KR100682103B1 - 나노 섬유 촉매와 이의 제조방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 고분자화합물과 제1용매를 혼합하여 교반하는 단계와, 제 2용매에 알루미늄 함유 화합물과 전이금속산화물을 혼합하여 교반하는 단계와, 상기 고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 상기 알루미늄 함유 화합물과 전이금속산화물이 혼합된 제2용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계와, 상기 혼합물을 분사하는 노즐과 포집기 사이에 전위차를 발생시킨 상태에서 상기 노즐을 통하여 혼합물을 상기 포집기에 분사하여 섬유 또는 부직포 섬유를 제조하는 단계와, 포집기에 방사된 섬유 또는 부직포를 건조하는 건조단계와, 상기 건조된 섬유 또는 부직포를 소성하여 전이금속산화물이 함유된 알루미나 섬유를 제조하는 소성단계를 구비한 나노 섬유 촉매 제조방법과 이 제조방법에 의해 제조된 나노 섬유 촉매 및 그 제조장치를 제공한다.
알루미나 나노섬유, 연소촉매, 전기방사
Description
도 1은 본 발명에 나노 섬유 촉매의 제조방법을 나타내 보인 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 나노 섬유 촉매 제조장치를 나타내 보인 일부절제 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 고분자물질이 포함된 알루미나 섬유의 전자현미경사진,
도 4는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 고분자 물질이 제거된 알루미나 나노섬유를 1,000배 확대하여 촬영한 전자현미경사진,
도 5는 본 발명에 따른 고분자 물질이 제거된 알루미나 나노섬유를 10,000배 확대하여 촬영한 전자현미경사진,
도 6은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 백금입자를 포함하는 알루미나 나노 섬유를 5,000배 확대하여 촬영한 전자현미경 사진,
도 7은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 백금 입자를 포함하는 알루미나 나노섬유의 표면의 백금입자 분포를 조사한 EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 사진,
도 8은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조 된 백금이 함유된 알루미나 섬 유의 소성온도에 따른 비표면적 분포를 나타내 보인 그래프,
도 9은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조 된 백금이 함유된 알루미나 섬유와 일반 담지법으로 제조한 백금이 담지된 알루미나 섬유의 수소흡착량을 수소-산소 적정법으로 조사한 결과를 나타내 보인 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조 된 백금이 함유된 알루미나 나노 섬유와 일반 담지법으로 제조한 백금이 담지된 알루미나 섬유를 이용하여 1%의 메탄(CH4) 가스를 공기와 혼합하여 일정 온도에서 촉매연소시켜 조사한 활성 분석 결과를 나타내 보인 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조 된 백금이 함유된 알루미나 섬유와 일반 담지법으로 제조한 백금이 담지된 알루미나 섬유를 이용하여 0.5%의 벤젠을 공기와 혼합하여 일정 온도에서 촉매연소시켜 조사한 활성 분석 결과 나타내 보인 그래프.
본 발명은 접촉 연소용 촉매에 관한 것으로, 더 상세하게는 금속활성물질을 포함하는 알루미나 나노 섬유 촉매와 이의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것이다.
통상적으로 연소용 촉매는 다공성 실리카, 알루미나, 지르코니아 등 표면적 이 넓고 고온에서 상변화가 크지 않은 파우더, 입자, 섬유 형태 등의 무기 담체에 백금, 팔라듐, 은, 니켈, 철, 구리 등을 용매에 녹여 용액을 함침, 분사, 증발 및 건조, 화학증착 등의 방법으로 담지한 후 용매를 제거하기 위하여 약 80 - 250℃로 건조한 후 금속염을 금속 또는 금속산화물로 제조하기 위하여 400-1000 ℃로 소성과 환원의 과정을 거쳐 제조된다.
또한 연소용 촉매는 또는 지르코니아, 티탄산알루미늄, 코디라이트, 질화규소 등의 세라믹 재료를 담체로 하여 그 표면에 활성알루미나 등의 코팅을 하고, 귀금속성분을 담지시켜 제조된 것 등이 있다.
