KR100988579B1 - Oxide/Alumina Catalysts with Zirconium Oxide and Tin Oxide for the Preferential Oxidation of Carbon Monoxide and Method for Preparing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일산화탄소의 산화 반응에 활성을 보이는 산화구리 및 열과 수분에 안정한 알루미나를 사용하는 기존의 연구에서 한 단계 발전하여, 산소의 이동을 활발하게 유도하여 산화 반응의 활성을 향상시키는 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 산화구리/알루미나 촉매에 첨가하여 보다 높은 활성을 가지는 일산화탄소의 선택적 산화반응 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a step up from previous researches using copper oxide and alumina that are stable to heat and moisture, showing an activity in the oxidation reaction of carbon monoxide, and zirconium oxide and tin which actively induces the movement of oxygen to improve the activity of the oxidation reaction. The present invention relates to a selective oxidation catalyst of carbon monoxide having a higher activity by adding an oxide to a copper oxide / alumina catalyst and a method for preparing the same.
본 발명의 일산화탄소의 선택적 산화반응을 위한 촉매는 산화구리/알루미나 촉매에 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 첨가한 것을 제조된다. 특히, 지르코늄 전구체와 주석 전구체를 용매에 각각 용해시키고 알루미나를 넣어 초기 함침법을 이용하여 알루미나 담체를 제조하는 단계와; 상기 알루미나 담체를 구리 전구체가 용해된 반응액에 넣고 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The catalyst for the selective oxidation of carbon monoxide of the present invention is prepared by adding zirconium oxide and tin oxide to the copper oxide / alumina catalyst. In particular, the step of dissolving a zirconium precursor and a tin precursor in a solvent and adding alumina to prepare an alumina carrier using an initial impregnation method; And impregnating the alumina carrier into a reaction solution in which a copper precursor is dissolved.
일산화탄소, 산화반응 촉매, 산화구리 알루미나 촉매, 지르코늄 전구체, 주석 전구체, 구리 전구체 Carbon monoxide, oxidation catalyst, copper oxide alumina catalyst, zirconium precursor, tin precursor, copper precursor
Description
본 발명은 일산화탄소의 선택적 산화반응을 위한 지르코늄 산화물 및 주석 산화물이 첨가된 산화구리/알루미나 촉매에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 기존의 백금이 담지된 알루미나 촉매에 비해 지르코늄 산화물 및 주석 산화물 첨가를 통해 산소의 이동을 용이하게 하여 일산화탄소의 선택적 산화반응의 효율이 높으며, 고가의 백금 대신 저렴한 전위 금속을 사용함으로써 경제성 및 실용성이 높은 일산화탄소의 선택적 산화반응 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a copper oxide / alumina catalyst to which zirconium oxide and tin oxide are added for the selective oxidation of carbon monoxide. More specifically, compared to the conventional platinum-supported alumina catalyst, the addition of zirconium oxide and tin oxide facilitates the movement of oxygen, thereby increasing the efficiency of selective oxidation reaction of carbon monoxide, and using low-cost potential metal instead of expensive platinum. And it relates to a highly selective catalytic oxidation of carbon monoxide and a method for producing the same.
최근 연료전지는 환경 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 방안으로 크게 주목 받고 있다. 그 중 고분자 전해질 연료전지는 연료극인 양극에 수소 기체를 공급하고 공기극인 음극에 산소 기체를 공급하여 이 둘의 반응에 의한 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이와 같은 고분자 전해질 연료전지는 100℃이하의 낮은 구동 온도를 갖는 저온형 연료전지로써 이동성이 우수하여 연료전지 중 활용이 높고 많은 연구가 진행되고 있다. Recently, fuel cells have attracted much attention as a way to solve environmental and energy problems. Among them, the polymer electrolyte fuel cell supplies hydrogen gas to the anode, which is the anode, and oxygen gas, to convert the chemical energy of the two reactions into electrical energy. Such a polymer electrolyte fuel cell is a low-temperature fuel cell having a low driving temperature of 100 ° C. or less, and thus has high mobility, and thus, many studies have been conducted.
