Current Issue

Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society - Vol. 32 , No. 6

[ Article ]
Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society - Vol. 32, No. 6, pp. 455-463
Abbreviation: KHNES
ISSN: 1738-7264 (Print) 2288-7407 (Online)
Print publication date 30 Dec 2021
Received 18 Oct 2021 Revised 17 Nov 2021 Accepted 10 Dec 2021
DOI: https://doi.org/10.7316/KHNES.2021.32.6.455

단일 수성가스 전이 반응용 Cu/CeO2 촉매 최적화: 수산화탄산세륨 전구체를 이용한 CeO2 제조 및 최적 Cu 담지량 선정
허유승1 ; 정창훈1 ; 박민주1 ; 김학민2 ; 강부민3, 4 ; 정대운1, 5,
1창원대학교 스마트환경에너지공학과정
2창원대학교 산업기술연구원
3창원대학교 환경공학과
4창원산업진흥원 수소 산업기획본부
5창원대학교 토목환경화공융합공학부

Optimization of Cu/CeO2 Catalyst for Single Stage Water-Gas Shift Reaction: CeO2 Production Using Cerium Hydroxy Carbonate Precursor and Selection of Optimal Cu Loading
YU-SEUNG HEO1 ; CHANG-HOON JEONG1 ; MIN-JU PARK1 ; HAK-MIN KIM2 ; BOO MIN KANG3, 4 ; DAE-WOON JEONG1, 5,
1Department of Smart Environmental Energy Engineering, Changwon National University, 20 Changwondaehak-ro, Uichang-gu, Changwon 51140, Korea
2Industrial Technology Research Center, Changwon National University, 20 Changwondaehak-ro Uichang-gu, Changwon 51140, Korea
3Department of Environmental Engineering, Changwon National University, 20 Changwondaehak-ro, Uichang-gu, Changwon 51140, Korea
4Hydrogen Industry Planning Team, Changwon Industry Promotion Agency, 46, Changwon-daero 18 beon-gil, Uichang-gu, Changwon 51395, Korea
5School of Civil, Environmental, and Chemical Engineering, Changwon National University, 20 Changwondaehak-ro, Uichang-gu, Changwon 51140, Korea
Correspondence to : dwjeong@changwon.ac.kr


2021 The Korean Hydrogen and New Energy Society. All rights reserved.
Funding Information ▼

Abstract

In this study, CeO2 support is synthesized from cerium hydroxy carbonate prepared using precipitation/digestion method using KOH and K2CO3 as the precipitants. The Cu was impregnated to CeO2 support with the different loading (Cu loading=10-40 wt. %). The prepared Cu/CeO2 catalysts were applied to a single stage water gas shift (WGS) reaction. Among the prepared catalysts, the 20Cu/CeO2 catalyst contained 20 wt.% of Cu showed the highest CO conversion (Xco=68% at 400°C). This result was mainly due to a large amount of active sites. In addition, the activity of the 20 Cu/CeO2 catalyst was maintained without being deactivated for 100 hours because of the strong interaction between Cu and CeO2. Therefore, it was confirmed that 20 Cu/CeO2 is a suitable catalyst for a single WGS reaction.


Keywords: Water gas shift, Cerium hydroxy carbonate, Cu loading, Active sites, Interaction
키워드: 수성가스 전이, 수산화탄산세륨, Cu 담지량, 활성점, 상호작용

1. 서 론

지속적인 인구증가 및 산업의 발전으로 인하여 전 세계의 에너지 소비량은 지속적으로 증가하고 있으나, 주 에너지원인 화석연료의 매장량은 한정적이며 화석연료의 소비는 대기오염물질 발생, 기후 변화 그리고 지구온난화 등의 환경적 문제를 야기시킬 수 있다1,2). 이에 따라서, 선진국에서는 화석연료를 대체하는 수소에너지원을 활용하는 수소경제로의 전환을 노력하고 있다3). 우리나라 정부 또한 20년 10월 ‘2050 탄소중립’을 선언하고, 화석연료 기반의 에너지 기반 사회에서 수소경제 사회로의 에너지 패러다임의 변화를 적극적으로 수용하고 있다4).