그러나 이들 촉매는 용액의 증발과정 등에서 통상 800℃ 이상이 되면, 담체의 경절구조의 변화(예를 들면, 알루미나의 경우, γ형에서 α형으로 상전이)나 결정성장에 따른 비표면적의 감소가 일어나고, 고온의 열처리에 의해, 담체상에서 분산된 금속 입자가 담체의 비표면적의 감소에 따라 응집하고 나아가서는 거대한 입자로 되어 버리기 때문에, 활성점이 감소하고, 촉매로서의 활성이 저하된다.
이러한 촉매는 담체에 고착된 후 입자들 끼리 뭉쳐진 금속 활성물질의 입자 크기가 4-50 nm로 매우 커서 실제로 외표면에 노출된 금속원자의 수가 전체 담지된 금속원자의 약 2-20%에 지나지 않는 경우가 많다.
또한 담지 방법에 따라 초기 사용한 금속시료에 대해 전부가 담체에 담지되지 않고 일부만이 담체에 고정되어 금속 시약의 소실이 많다.
그리고 실리카, 알루미나 등 지지체를 제조하는 과정에서 건조, 소성하는 공정이 있는데, 이와는 별도로 금속 활성물질의 담지 후 다시 건조, 소성 등의 과 정을 추가로 거치게 됨에 따라 촉매의 제조에 있어 많은 시간과 에너지를 소비하게 되는 문제점이 있다.
상기와 같은 금속 활성물질의 입자가 커지는 것을 감안하여 일본 특허 공개 소 59-52529호에는 γ-알루미나와 세륨, 란탄, 스트론튬, 주석, 지르코늄, 마그네슘과 세라믹 위스카와의 혼합물을 내열성 담체에 코팅하여 담체로 하고, 귀금속의 응집을 억제한 촉매가 개시되어 있으며, 일본국 특허공개 공보 소59-169536호에는 γ-알루미나와 란탄, 세륨, 스트론튬을 혼합한 내열성 담체에 코팅하고, 다시 니켈, 크롬, 코발트 등의 비천금속입자를 접촉시켜, 그 표면에 백금 또는 팔라듐을 피착시킨 촉매가 개시되어 있다.
그러나 이러한 내열성 담체를 이용하여 연소용 촉매를 제조하는 것은 담체의 제조에 따른 생산원가가 높고 제조가 상대적으로 복잡하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 담체에 분산된 금속활성물질의 입자가 크지 않고, 제조가 상대적으로 간단하며 , 금속활성물질이 담체에 균일하게 분사된 나노섬유 촉매와 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등 휘발성유기화합물의 완전산화용 촉매로 사용가능하며, 수소, LNG, LPG 등을 연료로 하는 촉매연소버너용 촉매로 사용 가능한 나노 섬유촉매 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노 섬유 촉매를 제조하는 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 나노 섬유 촉매의 제조방법은
(a) 고분자 화합물과 제1용매를 혼합하여 교반하는 단계와,
(b) 제 2용매에 알루미늄 함유 화합물과 전이금속산화물을 혼합하여 교반하는 단계와,
(c) 상기 고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 상기 알루미늄 함유 화합물과 전이금속산화물이 혼합된 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계와,
(d) 상기 혼합물을 분사하는 노즐과 포집기 사이에 전위차를 발생시킨 상태에서 상기 노즐을 통하여 혼합물을 상기 포집기에 분사하여 섬유 또는 부직포 섬유를 제조하는 단계와,
(e)포집기에 방사된 섬유 또는 부직포를 건조하는 건조단계와,
(f)상기 건조된 섬유 또는 부직포를 소성하여 전이 금속이 함유된 알루미나 섬유를 제조하는 소성단계를 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 알루미늄 함유 화합물은 염화알루미늄(AlCl3·6H2O), 알루미늄이소프록폭사이드(Al(O-C3H7)3), 알루미늄하이드록사이드(Al(OH)3), 알루미나(Al2O3), 알루미늄아세테이트(CH3CO2Al(OH)2)중 선택된 하나 이상 이루어지며,
상기 전이 금속 산화물은 망간(Mn), 아연(Zn), 코발트,(Co) 철(Fe) 크롬(Cr), 세리움(Ce), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루세늄(Ru), 로디움(Re)중 적어도 하나 로 이루어진다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 나노 섬유 촉매는 상기 제조방법에 의해 제조된 것을 그 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 나노 섬유 제조장치는,
고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 상기 알루미늄 함유 화합물과 전이 금속산화물이 혼합된 제2용매을 혼합하여 혼합물이 담기는 저장용기와,
상기 저장용기와 연결관에 의해 연결되며 혼합물을 분사하기 위한 노즐과,
상기 노즐에 의해 혼합물이 균일하게 분사될 수 있도록 상기 혼합물을 가압하는 가압수단과,
상기 노즐의 전면에 위치된 이송플레이트에 회전 가능하게 설치된 드럼형상의 포집기와, 상기 이송풀레이트에 설치되어 포집기를 회전시키는 구동수단과,
상기 이송플레이트를 지지하는 베이스 프레임에 설치되어 상기 이송플레이트 에 지지된 포집기를 노즐에 대해 좌우 방향으로 왕복 이송시키는 이송수단과,
상기 노즐과 포집기에 전압차가 발생되도록 전압을 인가하는 전압인가부를 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에는 본 발명에 따른 나노 섬유 촉매 제조방법을 나타내 보인 블록도 이다.