한편, 연료전지에 공급되는 수소 기체는 안전 및 저장 문제로 인해 활용이 어려워서 직접적인 사용보다는, 개질 공정을 거쳐 수소를 도입하는 방식을 이용하고 있다. 전기화학적 반응성이 없는 가솔린이나 다른 탄화 수소는 연료전지의 연료로 직접 사용이 불가능하기 때문에 하기 과정인 개질 공정을 통해 수소로 전환되어 연료전지에 사용한다. Meanwhile, hydrogen gas supplied to a fuel cell is difficult to utilize due to safety and storage problems, and thus, hydrogen is introduced through a reforming process rather than directly used. Gasoline or other hydrocarbons that are not electrochemically reactive cannot be used directly as fuels in fuel cells, so they are converted to hydrogen through the reforming process, which is used in fuel cells.
[반응식 1]Scheme 1
CH4 + H2O → CO + H2 CH 4 + H 2 O → CO + H 2
상기 개질 공정을 통해 얻어진 수소 기체에는 부산물인 일산화탄소가 존재하며 일정량 이상의 일산화탄소는 연료전지 내 촉매 피독 현상을 유발한다. 수성가스 전환 공정을 거쳐 일산화탄소의 농도를 1~3 mol %로 줄이고 더불어 수소를 생산하도록 한다.By-product carbon monoxide is present in the hydrogen gas obtained through the reforming process, and more than a certain amount of carbon monoxide causes catalyst poisoning in the fuel cell. The water gas conversion process reduces the concentration of carbon monoxide to 1-3 mol% and produces hydrogen.
[반응식 2]Scheme 2
CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2
고분자 전해질 연료전지의 백금 계열의 촉매는 일산화탄소에 의해 피독 현상이 일어나기 때문에 10ppm 이하로 농도를 줄이는 것이 매우 중요하다. 따라서 하기 과정과 같은 추가적인 선택적 일산화탄소 산화반응이 필수적이다. It is very important to reduce the concentration to less than 10 ppm because the platinum-based catalyst of the polymer electrolyte fuel cell is poisoned by carbon monoxide. Therefore, additional selective carbon monoxide oxidation reactions such as the following procedure are essential.
[반응식 3]Scheme 3
CO + 1/2O2→ CO2 CO + 1 / 2O 2 → CO 2
현재 일산화탄소의 선택적 산화반응 촉매로는 알루미나에 담지된 백금 촉매가 주로 사용되고 있으나, 백금 촉매의 경우 매장량이 한정되어 있는 고가의 귀금속 촉매이므로 이를 대체할 촉매의 개발이 필요하다. 다양한 전위금속 산화물 중 산화구리는 낮은 가격과 일산화탄소 산화반응에 활성을 보임으로써 고가의 백금을 대체할 금속 촉매 중 하나로 주목 받고 있으나 백금 촉매에 비하여 상당히 낮은 활성을 지닌다는 단점이 있다. 일산화탄소 산화반응에 이와 같은 전위금속 촉매를 사용하기 위해서 현재 다양한 연구들이 진행되고 있다.Currently, as a selective oxidation catalyst of carbon monoxide, a platinum catalyst supported on alumina is mainly used, but in the case of platinum catalyst, an expensive precious metal catalyst having a limited reserve is required, and thus, a catalyst to replace the catalyst is required. Copper oxide among various potential metal oxides has been attracting attention as one of the metal catalysts to replace expensive platinum by showing low price and activity in carbon monoxide oxidation, but has a disadvantage that the activity is significantly lower than platinum catalysts. Various studies are currently underway to use such a potential metal catalyst in carbon monoxide oxidation.