수소는 연소되거나 전기로 변환할 시 CO2를 배출하지 않기 때문에 환경적 문제를 해결할 수 있는 중요한 대체 에너지 자원이다5). 또한, 수전해 반응을 통해 수소를 생산하는 경우 무한한 자원인 물을 활용할 수 있어 에너지 안보 확보가 가능하다6). 2019년 11월에 발표된 수소 기술개발 로드맵에 따르면, 수소는 천연가스 개질, 수전해, 폐자원/바이오매스 개질 등을 통해 생산할 수 있다7). 그러나 수전해 기술은 기술력이 부족하여 천연가스 개질 기술에 비해 경제성이 떨어진다8). 그리고 폐자원/바이오매스 이용의 경우는 불순물 및 높은 CO 농도로 인해 촉매의 적용이 어렵다9). 반면, 천연가스 개질 기술은 세계 수소 생산량의 48%를 차지하고 있으며 기술적으로 많이 개발되어 있어 경제성이 높다10).

천연가스 개질 기술은 수증기 개질 반응(steam reforming of methane, SRM: CH4+H2O → 3H2+CO)을 통해서 수소 및 일산화탄소가 주성분인 합성가스를 생성할 수 있다. 수성가스 전이(water gas shift, WGS: CO+H2O → H2+CO2)반응을 통해 합성가스 내 일산화탄소를 수소로 전환시켜 고순도 수소를 생산할 수 있다11). WGS 반응은 열역학적 평형으로 인해 두 단계로 진행된다. 300-500oC의 온도 구간에서 반응하는 고온전이반응(high temperature water gas shift, HT-WGS)과 200-250oC의 온도 구간에서 반응하는 저온전이반응(low temperature water gas shift, LT-WGS)으로 구분된다12). WGS 반응에서 사용되는 대표적인 상용 촉매로는 HT-WGS 반응을 위한 Fe2O3/Cr2O3 및 LT-WGS 반응을 위한 Cu/Zn/Al2O3 촉매가 사용되고 있다13). 그러나 기존의 WGS 반응은 HT-WGS 반응 및 LT-WGS 반응 사이에 냉각을 위한 보조 장치가 있어야 하므로 공정에 상당한 비용 추가와 큰 부피로 인해 분산형 수소생산을 위한 소규모 개질 반응에는 부적합하다14). 따라서 많은 연구자들은 240-400oC의 온도 범위에서 수행할 수 있는 단일 WGS 반응을 위한 새로운 촉매 개발에 더 관심이 있다15-17).

귀금속계 촉매는 높은 성능으로 인해 단일 WGS 반응에 적용되어 다양한 연구가 진행되었다18-23). Hwang 등22)은 귀금속인 Pt를 활용하여 Pt/Ti/ZrO2 촉매를 제조하여, 기체공간속도(gas hourly space velocity, GHSV) 17,000 h-1에서 단일 WGS 반응을 수행하였다. Pt/Ti/ZrO2 촉매는 Pt 금속의 높은 분산도에 기인하여 300oC에서 78%의 높은 CO 전환율을 나타내었다. 또한, Zhu 등23)은 Pt-Na/TiO2 촉매를 제조하였으며 GHSV 40,000 h-1의 가혹한 조건에서 단일 WGS 반응을 수행하였다. 그 결과, Pt와 Na 사이의 강한 상호작용에 기인하여 300oC에서 58%의 CO 전환율로 우수한 성능을 나타내었다. 그러나 귀금속을 이용한 촉매는 높은 비용으로 인해 낮은 경제성을 가진다24). 따라서, 최근에는 비귀금속계 촉매가 많이 연구되고 있다13,17,25,26).

비귀금속 촉매 중 Cu계 촉매는 WGS 반응에서 높은 활성 및 선택도를 지니는 활성금속으로 각광받고 있다27). 특히, Cu/CeO2 촉매는 메탄화(CO+3H2 ↔ CH4+H2O) 없이 높은 CO 전환율을 나타내는 유망한 촉매로 간주되고 있다28). CeO2는 촉매 성능에 큰 영향을 미치는 활성금속의 분산도, 환원성 그리고 산소 저장용량(oxygen storage capacity, OSC) 등을 향상시키는 것으로 잘 알려져 있다29,30). 이러한 이유로 CeO2는 WGS 반응용 촉매의 지지체로써 상당한 주목을 받고 있으며, 합성방법에 따라 물리화학적 특성이 크게 영향을 받는다31). 특히, 다양한 합성방법 중 침전법은 편리할 뿐만 아니라 비용 효율적이기 때문에 CeO2 지지체 합성에 널리 사용된다32,33).