도면을 참조하면, 나노 섬유 촉매 제조하기 위해서는 먼저 제1용매에 고분자 화합물을 녹이고, 이를 20-80℃에서 약 6시간 동안 교반하는 단계(S11)를 수행한다. 그리고 알루미늄 함유 화합물과 전이 금속 산화물을 제 2용매에 녹인 후 20-80℃에서 6시간 동안 교반하는 단계(S12)를 수행한다. 다음, 상기 두 용액을 혼합하여 6시간동안 교반하는 단계(S13)를 수행하여 혼합물을 제조한다.
여기에서 상기 고분자 화합물은 폴리비닐아세테이트(PVA, poly vinyl acetate), 폴리비닐알콜(PVA, poly vinyl alchol), 폴리아크릴릭나이트레이트(PAN, poly acrylic nitrile), 폴리에틸옥사이드(PEO, polyethyleneoxide), 폴리에칠렌테레프탈레이트(PET,Polyethylene Terephtalate),폴리카보네이트(PC, polycarboate), 폴리라틱산(PLA, polylactic acid) 및 이들의 공급합체 중 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 알루미늄 함유 화합물은 염화알루미늄(AlCl3·6H2O), 알루미늄이소프록폭사이드(Al(O-C3H7)3), 알루미늄하이드록사이드(Al(OH)3), 알루미나(Al2O3), 알루미늄아세테이트(CH3CO2Al(OH)2)중 선택된 하나 이상 이루어지며, 상기 전이 금속 산화물은 망간(Mn), 아연(Zn), 코발트,(Co) 철(Fe) 크롬(Cr), 세리움(Ce), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루세늄(Ru), 로디움(Re)중 적어도 하나로 이루어질수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.
상술한 바와 같이 상기 고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 상기 알루미늄 함유 화합물과 전이 금속 산화물이 혼합된 제2용매을 혼합하여 혼합물의 제조가 완성되면 이를 이용하여 전기방사법을 이용하여 섬유 또는 부직포를 제조한다. 즉 , 정량 토출이 가능한 노즐을 통하여 드럼상의 포집기(후술하는 나노섬유 촉매 제조장치 참조) 사이에 전위차가 8-30 kV의 고압이 인가된 상태에서 상기 노즐을 통하여 상기 혼합물을 0.1-1000 mL/h의 유량으로 상기 포집기에 분사하는 분사단계를 수행하여 고분자와 알루미늄 전이금속이 포함되는 나노섬유 제조단계(S15)를 수행한다.
