Na⁺/MgO 촉매상에서 메탄의 Oxidative Coupling 반응의 속도론적 해석

Kinetic Analysis of Oxidative Coupling of Methane over Na⁺/MgO Catalyst

고정층 상압 유통식 반응기에서 메탄의 전화율 10% 미만의 범위에서 $Na^+(50wt%)/MgO$ 촉매를 사용하여 반응온도 710, 730, 750, 770, $790^{\circ}C$에서 메탄과 산소의 분압을 변화시켜 가면서 메탄의 oxidative coupling반응을 수행하여 이산화탄소와 에탄의 생성속도를 구하고 curve fitting으로 속도식을 증명하였다. Langmuir-Hinshelwood, Rideal-Redox, Eley-Rideal형 반응 메카니즘 중에서 Langmuir-Hinshelwood형 반응 메카니즘이 실험 결과와 가장 잘 일치하였으며, $CH_3{\cdot}$의 생성에 관여하는 산소종은 촉매 표면의 $O_2{^-}$ 또는 $O_2{^{2-}}$으로 제시할 수 있었고, 이때의 활성화 에너지는 약 39.3kcal/mol이었다. 또한, curve fitting결과 $CO_x$을 생성하는 산소의 화학 양론계수 x는 약 1.5이었으며, 이로부터 $CH_3{\cdot}$의 일부가 표면산소에 의해서 산화반응을 거쳐 $CH_3O_2{\cdot}*$ 형성을 추측할 수 있었다.

The oxidative coupling of methane was studied kinetically using $Na^+(50wt%)/MgO$ catalyst at 710, 730, 750, 770 and $790^{\circ}C$ in a fixed bed flow reactor at the atmospheric pressure under differential conversion conditions. Through curve fitting, it was found that the Langmuir-Hinshelwood type mechanism was fitted to this reaction rather than Rideal-Redox type or Eley-Rideal type mechanism. Therefore, it was proposed that the $O_2{^-}$ or $O_2{^{2-}}$ species on the surface was related to the production of $CH_3{\cdot}$. The estimated activation energy of $CH_3{\cdot}$ production was about 39.3kcal/mol. Moreover, as the result of curve fitting, the stoichiometric coefficient of $O_2$ for the production of $CH_3{\cdot}$ to produce $CO_x$was approximately 1.5. Accordingly, it could be concluded that the $CH_3O_2{\cdot}*$ was prouduced through the partial oxidation of $CH_3{\cdot}$ with the surface oxygen.