A Study on Aqueous-Phase Reforming of Methanol over Pt/YSZ Catalysts with High H₂ Selectivity and Hydrothermal Stability

Abstract

화석연료는 사용과정에서 다량의 CO₂를 방출하여 지구의 기후변화를 수반함에 따라 최근 친환경 연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소 연료 전지 응용 분야에서는 물만 생성되기 때문에 수소는 대표적인 친환경 연료 중 하나이다. 그러나 증기 메탄 개질 반응을 기반으로 하는 전통적인 수소 생산은 “친환경적”이지 않으며 물의 전기 분해는 현재 경제적 문제로 인해 상용화에 어려움이 있다. 최근 메탄올은 지열을 이용한 CO₂ 촉매 수소화 반응에 의해 생산될 수 있기 때문에 수소 공급원으로서 메탄올은 현재 많은 관심을 받고 있다. 메탄올을 수소로 개질하는 데는 증기 개질 및 수상 개질과 같이 두 가지 방법이 있으며, 이는 모두 동일한 반응인 CH₃OH+H₂O→3H₂+CO₂ (이때, CO₂는 메탄올 생산에 재활용됨)를 기반으로 진행된다. 증기 개질은 과거부터 매우 잘 알려져 있지만, 높은 CO 선택성은 문제가 되며, 압력 스윙 흡착을 통한 수소 분리 단계에서 경제성이 감소한다. 따라서 메탄올 액상 개질은 과량의 물에서 물-가스 전환 반응 (CO+H₂O→CO₂+H₂)을 통해 CO 함량이 크게 감소하기 때문에 별도의 제거 단계 공정을 생략하여 경제성을 높일 수 있다. 그러나 촉매 안정성은 촉매의 장시간 사용에 있어 과량의 물에 의한 지지체 가수분해가 될 수 있는 큰 약점이 존재한다. 본 연구에서의 메탄올 수상 개질 반응은 다양한 접근 방식으로 합성된 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ)에 백금을 습식 함침법으로 담지하여 제조한 백금 촉매의 메탄올 수상 개질 반응의 촉매 활성 및 안정성에 대해 평가하고, 촉매 성능은 다양한 분석 방법을 통해 합성된 촉매의 특성을 논의한다. |As fossil fuels emit abundant CO₂ in use and hence accompany climate change in globe, environmentally friendly fuels have been extensively studied in recent years. One of the representative fuels is hydrogen because only water is produced in H₂-powered fuel cell applications. However, the traditional hydrogen production based on steam methane reforming is not “green”, while water splitting is currently far from commercialization because of economic issues. Recently, much attention is being paid to methanol as H₂ source because methanol can be produced by catalytic CO₂ hydrogenation using geothermal heat. In reforming methanol to H₂, there are two ways such as steam reforming and aqueous-phase reforming (APR), where these are based on the same reaction CH₃OH + H₂O → 3H₂ + CO₂ (recycled to methanol production). Although the former reforming is well known, a high selectivity of CO is problematic and contributes to reduced economics in H₂ separation via pressure-swing adsorption. In this respect, methanol Aqueous-Phase Reforming (APR) is fascinating because the level of CO in gas effluent becomes low through facilitated water-gas shift reaction (CO + H₂O → CO₂ + H₂) in excess supply of water. However, catalyst stability is a serious concern in long-term test. In this work, we report the methanol APR activity and stability of YSZ-supported Pt catalysts prepared by various approaches. Furthermore, their catalytic performance would be discussed in relation with obtained catalyst properties of catalyst synthesis.