본 연구팀은 이전 연구에서 CeO2 지지체 합성 과정에서 침전제 종류가 산소 저장능력 및 촉매 성능에 미치는 영향을 조사하고자 수산화칼륨(KOH), 탄산칼슘(K2CO3)을 각각 침전제로 사용하여 CeO2 지지체를 제조하였고, 추가적으로 두 가지 침전제를 모두 사용하여 CeO2 지지체를 제조하였다17). 사용된 침전제에 따라 각각 cerium hydroxide (CH), cerium carbonate (CC) 그리고 cerium hydroxy carbonate (CHC) 형태의 침전물이 제조되었으며, 해당 침전물을 400oC에서 4시간 동안 소성하여 CeO2를 제조하고 Cu를 함침시켜 촉매 성능을 비교하였다. 그 결과, CHC 형태의 침전물을 사용하여 제조된 CeO2에 Cu를 함침시킨 촉매가 CeO2의 높은 산소저장능에 기인하여 가장 높은 활성 및 안정성을 나타내었다. 그러나 CHC 형태의 CeO2를 지지체로 활용하는 경우 기존의 CeO2 지지체와 다른 물리화학적 특성으로 인해 Cu의 담지량을 최적화할 필요가 있다. Cu의 담지량은 촉매의 활성물질 분산도, 산화환원능력 등과 같이 WGS 반응에서 성능과 연관된 핵심 인자에 큰 영향을 준다34).

따라서 본 연구에서는 KOH와 K2CO3를 침전제로 사용하여 CeO2 지지체를 제조하고 Cu의 담지량을 최적화하기 위해 Cu의 담지량을 10-40 wt.%로 변화시켜 촉매의 성능을 비교하였다. Cu 담지량에 따른 촉매의 물리화학적 특성은 X-ray diffraction (XRD), brunauer-emmett-teller (BET), H2-temperature programmed reduction (H2-TPR), N2O-chemisorption 그리고 raman spectroscopy 분석하였으며, 50,233 h-1의 높은 GHSV에서 촉매의 활성 및 안정성을 평가하였다.


2. 연구방법
2.1 촉매 제조

Cerium hydroxy carbonate (CHC) 형태의 CeO2를 제조하기 위해 0.01M KOH (95%, Samchun, Seoul, Korea) 침전제와 0.01M K2CO3 (99%, Aldrich, St Louis, MO, USA) 침전제를 혼합하여 0.02 M Ce(NO3)3·6 H2O (99%, Aldrich) 전구체와 함께 pH 7이 유지되도록 적가하였다. 실온에서 4시간 동안 교반하여 침전된 물질을 수득하였으며, K+ 이온을 포함한 불순물을 제거하기 위해 증류수로 5회 세척하였다. 세척한 침전물을 건조시키기 위해 실온에서 24시간 동안 방치하였으며, 이후 400oC에서 4시간 동안 소성하여 CeO2 지지체를 제조하였다. 제조된 CeO2 지지체와 Cu(NO3)3·xH2O (99%, Aldrich) 수용액을 사용하여 함침법으로 Cu/CeO2 촉매를 제조하였다35). 이후 100oC에서 12시간 건조 후 400oC에서 4시간 동안 소성하여 제조되었다. Cu의 담지량을 최적화시키기 위해 담지량을 10-40 wt.%로 각각 제조하였다.

2.2 특성 분석

촉매의 물리화학적 특성을 파악하기 위해 XRD, BET, H2-TPR, N2O-chemisorption 그리고 raman spectroscopy를 수행하였다. 촉매의 결정성은 XRD 분석을 통해 파악하였으며, Cu-Kα radiation을 40kV 및 30 mA 조건으로 X'Pert PRO MPD diffractometer (PANalytical, Almelo, Netherlands) 장비를 사용하여 20-70o의 2θ 범위 내에서 수행하였다. BET 표면적은 ASAP 2020 (Micromeritics, Norcross, GA, USA, 실험센터: 경남대학교 환경측정분석센터) 장비를 사용하여 0.5 mmHg 미만의 진공상태에서 12시간 동안 110oC로 탈기한 후 -196oC에서 질소흡착을 통해 측정하였다. H2-TPR 및 N2O-chemisorption은 열전도도 검출기(thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 AutoChem II 2920 (Micromeritics, 실험센터: 경남대학교 환경측정분석센터) 장비를 사용하여 분석하였다. H2-TPR 분석은 10% H2/Ar 분위기에서 10oC/min의 승온 속도로 800oC까지 수행하였다. N2O-chemisorption은 분석하기 이전에 제조된 촉매를 400oC에서 1시간 동안 10% H2/Ar 분위기에서 환원시켰다. Cu 활성점(N2O+2Cu=Cu2O+N2)에서의 N2O 소모량 및 N2 발생량은 60oC에서 TCD를 이용하여 측정되었다36). Raman spectroscopy는 532 nm의 레이저 여기 파장에서 NRS-3300 분광기(JASCO, Inc., Easton, MD, USA)을 장비를 사용하여 수행하였다.

