Synthesis Gas Production via Partial Oxidation, CO2 Reforming, and Oxidative CO2 Reforming of CH4 over a Ni/Mg-Al Hydrotalcite-type Catalyst

Partial oxidation, $CO_2$ reforming and the oxidative $CO_2$ reforming of $CH_4$ to produce synthesis gas over supported Ni hydrotalcite-type ($Ni_{0.5}Ca_{2.5}Al$ catalyst) catalysts were carried out and the effects of metal supports (i.e.; Mg and Ca) on the formation of a stable double-layer structure on the catalysts were evaluated. The $CH_4$ reforming stability was determined to be affected by the differences in the interaction strength between the active Ni ions and support metal ions. Only a Ni-Mg-Al composition produced a highly stable hydrotalcite-type double-layered structure; while the Ni-Ca-Al-type composition did not. Such structure provides excellent stability for the catalyst (-80% efficiency) as confirmed by the long-term $CO_2$ reforming test (-100 h), while the Ni-Ca-Al catalyst exhibited deactivation phases starting at the beginning of the reaction. The interaction strength between the active metal (Ni) and the supporting components (Mg and Al) was determined by temperature-programed reduction (TPR) analyses. The affinity was also confirmed by the TPR temperature because the Ni-Mg-Al catalyst required a higher temperature to reduce the Ni relative to the Ni-Ca-Al catalyst. The highest initial activity for synthesis gas production was observed for the $Ni_{0.5}Ca_{2.5}Al$ catalyst; however, this activity decreased quickly due to coke formation. The $Ni_{0.5}Ca_{2.5}Al$ catalyst exhibited a high reactivity and was more stable than the other catalysts because it had a higher resistance to coke formation.

합성가스를 생산하기 위한 부분산화, 이산화탄소 리포밍, 메탄에 의한 산화$CO_2$ 리포밍 공정들은 니켈 하이드로탈사이트($Ni_{0.5}Ca_{2.5}Al$) 촉매를 이용하여 수행되었고 안정한 이중층 구조를 형성시키기 위한 금속지지체(Mg, Ca)의 영향에 대해서도 다양한 연구가 진행되었다. 지지체전구물질(Mg, Ca)에 따라 메탄 리포밍의 안정성은 활성니켈이온과 지지체금속이온 사이의 결합강도차이에 의해 영향을 받는다. Ni-Mg-Al 구성체는 가장 안정한 하이드로탈사이트 이중층 구조이지만 Ni-Ca-Al 구성체는 그렇지 않다. 이산화탄소 리포밍 장기테스트에서 Ni-Mg-Al 촉매는 약 100시간 동안 80%의 효율을 유지하면서 탁월한 안정성을 보였지만 Ni-Ca-Al 촉매는 반응초기에 불활성화됨을 확인할 수 있었다. 활성금속 Ni과 지지체 Mg-Al 사이의 결합강도를 확인하기 위해 승온 환원(temperature-programmed reduction, TPR) 분석을 시행하였다. 이를 통해 Ni-Mg-Al 촉매가 Ni-Ca-Al 촉매보다 Ni의 환원온도가 더 높음을 확인할 수 있었다. $Ni_{0.5}Ca_{2.5}Al$ 촉매는 가장 높은 초기반응성을 보였지만 코크형성으로 인해 반응성이 빠르게 감소하였다. 결론적으로 $Ni_{0.5}Ca_{2.5}Al$ 촉매가 코크형성에 대한 강한 저항성을 갖고 있기 때문에 다른 촉매들보다 높은 반응성과 안정성을 갖는 것으로 보여진다.