상기와 같이 혼합물로 이루어진 나노섬유의 제조가 완성되면 혼합물로 이루어진 섬유를 30-200℃에서 건조한 후 300 - 900℃의 온도로 0.5-24시간 동안 가열하여 소성하는 소성단계(S16)를 수행한다. 이 단계에서 상기 고분자 화합물 성분을 연소시켜 제거함으로써 전이금속이 포함된 알루미나 나노 섬유 촉매를 제조를 완성한다.(S17)
한편, 상술한 바와 같이 혼합물을 이용하여 알루미나가 함유된 나노 섬유 촉매를 제조하기 위한 장치의 일 실시예를 도 2에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 혼합물을 이용한 나노 섬유 촉매 제조장치(10)는 고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 상기 알루미늄 함유 화합물과 전이금속산화물이 혼합된 제2용매를 혼합하여 혼합물이 담기는 저장용기(11)와, 상기 저장용기와 연결관(12)에 의해 연결되어 상기 혼합물을 일정한 속도로 분사하기 위한 노즐(14)을 구비한다. 상기 연결관(12)에는 상기 혼합물을 상기 노즐(14)을 통하여 균일한 압력으로 분사될 수 있도록 가압하는 가압수단이 구비되는데, 이 가압수단은 상기 연결관(12)에 설치된 펌프(13)를 구비할 수 있다. 상기 가압수단은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 혼합물을 가압하여 노즐을 통하여 균일한 속도로 분사할 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다. 예컨데, 노즐이 설치된 실린더와 이 실린더에 장입 된 혼합물을 노즐 측으로 가압하는 피스톤으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 노즐(14)과 대응되는 전면에는 베이스 프레임(17)에 설치되어 이송되는 이송플레이트(15)가 구비되고, 이 이송플레이트(15)에는 드럼형상의 포집기(16)가 회전가능하게 설치된다. 이 포집기(16)는 구동수단(20)에 의해 회전된다. 이 구동수단(20)은 포집기(16)의 회전축에 설치된 종동풀리(21)와 모터(24)의 회전축에 설치된 구동풀리(23)에 벨트(22)가 걸려 이루어질 수 있다.
한편, 상기 이송플레이트(15)는 베이스 프레임(17)에 대해 이송수단(30)에 의해 왕복 이송 가능하게 설치되어 노즐(14)로부터 분사되는 혼합물이 포집기(16)의 길이 방향으로 부착되게 된다. 상기 이송수단(30)은 베이스 프레임(17)과 이송플레이트(15)의 사이에 설치되는 가이드 레일(31)과, 상기 이송플레이트(15)의 하면에 설치된 이송부재(32)와 나사 결합되는 스크류(33)와, 상기 스크류(33)를 정역회전시키는 모터(37)를 구비한다. 그리고 상기 혼합물을 포집기(16)로 분사하는 노즐(14)과 포집기(16)의 사이에 전위차를 발생시키기 위한 전압인가부(40)를 구비하는데, 위한 전압인가부(40)를 구비하는데, 상기 노즐에는 상기 전압인가부에 의해 8 내지 30kV의 양전압이 인가되고, 상기 포집기(16)에는 음전위 또는 접지된다.
이러한 나노섬유 제조장치를 이용하여 상술한 바와 같이 노즐(14)과 포집기(16) 사이에 전위차가 발생된 상태에서 상기 노즐(14)로부터 연속하여 상기 포집기(16)에 혼합물을 분사하여 나노 섬유를 제조할 수 있다.
다음에, 하기 실시예들을 통하여 본 발명에 따른 나노 섬유 촉매 제조방법 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예들은 오로지 본 발명에 따른 나노 섬유 촉매 제조방법을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
전이금속을 포함하는 알루미나 나노 섬유촉매 제조하기 위한 본 실시예에 있어서는 비이커에 제 1용매인 물 200 ml에 고분자 화합물인 PVA(poly vinyl acetate)을 50g 녹이고, 약 60℃에서 충분히 교반시켜 고분자 화합물이 용융된 용액을 준비하였다. 그리고 제2용매인 물 100 mL에 알루미늄 함유 화합물인 염화알루미늄(AlCl3·6H2O) 100g과 전이금속산화물인 염화백금산(H2PtCl6)를 0, 0.2, 0.5, 1.0 g을 각각 녹여 실온에서 6시간동안 교반하여 알루미늄 화합물과 전이금속산화물이 혼합된 용액들을 준비하였다.
다음, 상기 두 용액을 각각 혼합하여 60℃에서 6시간동안 교반하여 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 도 2에 보인 나노 촉매 제조장치를 노즐(14)를 통하여 0.5 mL/min의 유속으로 10ml를 포집기(16)에 분사하였다. 이 때 전압인가부(40)를 통하여 노즐(14)과 포집기(16)의 사이에 20kV의 전위차가 발생되도록 하였다.
