This study was focused on the catalytic activity for the combustion of low-concentration methane using various commerical catalysts (six transition metal catalysts in Russia and one rare earth metal (Honeycomb) catalyst in Korea). Catalytic activity was strongly influenced by the type and loading content of metal supported in catalyst. Catalytic performance showed the highest activity in Honeycomb catalyst including rare earth metal, which was the most expensive catalyst, while the next was the catalyst supported Cu with high content (AOK-78-52) and also that supported Cr and Co (AOK-78-56). However, both AOK-78-52 and AOK-78-56 catalysts that were very cheap had lower activation energy than Honeycomb catalyst. In the economical field, both AOK-78-52 and AOK-78-56 catalysts with transition metals showed a good alternative catalyst on the combustion of methane.
Methane combustion over perovskite catalysts was investigated. For the preparation of catalysts, Co, Mn, Fe, and Ni were used as B-site components of the perovskite catalysts $(ABO_3)$ and La was used as A-site component. The effect of calcination temperature on methane combustion and perovskite structure was also investigated. The structure of perovskites, surface area, and adsorbed oxygen species were tested with XRD, BET apparatus, and $O_2-TPD$, respectively. The formation of perovskite structure was affected by the calcination temperature. The catalyst desorbing oxygen at a lower temperature showed better activity for the methane combustion, therefore, the oxygen species desorbing at lower temperatures is responsible for the methane combustion.
Catalytic combustion is the environmental-friendly technology, which has been applied to a variety of areas for industrial and domestic use in recent years. Accordingly, this study performed the development of the catalytic manufacturing technology for the high temperature and of the catalytic combustor in priority, which were aimed to be applied to a commercialized boiler. Paliadium(Pd) of a noble metal was used as a catalyst for the high temperature and supported on alumina($Al_[2}O_{3}$) and zirconia($ZrO_{2}$) in constant weight ratio. Activity of Pd catalysts is compared and analyzed in the catalytic combustion of natural gas. The ratio of $Pd/Al_{2}O_{3}=4$ was found to be better than any other weight ratios in activity and durability. The performance examination of catalysts and of combustion through the plate-type combustor made it possible to be developed the cylindrical-type combustor which has increased combustion area. Catalytic combustion boiler of 25,000 kcal/hr class was also developed, which had the optimum combustion condition at the nozzle of 5.95mm and the orifice of 21mm. This condition was determined through the performance experiments of catalytic combustion boiler to which the cylindrical-type catalytic combustor was applied.
Combustion of ethanol (EtOH) at low temperatures has been studied using titania- and silica-supported platinum nanocrystallites with different sizes in a wide range of 1~25 nm, to see if EtOH can be used as a clean, alternative fuel, i.e., one that does not emit sulfur oxides, fine particulates and nitrogen oxides, and if the combustion flue gas can be used for directly heating the interior of greenhouses. The results of $H_2-N_2O$ titration on the supported Pt catalysts with no calcination indicate a metal dispersion of $0.97{\pm}0.1$, corresponding to ca. 1.2 nm, while the calcination of 0.65% $Pt/SiO_2$ at 600 and $900^{\circ}C$ gives the respective sizes of 13.7 and 24.6 nm when using X-ray diffraction technique, as expected. A comparison of EtOH combustion using $Pt/TiO_2$ and $Pt/SiO_2$ catalysts with the same metal content, dispersion and nanoparticle size discloses that the former is better at all temperatures up to $200^{\circ}C$, suggesting that some acid sites can play a role for the combustion. There is a noticeable difference in the combustion characteristics of EtOH at $80{\sim}200^{\circ}C$ between samples of 0.65% $Pt/SiO_2$ consisting of different metal particle sizes; the catalyst with larger platinum nanoparticles shows higher intrinsic activity. Besides the formation of $CO_2$, low-temperature combustion of EtOH can lead to many other pathways that generate undesired byproducts, such as formaldehyde, acetaldehyde, acetic acid, diethyl ether, and ethylene, depending strongly on the catalyst and reaction conditions. A 0.65% $Pt/SiO_2$ catalyst with a Pt crystallite size of 24.6 nm shows stable performances in EtOH combustion at $120^{\circ}C$ even for 12 h, regardless of the space velocity allowed.