본 발명의 목적은 일산화탄소의 산화 반응에 활성을 보이는 산화구리 및 열과 수분에 안정한 알루미나를 사용하는 기존의 연구에서 한 단계 발전하여, 산소의 이동을 활발하게 유도하여 산화 반응의 활성을 향상시키는 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 산화구리/알루미나 촉매에 첨가하여 보다 높은 활성을 가지는 일산화탄소의 선택적 산화반응 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is a step up from the previous research using copper oxide showing the activity of the oxidation of carbon monoxide and alumina stable to heat and moisture, zirconium oxide to improve the activity of the oxidation reaction by actively inducing oxygen migration And adding a tin oxide to a copper oxide / alumina catalyst to provide a selective oxidation catalyst of carbon monoxide having a higher activity and a method for producing the same.
본 발명의 다른 기술적 과제는 제조한 상기 촉매를 사용하여 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 방법을 제공하는데 있다.Another technical problem of the present invention is to provide a method for selectively oxidizing carbon monoxide using the prepared catalyst.
본 발명의 일산화탄소의 선택적 산화반응을 위한 촉매는 산화구리/알루미나 촉매에 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 첨가한 것을 특징으로 한다.The catalyst for the selective oxidation of carbon monoxide of the present invention is characterized by the addition of zirconium oxide and tin oxide to the copper oxide / alumina catalyst.
바람직하게, 지르코늄 산화물 및 주석 산화물의 담지량은 총중량을 기준으로 1-10 중량%인 것을 특징으로 한다.Preferably, the supported amount of zirconium oxide and tin oxide is characterized in that 1-10% by weight based on the total weight.
바람직하게, 상기 산화구리의 담지량은 총중량을 기준으로 1-20 중량%인 것을 특징으로 한다.Preferably, the supported amount of copper oxide is characterized in that 1-20% by weight based on the total weight.
또한, 본 발명의 일산화탄소의 선택적 산화반응을 위한 촉매의 제조방법은 지르코늄 전구체와 주석 전구체를 용매에 각각 용해시키고 알루미나를 넣어 초기 함침법을 이용하여 알루미나 담체를 제조하는 단계와; 상기 알루미나 담체를 구리 전구체가 용해된 반응액에 넣고 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method for producing a catalyst for the selective oxidation of carbon monoxide of the present invention comprises the steps of dissolving a zirconium precursor and a tin precursor in a solvent and adding alumina to prepare an alumina carrier using an initial impregnation method; And impregnating the alumina carrier into a reaction solution in which a copper precursor is dissolved.
상기에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 일산화탄소 산화반응 촉매는 기존의 백금, 금 등의 고가의 귀금속이 아니라 상대적으로 매우 저렴한 전위금속들을 사용하여 보다 경제적이며 지르코늄 산화물 및 주석 산화물의 첨가로 인하여 산소의 이동을 활발히 유도하여 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시킴에 있어서 기존의 촉매에 비해 높은 활성을 갖는 장점이 있다.As described above, the carbon monoxide oxidation catalyst of the present invention is not economically expensive noble metals such as platinum and gold, but is more economical by using relatively inexpensive potential metals, and the addition of oxygen due to the addition of zirconium oxide and tin oxide There is an advantage of having a high activity compared to the conventional catalyst in converting carbon monoxide to carbon dioxide by actively inducing migration.
또한 상기 촉매를 활용하여 일산화탄소를 선택적으로 산화함에 있어 본 발명에서 기술한 반응 조건에서 매우 우수한 성능을 갖는다.In addition, in the selective oxidation of carbon monoxide using the catalyst, it has a very good performance under the reaction conditions described in the present invention.
이하, 본 발명에 따른 일산화탄소 산화반응 촉매에 대하여 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the carbon monoxide oxidation reaction catalyst according to the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
본 발명의 촉매는 하기 설명한 활성 물질과 기본 담체인 알루미나 담체를 기본으로 하여 지르코늄 산화물과 주석 산화물을 활용한 복합 담체를 활용하여 제조된다. The catalyst of the present invention is prepared using a composite carrier utilizing zirconium oxide and tin oxide based on the active material described below and an alumina carrier which is a basic carrier.