2.3 촉매 반응

촉매 반응은 내부 직경이 4 mm인 석영 반응기에 26 mg의 촉매를 석영관에 고정시켜 240-400oC의 반응온도에서 수행하였다. 반응온도는 촉매가 위치한 석영관 중앙에 축 방향으로 열전대(thermocouple)를 배치하여 측정하였다. 촉매 반응에 앞서, 모든 촉매는 5 vol.% H2/N2 가스를 흘려주어 3.3oC/min의 속도로 실온에서 400oC까지 승온 후 1시간 동안 유지하여 환원되었다. 이후 온도를 240oC까지 낮춰 WGS 반응을 수행하였다. 단일 WGS 반응을 위한 공급가스의 조성은 천연가스를 개질하여 얻은 합성가스를 모사하여 CO 9.00%, CH4 1.00%, CO2 9.99%, H2 60.00% 그리고 N2 20.01%로 준비하였다37). 또한, 기존의 WGS 반응은 3,000 h-1의 GHSV에서 수행되나, 본 연구에서는 소형 개질기의 적용성을 고려하여 GHSV 50,233 h-1의 가혹한 조건에서 수행하였다38). H2O는 Syringe pump (KD scientific, Holliston, MA, USA)를 이용하여 공급하였고, 수증기 형태로 공급하기 위하여 180oC로 스테인레스관을 예열하였다. 공급된 가스유량은 탄소침적을 방지하기 위하여 H2O/(CO+CH4+CO2)비를 2.0으로 고정하였다39,40). 발생된 가스의 잔류 수분을 제거하기 위해 Chiller (JS Research, Gongju, Korea)를 사용하였으며, 이후 Agilent 490 micro-gas chromatograph (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)를 이용하여 생성된 가스조성을 분석하였다. 생성된 가스를 활용하여 CO 전환율, CO2 및 CH4 선택도를 계산하였으며, 그 식은 다음과 같다.

CO conversion %=COin-COoutCOin×100
CO2 selecivity %=CO2out-CO2inCH4out-CH4in+CO2out-CO2in×100
CH4 selecivity %=CH4out-CH4inCH4out-CH4in+CO2out-CO2in×100

3. 결과 및 고찰
3.1 촉매 특성

Cu 담지량에 따른 Cu/CeO2 촉매의 특성은 Table 1에 나타내었다. BET 표면적 측정결과, Cu 담지량이 10 wt.%일 때 136 m2/g으로 가장 높은 촉매 표면적을 나타내었으며, 40 wt.%일 때 67 m2/g으로 가장 낮은 표면적을 나타내었다. 이 결과는 Cu의 담지량이 높아질수록 CeO2 지지체의 기공막힘 현상으로 인해 촉매의 표면적이 감소한 것으로 판단된다41). 이에 따라, Cu의 담지량에 따른 Cu/CeO2 촉매의 표면적은 10 Cu/CeO2>20 Cu/CeO2>30 Cu/CeO2>40 Cu/CeO2 순으로 감소하였다.

Table 1. 
Characteristics of Cu/CeO2 catalysts with varying Cu loading
Catalyst Catalyst S.A.
(m2/g)a)
Cu crystallite size
(nm)b)
Cu dispersion
(%)c)
H2 uptake
(mmol/g)d)
10 Cu/CeO2 136 20.0 4.28 3.79
20 Cu/CeO2 104 22.9 3.94 6.57
30 Cu/CeO2 86 26.4 3.33 6.49
40 Cu/CeO2 67 28.1 2.91 4.49
a)Estimated from N2 adsorption at -196°C.
b)Calculated from XRD patterns of Cu (111).
c)Estimated from N2O-chemisorption.
d)Calculated from H2-TPR.

