Cu-SSZ-13 촉매 상에서 메탄으로부터 메탄올 직접 제조

Abstract

천연가스의 주성분인 메탄은 사용 범위가 다양하고, 최근 그 양이 급증하면서 가치 있는 화학 물질로 전환하는 방법이 활발히 연구되고 있다. 현재 상용화된 메탄 활용법은 필수적으로 고온 흡열반응을 통하여 제조된 합성가스를 거쳐야 한다는 단점이 있기 때문에 메탄을 직접 전환하는 것이 주요 과제이다. 메탄에서 메탄올로의 직접 전환은 낮은 온도에서도 이론적으로는 가능하나, 그 해리에너지가 크고 메탄에 비해 메탄올은 반응성이 높아 선택적인 반응이 어렵다. 따라서 보다 쉽게 반응을 일으키는 촉매 물질의 탐색 및 그 활성점을 찾는 것이 중요하다. 본 연구에서는 구리가 이온 교환된 MOR와 SSZ-13(CHA)을 이용하여 저온, 저압 조건에서 메탄을 메탄올로 직접 전환하는 연구를 수행하였다. 먼저 각 단계별로 적절한 조건을 찾고 그 원인을 분석하였다. 산화 활성 온도는 400 ℃에서 최대, 메탄 반응 온도는 300 ℃에서 최대 활성을 보였다. 37 bar 압력이 1 bar 보다 더 나은 활성을 보이지만 상압 실험이 유리한 조건이므로 상압에서 좋은 활성을 보인 Cu-SSZ-13으로 단계 간략화 실험을 진행했다. 이전 연구에선 산화 가스 활성, 메탄 반응, 물 추출 단계를 거쳐 메탄올을 수득하였고, 높은 압력 조건이 필요했다. 사이클 과정에서 수분을 제거하는 활성화 과정을 생략하고, 더 나아가 메탄과 수증기를 동시에 넣었을 때도 35.0 mmol/mol Cu/h 라는 의미 있는 양의 메탄올이 연속적으로 생성됨을 확인했다. 따라서 기존 공정보다 단순화된 공정을 제안하여 연속적인 메탄올 생산이 가능하며 여러 특성 분석을 통해 촉매 특성을 파악할 수 있었으며 XANES 분석을 이용해 활성점인 구리가 2가 산화상태임을 알 수 있었다.