상기 물질들을 활용하여 제조된 지르코늄 산화물과 주석 산화물이 첨가된 산화구리/알루미나 촉매를 반응기에 충전하여 100 내지 250℃의 다양한 온도에서 일산화탄소의 선택적 산화반응을 수행할 수 있다. 반응 온도가 100℃ 미만이면 활성 이 낮아서 바람직하지 못하고, 250℃를 초과하는 경우 에너지 효율 측면과 촉매의 비활성화 및 안정성 측면에서 바람직하지 못하다. 본 발명의 촉매의 경우 190℃에서 반응을 수행하는 것이 촉매 활성 및 안정성 면에서 가장 바람직하다.Zirconium oxide and tin oxide added to the zirconium oxide and tin oxide prepared using the above materials can be charged to the reactor to perform the selective oxidation of carbon monoxide at various temperatures of 100 to 250 ℃. If the reaction temperature is less than 100 ℃ is not preferable because of the low activity, if it exceeds 250 ℃ in terms of energy efficiency and deactivation and stability of the catalyst is not preferable. In the case of the catalyst of the present invention, carrying out the reaction at 190 ° C is most preferred in terms of catalyst activity and stability.
처리되는 일산화탄소와 산소 기체의 농도는 처리되는 기체 중 5 v/v% 이하인 것이 적절하며, 운반기체로서 질소, 헬륨 또는 아르곤 기체 등과 혼합하여 농도를 적절하게 조절할 수 있다. 본 발명에 따른 촉매의 사용하여 일산화탄소의 선택적 산화반응을 수행하면, 촉매 표면에서 일산화탄소와 산소가 선택적으로 반응하여 이산화탄소가 생성되며 이는 추가의 제거 공정이 필요치 않다.The concentration of carbon monoxide and oxygen gas to be treated is suitably 5 v / v% or less of the gas to be treated, and the concentration can be properly adjusted by mixing with nitrogen, helium or argon gas as a carrier gas. When the selective oxidation of carbon monoxide is carried out using the catalyst according to the present invention, carbon monoxide and oxygen react selectively on the surface of the catalyst to produce carbon dioxide, which does not require additional removal process.
<활성 물질><Active substance>
백금, 로듐, 루테늄, 금 등의 귀금속은 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는데 있어서 효율이 매우 우수하다. 하지만 이들 귀금속의 한정된 공급량과 경제적인 문제를 고려해볼 때 상용화의 어려움이 존재하므로 이를 대체할 수 있는 촉매의 개발이 필수적이다. 전위 금속의 경우 귀금속에 비하여 저렴하여 경제적 측면에서 매우 우수하다. 그 중 산화구리는 일산화탄소의 산화반응에 활성을 보이는 물질로 알려져 있으나 귀금속 촉매에 비하여 일산화탄소 산화반응의 활성이 좋지 못하다. 이와 같은 산화구리의 촉매 활성 증가를 위하여 하기의 지르코늄 산화물과 주석 산화물을 사용하여 촉매를 제조하였다.Precious metals such as platinum, rhodium, ruthenium and gold are very efficient at converting carbon monoxide to carbon dioxide. However, given the limited supply of these precious metals and economic problems, it is difficult to commercialize them. Therefore, it is necessary to develop a catalyst that can replace them. Potential metals are cheaper than precious metals and are very economically superior. Among them, copper oxide is known to be active in the oxidation of carbon monoxide, but the activity of carbon monoxide oxidation is not as good as that of the noble metal catalyst. In order to increase the catalytic activity of copper oxide, a catalyst was prepared using the following zirconium oxide and tin oxide.
