Abstract
The synthesis of methanol from carbon dioxide and hydrogen was studied for various compositions of Cu/ZnO catalyst system. Effect of the composition ratio of CuO and ZnO on the catalytic activity in the above reaction and the relationship between the activity and the characteristics of the catalysts were explained from the result of surface area measurements, SEM, XRD, and XPS. The major products of the reaction were methanol and carbon monoxide. The selectivity to methanol increased with increase of the copper oxide content in the catalyst up to CuO: ZnO = 30:70 weight ratio, and decreased rapidly when the content is above 70%. SEM and BET measurements, indicate that this point corresponds to the increasing point of the catalyst crystallite size and the decreasing point of the surface area. As to the Cu/Cu + Zn atomic ratio, the surface concentration of copper measured by XPS decreased remarkably when the copper oxide content in catalyst was higher than 50%. All the unreduced catalysts had almost same binding energy of Cu(2P3) level, but the binding energy for $Cu(2P^3)$ level of reduced catalysts was lowered than that of calcined catalysts. The surface copper species which was in the maximum amount when the CuO:ZnO composition in the catalyst was 30:70, existed as zero valent copper. This result agreed with the experimental result that the highest rate of methanol formation was observed when the CuO content in the catalyst was 30%. It was postulated that these reduced catalysts performed with a relatively strong basicity because the formation rate of acetone was higher than that of propylene in isopropanol decomposition as measured in a pulse type reactor.
여러가지 조성비로 만든 Cu/ZnO계 촉매로 이산화탄소를 수소화시켜 메탄올을 합성하였다. 촉매제조시 각 성분의 조성비가 촉매활성에 미치는 영향을 조사하고 반응촉매에 대하여 표면적 측정(BET), 주사전자현미경 측정(SEM), X선회절분석(XRD), X선광전자분석(XPS) 등을 실시하여, 각 촉매의 촉매특성을 조사하고 촉매활성과의 연관성을 연구하였다. 반응생성물은 메탄올과 일산화탄소 뿐이었는데 메탄올의 생성은 CuO의 함량이 증가하면 그에 따라 점차 증가하였으나 CuO:ZnO의 조성비율이 30:70일 경우에 최대이었고, CuO가 70 이상이면 급격하게 감소하였다. 촉매에 대한 SEM 측정과 BET 측정결과에서 확인된 바와 같이 이점은 미세결정크기가 증가되고 표면적이 감소하는 점과 일치되었다. 또 XPS 측정결과에서 촉매표면상에서의 Cu의 농도는 Cu/Cu+Zn(atomic ratio)을 비교할 때 CuO의 함량이 50% 이상인 경우에서 현저히 감소하였다. 그리고 각 촉매들의 $Cu(2P^3)$에 대한 결합에너지의 수치상의 값은 거의 같았으나 환원된 상태의 $Cu(2P^3)$의 결합에너지는 소성된 상태의 것과 비교하여 낮아졌고, 표면에 분포된 Cu 는 대부분 $Cu^{\circ}$로 확인되었으며 CuO:ZnO의 조성이 30:70인 경우에서 최대가 되었다. 이것은 또한 CuO의 조성비율이 30인 때에 메탄올생성이 최대라는 실험결과와도 잘 일치하였다. 그리고 환원된 각각의 촉매로 펄스(pulse)형태의 반응기에서 이소프로판올을 분해시킨 결과 아세톤의 생성율이 프로필렌보다 컸음으로 이들은 염기성이 상대적으로 강한 촉매라고 추측하였다.
