Cu-Mordenite 촉매 상에서 메탄과 수증기로부터 메탄올 연속 합성에 대한 연구

Abstract

최근 셰일 가스 생산량이 급증하면서 화학 연료로서 메탄 활용이 큰 관심을 끌고 있다. 현재 메탄은 수증기 개질 등 에너지 집약적인 공정을 통해 생산되는 합성가스 (CO+H2)를 거쳐 간접적으로 전환되어 활용되고 있다. 메탄을 직접 전환하여 화학제품을 생산하는 것은 기존 합성가스를 이용하는 것보다 에너지 및 비용 면에서 큰 이점을 가질 수 있다. 본 연구에서는 자연계에 존재하는 메탄 산화 효소를 모방해 구리 이온을 활성 금속으로 사용하고 반응물인 메탄과 산화제인 스팀을 동시에 넣은 한 단계 공정 촉매 시스템을 제안한다. 이는 기존 연구에서 사용하던 다단계(multistep) 공정의 단점을 보완한 한 단계(one-step) 공정으로 연속적으로 메탄을 산화하여 메탄올을 합성할 수 있다. 촉매는 구리 이온이 교환된 Mordenite를 사용하였다. 제올라이트 양이온의 종류와 제올라이트 조성의 특성 (Si/Al 몰비 및 Cu/Al 몰비)을 고려하여 메탄으로부터 메탄올 직접 합성 반응에 적합한 촉매 시스템을 개발했다. Cu-H-MOR와 Cu-Na-MOR은 메탄 전환율은 비슷하지만, 전자는 후자보다 높은 메탄올 선택도를 갖는다. Si/Al 몰비를 고려할 때, Cu/Al 몰비에 따라 메탄올 형성속도는 volcano-plot 형태를 나타내고, Cu/Al 몰비가 증가할수록 메탄올 선택도는 감소한다. 이 결과는 구리의 활성점 중에서 binuclear copper species가 mono nuclear species보다 더 활성이 좋으며 copper oxide cluster는 메탄 완전 산화에 유리하다는 것을 알 수 있다. 또한, feed에 소량의 산소를 첨가하면 메탄올 생성 속도는 증가하지만, 메탄올 선택도는 감소한다. 추가된 산소는 메탄올의 수율을 높이는 데는 도움이 되지만 메탄올의 선택도는 낮춘다는 것을 알 수 있다.