본 발명에서는 산화구리를 활성 물질로 선정하여 촉매를 제조하였다. 상기 활성 물질인 산화구리의 담지량은 촉매 총 중량에 대하여 1~40중량%로 다양하게 접 근이 가능하나 1중량% 미만의 경우에는 활성점이 너무 적어서 촉매 활성을 충분히 낼 수 없고, 20중량% 과량의 경우 하소 과정 중 산화 구리의 응집이 유발되므로 충분한 활성을 만족할 수는 없다. 따라서 1내지 20중량% 범위 내의 산화 구리를 담지한 촉매를 제조하는 것이 바람직하다.In the present invention, a catalyst was prepared by selecting copper oxide as the active material. The supported amount of copper oxide, which is the active substance, can be variously accessed in an amount of 1 to 40% by weight based on the total weight of the catalyst, but when it is less than 1% by weight, the active point is too small to provide sufficient catalytic activity, and 20% by weight is excessive. In the case of calcination process, copper oxide is caused to aggregate, so it is not sufficient to satisfy the activity. Therefore, it is preferable to prepare a catalyst carrying copper oxide in the range of 1 to 20% by weight.
<기본 담체><Base carrier>
담체는 활성 물질을 분산시켜 금속 표면 활성점과 반응물과의 접촉을 증가시키기 위한 것으로써 알루미나, 실리카, 타이타니아 등 금속 산화물이 주로 사용된다. 담체와 활성 물질간의 상호 결합력이 강한 알루미나와 타이타니아는 활성 물질의 고분산을 유도하기 때문에 담체로서 효용이 높으며 실리카는 높은 표면적을 가지는 담체의 제조가 가능하다. The carrier is mainly used to disperse the active material to increase the contact between the metal surface active point and the reactant, and metal oxides such as alumina, silica, and titania are mainly used. Since alumina and titania, which have a strong mutual bonding force between the carrier and the active material, induce high dispersion of the active material, they are highly useful as carriers, and silica can produce a carrier having a high surface area.
본 발명에서는 담체와 활성 물질과의 강한 결합으로 활성 물질의 소결되는 양을 줄이고 열에 안정적인 알루미나를 사용하였다. 알루미나는 구조와 제법에 따라 α 계열, β 계열, γ 계열, δ 계열, χ 계열, η 계열, θ 계열, κ 계열 등 여러가지 상이 존재한다. 본 발명에서는 표면적이 넓고 열 안정성이 뛰어난 γ-알루미나를 사용하도록 한다. In the present invention, a strong bond between the carrier and the active material reduces the amount of sintering of the active material and uses heat stable alumina. Alumina has various phases such as α series, β series, γ series, δ series, χ series, η series, θ series and κ series depending on the structure and manufacturing method. In the present invention, it is intended to use γ-alumina having a large surface area and excellent thermal stability.
<복합 담체><Composite carrier>
본 발명은 산소 이동을 활발히 하고, 확산을 쉽게 유도하는 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 알루미나에 담지한 복합 촉매를 제공한다. 촉매 총 중량에 대하여 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 1-10중량%로 제조한다. The present invention provides a composite catalyst in which a zirconium oxide and tin oxide are supported on alumina to facilitate oxygen migration and easily induce diffusion. Zirconium oxide and tin oxide are prepared at 1-10% by weight based on the total weight of the catalyst.
본 발명은 지르코늄 산화물 및 틴 산화물의 알루미나 복합 담체에 산화구리를 담지한 촉매의 제조 방법을 하기 과정과 같이 제공한다.The present invention provides a method for producing a catalyst in which copper oxide is supported on an alumina composite carrier of zirconium oxide and tin oxide as in the following procedure.
구리, 지르코늄, 주석은 상온에서 고체 상태로 매우 안정해서 다른 물질과의 혼합이 어렵다. 따라서 본 발명에서는 이들의 전구체를 반응시켜 원하는 형태로 제조하였다. 알루미나는 Degussa 제품을 사용하였다. 구리 전구체는 시그마 알드리치 제품의 Cu(NO3)·2.5H2O를 1-20중량%로 사용하였다. 지르코늄 전구체는 시그마 알드리치 제품의 Zr℃l2·8H2O를 1-10중량%로 사용하였다. 주석 전구체는 시그마 알드리치 제품의 SnCl2·2H2O를 1-10중량%로 사용하였다.Copper, zirconium and tin are very stable at room temperature in the solid state, making it difficult to mix with other materials. Therefore, in the present invention, these precursors were reacted to produce a desired form. Alumina was made from Degussa. The copper precursor used Cu (NO 3 ). 2.5H 2 O from Sigma Aldrich at 1-20% by weight. Zr precursor was used for Zr ℃ l 2 · 8H 2 O in the Sigma-Aldrich product with 1-10% by weight. The tin precursor used SnCl 2 .2H 2 O from Sigma Aldrich at 1-10% by weight.