Fig. 1에는 환원된 Cu/CeO2 촉매의 XRD 패턴을 나타내었다. 모든 촉매에서는 나타난 주요 피크는 CeO2 (JCPDS 34-0394)의 형석형(fluorite-structure) 구조와 일치하였다. 또한, 제조된 모든 촉매에서 환원된 Cu 결정 피크(JCPDS 04-0836)가 감지되었다. Cu의 담지량이 증가함에 따라 Cu 피크의 강도는 증가하였으며, CeO2 피크의 강도는 감소하였다. 환원된 샘플의 Cu 결정 크기는 debye-scherrer 방정식을 사용하여 계산되었으며, 그 결과는 Table 1에 요약하였다. 제조된 Cu/CeO2 촉매 중 10 Cu/CeO2 촉매가 20.0 nm로써 가장 작은 결정 크기를 나타내었으며, Cu의 담지량이 증가함에 따라 Cu 결정 크기가 증가하였다: 10 Cu/CeO2<20 Cu/CeO2<30 Cu/CeO2<40 Cu/CeO2. 이는 활성종인 Cu 분산도와 관련이 있으며, N2O-chemisorption 분석 결과와 일치한다. 일반적으로 활성금속의 분산도와 결정 크기는 밀접한 상관관계를 가진다42). 또한, 활성금속의 분산도가 높으면, 활성금속과 반응물질이 접촉하는 면적이 증가하여 촉매의 활성이 증진될 수 있다43).


Fig. 1. 
XRD patterns over reduced Cu/CeO2 catalysts with varying Cu loading

Cu/CeO2 촉매의 환원 특성을 파악하기 위해 H2-TPR 분석을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 2에 나타내었다. 제조된 Cu/CeO2 촉매는 모두 3개의 환원 피크가 관찰되었다. 첫 번째 피크는 CuO 종의 환원에 해당되며, 두 번째 피크는 CeO2와 상호작용하는 CuO 종의 환원에 해당된다. 세 번째 피크는 CeO2 격자에서 Cu의 환원에 기인한 것으로 Cu와 CeO2 사이에 강한 상호작용을 가지고 있음을 나타낸다44). 금속과 지지체 사이의 강한 상호작용은 소결 현상을 효과적으로 억제할 수 있다45). Cu 담지량 10 wt.%인 Cu/CeO2 촉매를 제외하고 CeO2와 상호작용하는 Cu의 환원 온도가 164oC에서 나타났다. 이를 통해서 Cu 담지량이 20 wt.% 이상인 Cu/CeO2 촉매는 10 Cu/CeO2 촉매보다 강한 활성물질과 지지체 간의 상호작용이 있음을 확인하였다. 그러나 Cu 담지량이 20 wt.%보다 높은 경우에는 해당 상호작용이 유사하다고 판단된다. 또한, 각 피크의 면적을 기반으로 계산한 수소 소모량의 경우 20 Cu/CeO2>30 Cu/CeO2>40 Cu/CeO2>10 Cu/CeO2 순으로 높게 나타났다(Table 1). 수소 소모량은 환원된 활성점과 관련이 있기 때문에 수소 소모량이 가장 높은 20 Cu/CeO2 촉매가 환원된 활성점이 가장 많을 것으로 판단된다46).


Fig. 2. 
H2-TPR patterns over Cu/CeO2 catalysts with varying Cu loading

환원된 Cu/CeO2 촉매의 raman spectra는 Fig. 3에 나타내었다. 제조된 모든 촉매에서 460 cm-1에서 하나의 피크가 관찰되었으며, 이는 CeO2의 형석형 구조의 F2g 진동 밴드 때문이다47,48). H2-TPR 분석 결과에서 10 wt.%가 담지된 Cu/CeO2 촉매에 비해 20 wt.% 이상의 Cu가 담지된 촉매가 강한 상호작용을 나타낸 것을 확인하였다. 이에 따라 raman spectra의 F2g 피크 또한 20 wt.% 이상의 Cu의 담지량에서 작아진 것을 확인할 수 있었다. 이는 Cu 담지량이 증가함에 따라 CeO2의 격자로 삽입되는 Cu가 많아짐에 따라 증가된 CeO2의 구조적 변형에 기인한 결과로 판단된다49).