상기 노즐(14)과 포집기(16) 사이의 거리는 25cm로 유지하였으며, 노즐(14)로부터 혼합물이 방사되는 동안 모터(24)를 이용하여 상기 포집기(16)를 약 300 rpm의 속도로 회전시켜 표면에 균일하게 노즐로부터 분사된 혼합물 즉, 섬유가 포집 되도록 하였다.
그리고 상기 포집된 섬유가 적층되어이 이루어진 부직포를 80℃ 건조기에서 6시간동안 건조하는 건조단계를 수행하였다.
상기와 같이 건조가 완료된 부직포를 전자현미경을 이용하여 1000배로 확대 촬영하고 이 전자현미경 사진( 도 3참조)을 관찰한 결과 부직포를 이루는 섬유 직경은 약 0.7 - 1.2 ㎛로 극세사를 이루고 있으며, 섬유들의 사이에 많은 기공을 이루고 있어 가스를 흘렸을 때 원활한 가스의 흐름이 기대 할 수 있었다.
다음, 건조가 완료된 섬유 부직포에 열풍공기를 흘려주면서 800℃에서 4시간 동안 소성하여 고분자 화합물질을 연소시켜 알루미나 나노 섬유 촉매를 부직포를 제조하였다.
그리고 이와 같이 제조된 나노 섬유촉매를 촬영하여 도 4 및 도 5에 도시된 사진을 얻었다.
도 4는 나노촉매 섬유를 1000배 확대하여 촬영한 사진이면, 도 5는 알루미나 섬유 촉매 부직포를 1만배 확대하여 촬영한 전자현미경사을 나타낸 것이다. 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이 부직포를 이루는 섬유의 직경이 약 0.2 - 0.8 ㎛로 제조되었음을 알 수 있었다.
실시예 2
본 실시예는 전이금속산화물로서 백금을 0.5g을 제 2용매에 포함시켜 상술한 실시예1과 동일한 방법으로 알루미나 섬유 부지포를 제조하였다.
그리고 이와 같이 제조된 . 백금함유 알루미나 섬유을 촬영하여 도 6에 도시된 바와 같은 전자현미경 사진을 얻었다. 이 전자 현미경 사진으로부터 알수 있는 바와 같이 나노 섬유의 직경은 약 0.4㎛로 매우 균일하게 제조되었음을 알 수 있었다. 그리고 도 7은 상기와 같은 방법을 제조된 백금함유 알루미나 섬유의 표면을 표면원소분석장치(EDX)로 조사하여 백금의 입자분포를 조사한 것이다. 작은 점으로 표시된 백금 입자는 매우 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 건조된 섬유 부직포의 소성온도를 각각 400℃-900℃로 각각 달리한 상태에서 2시간동안 소성하여 제조된 백금함유 알루미나 섬유를 질소흡착 비표면적측정방법(BET법)으로 조사한 비표면적을 분포(그래프 c)를 나타낸 것이다. 약 700℃에서 382 ㎡/g로 가장 높은 비표면적값을 보였으며, 이는 기존의 상용화된 직경이 약 5-10 ㎛인 감마-알루미나 섬유의 비표면적이 약 120 ㎡/g 인 것에 비해 훨신 높은 비표면적값을 갖는다.
도 9는 상기 방법으로 제조된 백금의 함유량이 각각 다른 백금함유 알루미나 섬유[Pt(0.2)-ANF, Pt(0.5)-ANF, Pt(1.0)-ANF]와 통상의 상용화된 감마알루미나에 담지법(함침법)으로 백금이 약 0.5 wt%가 되도록 제조한 시료의 수소흡착정도를 조사한 결과를 나타낸 것이다.
각 시료를 유리관 반응기에 일정량씩 넣고 2.0x10-3torr 진공상태에서 300℃로 1시간동안 열처리하여 표면의 이물질을 제거한 후 25℃에서 산소를 충분히 흘려 백금을 충분히 산화시켰다. 그리고 진공분위기에서 수소를 소량씩 주입하였을 때 흡착된 수소의 양을 측정하는 수소-산소 적정법으로 백금의 수소흡착량을 조사하였다. 담지법으로 제조한 백금담지 알루미나 나노 섬유 촉매의 수소 흡착량은 약 0.86㎤/g(도 9, 그래프 B 참조)인데 비해 본 발명의 방법으로 제조한 백금함유 알루미나 섬유는 약 1.6 ㎤/g (도 9, 그래프 A 참조)으로 약 2배 정도의 수소흡착량이 많아졌음을 알 수 있었다.