제시한 각각의 금속 전구체를 용매 물에 용해시키고 알루미나를 함침하여 건조한 뒤 하소 과정을 거쳐 불순물을 제거하였다.Each metal precursor presented was dissolved in solvent water, impregnated with alumina, dried, and then calcined to remove impurities.
상기 단계의 수화 반응 후 결과물을 80-120℃로 열처리하여 용매를 증발 시킨 후, 공기 조건하에서 300-700℃에서 금속 전구체를 산화시킨다. 산화 온도가 300℃ 미만이면 금속 전구체의 불순물이 제거되지 못하는 문제점 및 충분한 산화가 일어나지 않는다는 문제점이 발생하며, 700℃ 초과 시 금속 입자의 소결 현생이 발생하여 일산화탄소의 선택적 산화 반응을 위한 활성 면적이 감소하여 적당하지 않다. After the hydration reaction of the above step, the resultant is heat-treated at 80-120 ° C. to evaporate the solvent, and then oxidizes the metal precursor at 300-700 ° C. under air conditions. If the oxidation temperature is less than 300 ℃, the problem that the impurities of the metal precursor is not removed and there is a problem that the sufficient oxidation does not occur, the sintering modernization of the metal particles occurs above 700 ℃ to reduce the active area for the selective oxidation reaction of carbon monoxide It is not suitable.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 촉매 제조 및 분석, 반응 결과를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시 예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the catalyst production and analysis of the present invention through the examples, the reaction results will be described in more detail. These examples are only for illustrating the present invention, and the protection scope of the present invention is not limited by these examples.
<실시예 1> 복합 촉매의 제조Example 1 Preparation of Complex Catalyst
본 발명의 촉매는 지르코늄 전구체와 주석 전구체를 용매인 물에 각각 용해시킨 뒤 상용 알루미나 1g을 넣어 초기 함침법을 활용하여 제조하였다. 반응물 내에 존재하는 물은 100℃의 건조 과정을 통해 제거시켰으며 이 후 550℃에서 소성을 진행하여 전구체의 불순물 제거 및 산화물 형태의 촉매를 제조하였다. 이러한 과정을 통해 얻어진 샘플을 구리 전구체가 용해된 반응액에 넣고 함침하였다. 상기 과정과 마찬가지로 건조과정 및 550℃에서의 소성과정을 거쳐 지르코늄 산화물 및 주석 산화물이 첨가된 산화구리/알루미나 촉매를 제조하였다. The catalyst of the present invention was prepared by dissolving a zirconium precursor and a tin precursor in water as a solvent, and then using 1 g of commercial alumina, using an initial impregnation method. Water present in the reactant was removed through a drying process of 100 ℃ and then calcining at 550 ℃ to remove the precursor impurities and to prepare an oxide catalyst. The sample obtained through this process was impregnated into a reaction solution in which a copper precursor was dissolved. Copper oxide / alumina catalyst to which zirconium oxide and tin oxide were added through a drying process and a calcination process at 550 ° C. was prepared.
알루미나의 경우 제법에 따라 다양한 구조의 알루미나를 생성할 수 있다. 본 발명에서는 비표면적이 넓고 열 안정성이 좋은 γ-알루미나 구조의 유지가 가능하며 활성 금속 물질의 소결 현상을 억제하기 위하여 550℃에서 소성 과정을 진행하였다.In the case of alumina, alumina having various structures can be produced according to the manufacturing method. In the present invention, it is possible to maintain a γ-alumina structure having a large specific surface area and good thermal stability, and a firing process is performed at 550 ° C. in order to suppress sintering of the active metal material.