Fig. 3. 
Raman spectra over reduced Cu/CeO2 catalysts with varying Cu loading

3.2 촉매 성능

촉매의 활성을 평가하기 위해 Cu/CeO2 촉매의 반응온도 구간별 CO 전환율을 Fig. 4에 나타내었다. 제조된 Cu/CeO2 촉매는 반응온도 240oC에서는 무시할 만한 차이를 나타내었다. 또한, 400oC의 반응온도에서는 Cu의 담지량이 10 wt.%에서 20 wt.%로 증가함에 따라 CO 전환율은 45% 에서 68%로 증가하였으나, 20 wt.%에서 40 wt.%로 증가함에 따라 68%에서 58%로 감소하였다. 따라서, 제조된 촉매의 활성은 20 Cu/CeO2>30 Cu/CeO2>40 Cu/CeO2>10 Cu/CeO2 순으로 높게 나타났다. 이 결과는 작은 결정 크기, 높은 Cu 분산도 그리고 활성금속과 지지체 사이의 상호작용과 밀접한 관련이 있다. 10 Cu/CeO2 촉매의 경우, 가장 작은 결정 크기 및 높은 분산도를 나타내었음에도 불구하고 촉매의 활성이 가장 낮게 나타났으며, 이는 TPR 결과에서 확인한 바와 같이 환원된 활성점이 적기 때문이다. 반면, 20 Cu/CeO2 촉매의 경우에는 작은 결정 크기와 높은 분산도를 나타내었을 뿐만 아니라 환원된 활성점 또한 많기 때문에 결과적으로 가장 높은 활성을 나타내었다.


Fig. 4. 
CO conversion with reaction temperature over Cu/CeO2 catalysts with varying Cu loading (H2O/[CH4+CO+CO2]=2.0; GHSV=50,233 h-1)

Fig. 5는 Cu/CeO2 촉매의 온도에 따른 CO2 선택도 및 CH4 선택도를 나타내었다. WGS 반응의 부반응인 메탄화 반응(CO+3H2 → CH4+H2O)은 수소의 수율을 감소시킬 수 있어 바람직하지 않다50). 제조된 모든 촉매는 240-400oC 온도 구간에서 Cu의 담지량과 관계없이 100% CO2 및 0% CH4 선택도를 나타내었다. 이에 따라, 제조된 Cu/CeO2 촉매는 메탄화 반응 없이 선택적으로 CO를 CO2로 전환할 수 있는 촉매임을 확인하였다.


Fig. 5. 
Selectivity to CO2 and CH4 with reaction temperature over Cu/CeO2 catalysts with varying Cu loading (H2O/[CH4+CO+CO2]=2.0; GHSV=50,233 h-1)

촉매의 활성이 가장 높은 20 Cu/CeO2 촉매의 안정성을 확인하기 위해 GHSV 50,233 h-1에서 100시간 동안 단일 WGS 반응을 수행한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 20 Cu/CeO2 촉매는 비활성화 없이 68%의 CO 전환율을 100시간 동안 유지하였다. 이는 Cu와 CeO2 사이의 강한 상호작용이 Cu의 소결을 방지하기 때문이다. 따라서 20 Cu/CeO2 촉매는 단일 WGS 반응에서 높은 활성과 안정성을 갖는 매우 우수한 촉매임을 확인할 수 있었다.


Fig. 6. 
Stability test over 20 Cu/CeO2 catalyst at 400°C (H2O/[CH4+CO+CO2]=2.0; GHSV=50,233 h-1)


4. 결 론

본 연구에서는 cerium hydroxy carbonate 형태의 침전물을 사용하여 CeO2 지지체를 제조하여, Cu 담지량에 따른 촉매의 성능을 분석하였다. 제조된 촉매 중 20 Cu/CeO2 촉매가 가장 높은 CO 전환율을 나타내었으며, 100% CO2 및 0% CH4 선택도를 나타내었다. 또한, 가혹한 조건에서 100시간 동안 안정적인 활성을 유지하였다. 이 결과는 우수한 Cu 분산도, 작은 Cu 결정 크기, 많은 활성점과 Cu와 CeO2 사이의 강한 상호작용에 기인한다. 그러나 Cu 담지량 30 wt.%부터는 Cu 분산도 및 활성점의 감소로 인해서 촉매의 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 결과적으로 단일 WGS 반응을 위한 Cu/CeO2 촉매의 최적 Cu 담지량은 20 wt.%인 것으로 확인되었고, 해당 촉매는 Cu와 CeO2 사이에 강한 상호작용으로 인해서 100시간 동안 안정적인 활성을 유지하여 단일 WGS 반응에 적합한 촉매임을 확인하였다.


Acknowledgments

본 연구는 환경부의 폐자원에너지화 재활용 전문인력 양성사업으로부터 지원을 받았습니다(YL-WE-19-001). 이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구이다(No. 2019R1C1C1005022).


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