 배 높게 나타남.
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건식 개질 반응에서 Ni-BEA 촉매는 메탄 변환율 76%, 이산화탄소 변환율 78%로 높은 활성을 보임.
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Ni-BEA 촉매는 12시간 동안의 반응에서 비활성화율이 3% 미만으로 높은 안정성을 나타냄.
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반응 후에도 Ni-BEA 촉매의 코크 함량은 1% 이하로 낮아 코크 형성이 억제됨.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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본 발명에서 개발된 Ni-BEA 제올라이트 촉매는 건식 개질 반응(DRM)에 직접 활용되어 메탄과 이산화탄소를 효과적으로 전환할 수 있음. 이를 통해 수소와 일산화탄소로 구성된 합성가스를 생산하여 연료전지, 화학공정 등 다양한 산업에 적용 가능함
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Ni-BEA 촉매는 프레임워크 내 균일하게 니켈이 치환되어 기존 촉매 대비 코크 형성이 억제됨. 이는 촉매의 수명을 연장시키고 유지보수 비용을 절감하여 산업 현장에서의 활용도를 높일 수 있음
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제올라이트간 변환을 통한 Ni-BEA 합성 기술은 합성 시간을 크게 단축시켜 대량 생산에 유리함. 이는 상업적 촉매 생산에서 생산성을 향상시키고 비용 절감에 기여할 수 있음
기대효과
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Ni-BEA 촉매의 개발로 친환경적인 메탄 전환이 가능해져 온실가스 저감에 기여함. 이는 기후 변화 대응에 도움이 되고 환경 규제에 유연하게 대응할 수 있는 기반을 마련함
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높은 활성과 안정성을 지닌 본 촉매를 활용하여 산업 공정의 효율성이 향상됨. 이를 통해 에너지 소비를 줄이고 생산성을 높여 비용 절감 효과를 기대할 수 있음
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촉매의 코킹 저항성이 강화되어 교체 주기가 연장되고 유지보수 비용이 감소함. 이는 기업의 운영 비용 절감과 경쟁력 강화에 도움이 됨
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Ni-BEA 촉매 기술의 상업화를 통해 신규 시장이 창출되고 관련 산업의 성장이 예상됨. 이는 일자리 창출과 경제 활성화에도 긍정적인 영향을 미칠 것임
시장 동향
Ni-BEA 촉매의 시장 성장 전망
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Ni-BEA 촉매의 산업 응용 분야
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Ni-BEA 촉매의 미래 시장 동향
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대표도면
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