이는 본 발명에 따른 나노 섬유 촉매 제조 방법으로 제조한 백금함유 알루미나에 포함된 백금 입자의 수가 기존의 담지법으로 제조한 백금담지 알루미나 섬유에 비해 약 두배 정도 많은 것을 의미하며, 이는 촉매반응에서 반응에 참여할 수 있는 백금의 수가 많아질 수 있음을 의미한다.
한편 상술한 바와 같이 제조된 나노 섬유 촉매 즉, 백금을 함유한 알루미나 나노 섬유촉매와 담지법으로 제조한 알루미나 섬유를 이용한 메탄(CH4)의 연소특성을 비교 실험하여 도 10에 도시된 바와 같은 그래프를 얻었다.
이 실험에서는 내경이 약 1.6 cm이고 길이가 30cm인 석영 반응관의 중앙에 각각의 촉매 0.5g를 충진한 다음, 관형 히터의 중앙에 촉매가 위치하도록 하였다. 그리고 히터의 온도를 일정하게 유지하면서 공기와 혼합된 1 vol%의 메탄 가스를 500 cc/min의 유속으로 흘리면서 출구에서 나오는 가스를 팩키드컬럼(하야셉 엔)을 통해 분리하고 열전도도 검출기(TCD)와 불꽃 이온화 검출기(FID)를 이용하여 이산화탄소와 메탄의 검출정도로부터 온도에 따른 메탄의 전환율을 조사하였다.
이때 메탄의 전환율(CH4 conversion)은 입구와 출구의 메탄 가스 함량비(%)로 계산하였다. 메탄의 연소 실험 실시결과 기존의 담지법으로 제조한 백금 담지 알루미나 섬유 촉매(도 10, 그래프 D 참조)에 비해 본 발명에 따른 방법으로 제조한 백금을 함유한 알루미나 섬유 촉매(도 10, 그래프 C 참조)를 사용하였을 때 더 낮은 온도에서 메탄을 더 잘 연소시킴을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명의 방법으로 제조한 촉매의 활성이 기존의 담지법으로 제조한 경우에 비해 우수함을 보인 결과이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 나노 섬유 촉매 즉, 백금을 함유한 알루미나 나노 섬유촉매와 담지법으로 제조한 알루미나 섬유를 이용하여 벤젠 (C6H6)의 연소특성을 비교 실험하여 도 11에 도시된 바와 같은 그래프를 얻었다.
이 실험에 있어서, 상기 실험에서 언급한 반응관과 히터를 사용하였으며, 가스분석에 사용된 컬럼은 벤톤 34 팩키드 컬럼을 사용하였다. 벤젠의 주입량은 순도 99.5%인 벤젠용액을 정량펌프를 통해 일정량씩 주입하여 공기대비 약 0.5 vol%의 벤젠이 기화되어 주입되도록 하였으며, 주입되는 압축공기의 유량은 500 cc/min로 하였다. 그리고 상기 가스검출기는 상기 실험에서 사용한 것과 동일한 것을 사용하였으며, 히터의 온도에 따른 벤젠의 전환율을 조사하였다. 이때 벤젠의 전환율(C6H6 conversion)은 입구와 출구의 벤젠 가스 함량비(%)로 계산하였다.
