메탄의 산화이량화 반응에 대한 Na2WO4-Mn/Silica 촉매의 활성에 관한 연구

Abstract

현재 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 석유자원은 그 사용량은 점차 증가하고 있지만, 매장량은 한정되어 있으므로 이를 대체할 기초 화학원료에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 상대적으로 값이 싸고, 매장량이 풍부한 천연가스가 주목받고 있다. 메탄의 산화이량화 반응은 천연가스의 주원료인 메탄으로부터 C2 탄화수소를 얻을 수 있는 유용한 방법 중 하나이다. 하지만, 메탄과 산소가 반응하기 때문에, 완전산화물인 CO, CO2로의 반응을 억제하고, C2 탄화수소의 선택성을 높일 수 있는 촉매 개발이 필요하며, 현재까지는 Na2WO4-Mn/Silica 촉매가 메탄 산화이량화 반응에서 가장 우수한 활성을 보이는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 Na2WO4-Mn/Silica 촉매에서 실리카 담체가 메탄 산화이량화반응에 미치는 영향을 확인하였다. 그리고 담체에 따라 다른 활성 결과를 보임에 따라 활성물질의 양을 조절하여 촉매를 제조하였으며 완성된 촉매에 대하여 675-800℃에서의 활성을 확인하였다. 그 결과 SiO2 aerogel, SBA-15, MCM-41을 담체로 사용하였을 경우의 C2 수율이 725℃에서 17.5%로, SiO2 gel보다 우수한 것을 확인하였다. SiO2 aerogel을 담체로 정하고 활성물질의 양을 조절하며 촉매를 제조하고 반응을 수행한 결과 3 wt% Na2WO4 - 1 wt% Mn/SiO2 aerogel이 가장 우수한 C2 수율인 17.6%를 나타냈다. 이는 5 wt% Na2WO4 - 2 wt% Mn/SiO2 gel보다 우수하였을 뿐만 아니라, 활성화 되는 온도가 저온으로 이동한 것을 확인할 수 있었다. XRD, XPS, TPR, O2-TPD의 특성 분석을 통해 활성 물질 Na2WO4와 Mn이 상호 작용함에 따라 촉매의 환원 특성과 Oxygen mobility가 변화하는 것이 관찰되었으며, Na2WO4가 OCM 반응에서 활성을 증진시키는 활성상으로의 전이가 원활하게 이루어지도록 돕는 구조적 촉진제 역할을 하는 것으로 나타났다.