Journal of the Korean Chemical Society (대한화학회지)

Korean Chemical Society (대한화학회)
권호 표지

Effects of Mn- and K-addition on Catalytic Activity of Calcium Oxide for Methane Activation

메탄 활성화반응에서 산화칼슘 촉매의 활성에 대한 망간과 칼륨의 첨가효과

  • Published : 19981200
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Abstract

Pure CaO, Mn-doped CaO, Mn/CaO, and K/CaO catalysts were prepared and tested as catalysts for the oxidative coupling of methane in the temperature range of 600 to 800$^{\circ}C$ to investigate the effects of Mn- and K-addition on the catalytic activity of calcium oxide. To characterize the catalysts, X-ray powder diffraction(XRD), XPS, SEM, DSC, and TG analyses were performed. The catalytic reaction was carried out in a single-pass flow reactor using on-line gas chromatography system. Normalized reaction conditions were generally $p(CH_4)/p(O_2)=250$ Torr/50 Torr, total feed flow rate=30 mL/min, and 1 atm of total pressure with He being used as diluent gas. Among the catalysts tested, 6.3 mol% Mn-doped CaO catalyst showed the best $C_2$ yield of 8.0% with a selectivity of 43.2% at 775$^{\circ}C$. The $C_2$ selectivity increased on lightly doped CaO catalysts, while decreased on heavily doped CaO([Mn] > 6.3 mol%) catalysts. 6 wt.% Mn/CaO and 6 wt.% K/CaO catalysts showed the $C_2$ selectivities of 13.2% and 30.9%, respectively, for the reaction. Electrical conductivities of CaO and Mn-doped CaO were measured in the temperature range of 500 to 1000$^{\circ}C$ at Po2's of $10^{-3}\; to\;10^{-1}\;atm.$ The electrical conductivity was decreased with Mn-doping and increased with increasing $P0_2$in the range of $10^{-3}\;to\;10^{-1}\;atm,$ indicating the specimens to be p-type semiconductors. It was suggested that the interstitial oxygen ions formed near the surface can activate methane and the formation of interstitial oxygen ions was discussed on the basis of solid-state chemistry.

순수한 CaO, Mn-doped CaO, Mn/CaO, K/CaO 촉매를 제조하고 이들의 메탄 활성화반응에 대한 촉매활성을 600∼800$^{\circ}C$ 온도영역에서 실험하여 산화칼슘의 촉매활성에 대한 망간과 칼륨의 첨가효과를 조사하였다. 촉매의 특성을 조사하기 위하여 X-선 분말회절분석(XRD), X-선 광전자분석(XPS), 주사전자현미경분석(SEM), 시차열분석(DSC) 및 열무게분석(TG)을 실시하였다. 촉매반응은 직결 기체크로마토그래피를 이용한 단방향 흐름 반응기로서 이루어졌다. 표준반응조건은 $p(CH_4)/p(O_2)=250$ Torr/50 Torr이며 반응기체의 주입속도는 30mL/min, 그리고 He 희석기체와 함께 전체압력은 1 atm이였다. 실험한 촉매들 중에서 6.3 mol% Mn-doped CaO 촉매가 가장 우수한 $C_2$ 선택성을 보였으며 775$^{\circ}C$에서 $C_2$ 선택성과 $C_2$ 수율이 각각 43.2%와 8.0% 이었다. 적은 양의 망간을 도프한 산화칼슘 촉매들은 망간의 양이 증가함에 따라 $C_2$ 선택성이 향상되는 경향을 보였으나 많은 양의 망간([Mn]>6.3 mol%)을 도프한 촉매에서는 $C_2$ 선택성이 감소하는 경향을 보였다. 금속이온이 도프되지 않은 6 wt.% Mn/CaO와 6 wt.% K/CaO 촉매는 700$^{\circ}C$에서 각각 13.2%와 30.9%의 $C_2$ 선택성을 보여 담지효과는 Mn보다도 K가 훨씬 우수함을 보였다. CaO와 Mn-doped CaO 촉매의 전기전도도를 $10^{-3}∼10^{-1}\;atm$의 산소분압 영역에서 측정한 결과 모두 p형의 전기적 특성을 보였으며 도프한 망간의 농도가 증가함에 다라 전기전도도는 감소하는 경향을 보였다. 촉매표면에 생성된 틈새형 산소이온이 메탄을 활성화할 수 있음을 제안하였고 틈새형 사소이온의 생성을 고체화학적 관점에서 논의하였다.

Keywords

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