Catalytic activity changes of perovskite catalysts were examined with their A-site substitution. For the preparation of catalysts, Mn was used for B-site component and La, Ce, Sr, Ba, Ca, Ag were used for A-site component of the perovskite $catalysts(ABO_3)$ The effect of calcination temperature on methane combustion and perovskite structure was also investigated. The surface area and adsorbed oxygen species were tested with BET apparatus and $O_2-TPD$, respectively. Perovskite catalysts whose A-site was partially substituted needed higher calcination temperature than un-substituted one to form the perovskite structure. From $O_2-TPD$ experiment, it was found that methane combustion activity was directly related to the oxygen desorbing ability of the catalysts. The prepared catalyst(LM-7) was stable at $600^{\circ}C$ for 72 hours of reaction.
The catalytic combustion of toluene was investigated on the Cu-Mn oxide catalysts prepared by the deposition-precipitation method. Experiment of toluene combustion was performed with a fixed bed flow reactor in the temperature range of $100{\sim}280^{\circ}C$. Among the catalysts, 1.29Cu/Mn showed the most activity at $260^{\circ}C$. The deposition-precipitation method may be showed the potential to enhance the activity of catalysts. The catalysts were characterized by BET, scanning electron microscopy (SEM), temperature-programmed reduction (TPR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD) techniques. On the basis of catalyst characterization data, the results showed that the surface of catalysts by deposition-precipitation method had uniform distribution and smaller particle size, which enhanced the reduction capability of catalysts. The XRD results showed that $Cu_{1.5}Mn_{1.5}O_{4}$ spinel phase was made by deposition-precipitation method, and increased catalyst activity and redox characteristic. It was assumed that the reduction step of $Cu_{1.5}Mn_{1.5}O_{4}$ spinel phase progressed $Cu_{1.5}Mn_{1.5}O_{4}\;to\;CuMnO_{2},\;and\;Cu_{2}O\;to\;CuMn_{2}O_{4}\;and\;Cu$.
Catalytic combustion of toluene was investigated on $CuOx/SnO_2-ZrO_2\;CuOx/SnO_2\;CuOx/ZrO_2$ catalysts prepared by impregnation. Characteristics of catalysts loaded on binary support and single support were observed by TPR, TPO, XRD, XPS techniques. The results on catalytic combustion showed that binary supports improve the activity of copper in the combustion of toluene. The reason for high catalytic activity on toluene combustion of $CuOx/SnO_2-ZrO_2$ catalyst was ascribed to oxidation$\cdot$reduction activity at low temperatures and stability of oxidation state after reduction.
The catalytic activity of precious metals(Rh, Pd, Pt) and nickel catalysts supported on ${\gamma}-Al_2O_3\;and\;CeO_2$ in the partial combustion of methane(PCM) to syngas was investigated based on the product distribution in a fixed bed now reactor under atmospheric condition and also on analysis results by SEM, XPS, TPD, BET, and XRD. The activity of the catalysts based on the syngas yield increased in the sequence $Rh(5)/CeO_2{\geq}Ni(5)/CeO_2>>Rh(5)/Al_2O_3>Pd(5)/Al_2O_3>Ni(5)/Al_2O_3$. Compared to the precious catalysts, the syngas yield and stability of the $Ni(5)/CeO_2$ catalyst were almost similar to $(5)/CeO_2$ catalyst, and superior to these of any other catalysts. The syngas yield of $Ni(5)/CeO_2$ catalyst was 90.66% at 1023 K. It could be suggested to be the redox cycle of the successive reaction and formation of active site, $Ni^{2-}$ and the lattice oxygen, $O^{2-}$ produced due to reduction of $Ce^{4-}$ to $Ce^{3-}$.
This paper provides a review of the status and of the perspectives of advanced catalytic combustion for ultra clean combustion of gas turbines and for industrial combustors. The development of catalytic materials and their combustion techniques for gas turbines are briefly reported. The fuel-rich approaches to catalytic combustion are mentioned for a new technology of thermal- and fuel-NOx control. The fuel-rich catalytic combustion are also applicable to the combustor of ceramic gas turbine, and to the combustion of biomess and municipal waste sludge. Some extended technologies of combustion synthesis are introduced for the synthesis of carbon nanotube and of Perovskite combustion catalysts
Methanol is a liquid fuel which could also be produced from renewable energy sources and has appreciably high energy density. In this work, we investigated the application of $Ce_{0.9}Gd_{0.1}O_{2-x}$ supported Cu and Ni catalysts for hydrogen production via methanol steam reforming. Catalysts were synthesized by solution combustion synthesis. The prepared catalysts with various active materials and Cu loading amounts were tested in a reactor at $200-300^{\circ}C$, 0-5 barg range and steam to methanol molar ratio was 1.5. The catalytic properties of Cu and Ni were compared, and the catalytic performance was shown to depend on the amounts of metal loading and operating conditions such as reaction temperature and pressure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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