기존의 담지법으로 제조한 백금담지 알루미나 촉매를 사용하였을 때 반응기의 온도가 약 215℃부터 급격한 벤젠의 연소 특성을 보인다(도 11, 그리프 F 참조). 반면, 본 발명의 방법으로 제조한 백금을 함유한 알루미나 촉매의 경우 약 170℃에서부터 급격한 촉매연소가 진행되어 기존의 방법에 비해 훨씬 더 낮은 온도에서 벤젠을 연소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.(도 11, 그래프 E 참조)
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나노 섬유 촉매의 제조방법은 종래의 촉매에 알루미나 섬유를 이용한 촉매제조 방법에 비해 촉매를 제조하는 것에 비하여 상대적으로 제조공정이 간단하다. 또한 제조된 활성 전이금속 촉매의 입자가 작고 촉매입자의 분산도를 더 증진되어 메탄, 벤젠 등 탄소화합물이나 수소의 촉매연소용 촉매로 유용하게 이용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (8)
- (a) 고분자화합물과 제1용매를 혼합하여 교반하는 단계와,(b) 제 2용매에 알루미늄 함유 화합물과 전이금속산화물을 혼합하여 교반하는 단계와,(c) 상기 고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 상기 알루미늄 함유 화합물과 전이 금속산화물이 혼합된 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계와,(d) 상기 혼합물을 분사하는 노즐과 포집기 사이에 전위차를 발생시킨 상태에서 상기 혼합물을 상기 노즐을 이용하여 포집기에 분사하여 섬유 또는 부직포 섬유를 제조하는 단계와,(e)포집기에 분사된 섬유 또는 부직포를 건조하는 건조단계와,(f)상기 건조된 섬유 또는 부직포를 소성하여 전이금속이 함유된 알루미나 섬유를 제조하는 소성단계를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 나노 섬유 촉매 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 알루미늄 함유 화합물은 염화알루미늄(AlCl3·6H2O), 알루미늄이소프록폭사이드(Al(O-C3H7)3), 알루미늄하이드록사이드(Al(OH)3), 알루미나(Al2O3), 알루미늄아세테이트(CH3CO2Al(OH)2)중 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노섬유 촉매 제조방법
- 제 1항에 있어서,상기 전이금속산화물은 망간(Mn), 아연(Zn), 코발트,(Co) 철(Fe) 크롬(Cr), 세리움(Ce), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루세늄(Ru), 로디움(Re)중 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 섬유 촉매 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 노즐과 포집기 사이의 전위차가 8kV 이상인 것을 특징으로 하는 나노 섬유 촉매의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 소성단계는 상기 섬유 또는 부직포를 300-900℃의 온도로 0.5-24 시간동안 가열하는 것을 특징으로 하는 나노 섬유 촉매 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 고분자 화합물은 폴리비닐아세테이트(PVA, poly vinyl acetate), 폴리비닐알콜(PVA, poly vinyl alchol), 폴리아크릴릭나이트레이트(PAN, poly acrylic nitrile), 폴리에틸옥사이드(PEO, polyethyleneoxide), 폴리에칠렌테레프탈레이트(PET, Polyethylene Terephtalate), 폴리카보네이트(PC, polycarboate), 폴리라틱산(PLA, polylactic acid) 중 선택된 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 섬유 촉매의 제조방법.
- 고분자화합물과 제1용매를 혼합하여 교반하는 단계와,제 2용매에 알루미늄 함유 화합물과 전이금속산화물을 혼합하여 교반하는 단계와, 상기 고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 상기 알루미늄 함유 화합물과 전이 금속산화물이 혼합된 용매를 혼합하여 혼합물을 제조하는 혼합물 제조단계와,상기 혼합물을 분사하는 노즐과 포집기 사이에 전위차를 발생시킨 상태에서 상기 노즐을 통하여 혼합물을 상기 포집기에 분사하여 섬유 또는 부직포 섬유를 제조하는 단계와, 포집기에 분사된 섬유 또는 부직포를 건조하는 건조단계와, 상기 건조된 섬유 또는 부직포를 소성하여 전이금속이 함유된 알루미나 섬유를 제조하는 소성단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 나노 섬유 촉매.
- 고분자 화합물이 혼합된 제 1용매와 알루미늄 함유 화합물과 전이 금속산화물이 혼합된 제2용매가 혼합된 혼합물이 담기는 저장용기와,상기 저장용기와 연결관에 의해 연결되며 혼합물을 분사하기 위한 노즐과,상기 노즐에 의해 혼합물이 균일하게 분사될 수 있도록 연결관에 설치되며 상기 혼합물을 가압하는 가압수단과,상기 노즐의 전면에 위치된 이송플레이트에 회전 가능하게 설치된 드럼형상의 포집기와, 상기 이송풀레이트에 설치되어 포집기를 회전시키는 구동수단과,상기 이송플레이트를 지지하는 베이스 프레임에 설치되어 상기 이송플레이트 에 지지된 포집기를 노즐에 대해 좌우 방향으로 왕복 이송시키는 이송수단과, 상기 노즐과 포집기에 전압을 인가하기 위한 전압인가부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 나노 섬유 촉매의 제조장치.
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