<비교 실시예>Comparative Example
지르코늄 산화물과 주석 산화물을 첨가하였을 때 원활한 산소 이동과 확산이 일어나 촉매의 활성이 증가됨을 보이기 위하여 지르코늄 산화물과 주석 산화물을 담지하지 않고 산화구리만을 알루미나에 담지한 촉매를 제조하였다. 상기 실시예 1의 동일한 방법으로 제조하되 구리 전구체를 용해시키는 단계부터 진행하여 한 번의 소성과정을 거쳐 촉매를 제조하였다. A catalyst in which only copper oxide was supported on alumina without a zirconium oxide and tin oxide was prepared in order to show smooth oxygen migration and diffusion when the zirconium oxide and tin oxide were added. Prepared in the same manner as in Example 1, but proceeded from the step of dissolving the copper precursor to prepare a catalyst through a single firing process.
<실험예 1> 제조한 촉매의 온도에 따른 환원량 분석Experimental Example 1 Analysis of Reduction Amount According to Temperature of Prepared Catalyst
본 발명에서 명시하는 촉매의 표면 화학적 특성을 확인하기 위하여 온도에 따른 환원량 분석을 수행하였다. 도 1에서 나타낸 바와 같이 상온에서부터 분당 5℃씩 승온시켜 환원이 시작되는 온도와 환원량을 통하여 촉매의 경향성을 파악할 수 있다. 반응 기체인 수소 기체와 운반 기체인 질소 기체를 1부피%:9부피%의 일정 비율로 주입시켰다.In order to confirm the surface chemical properties of the catalyst specified in the present invention, a reduction amount analysis was performed with temperature. As shown in FIG. 1, it is possible to grasp the tendency of the catalyst by increasing the temperature by 5 ° C. per minute from the room temperature and the reduction start temperature and the reduction amount. Hydrogen gas as a reaction gas and nitrogen gas as a carrier gas were injected at a constant ratio of 1% by volume to 9% by volume.
도 1에서 보여지는 200℃ 이전에 나타나는 피크는 표면에 분포한 산화구리의 환원을 나타내고, 230℃에서 나타나는 피크는 내부에 존재하는 산화구리의 환원 모습이다. 지르코늄 산화물 및 주석 산화물 담지 촉매가 산화구리만을 담지한 촉매에 비교하여 표면 및 내부 환원 모두 낮은 온도로 이동하는데 이는 지르코늄 산화물 및 주석 산화물 담지 촉매가 산화구리만을 담지하여 만든 촉매보다 산소 배출이 보다 용이함을 의미한다.The peak appearing before 200 ° C. shown in FIG. 1 represents the reduction of copper oxide distributed on the surface, and the peak appearing at 230 ° C. is the reduction of copper oxide present therein. The zirconium oxide and tin oxide supported catalysts move to lower temperatures in both surface and internal reduction compared to the catalysts supported only with copper oxide, indicating that the zirconium oxide and tin oxide supported catalysts are easier to release oxygen than those made with copper oxide alone. it means.
<실험예 2> 제조한 촉매의 온도에 따른 산화량 분석Experimental Example 2 Analysis of Oxidation Amount According to Temperature of Prepared Catalyst
도 2는 본 발명에 의한 지르코늄 산화물 및 주석 산화물이 첨가된 산화구리/알루미나 촉매의 온도에 따른 산화량을 분석한 결과이다. 상온에서부터 분당 5℃씩 승온시켜 산화가 시작되는 온도와 산화량을 통하여 촉매의 특성분석이 가능하다. 반응 기체인 산소 기체와 운반 기체인 헬륨 기체를 혼합하여 1부피%:9부피%의 일정 비율로 흘려주었다. 산소 기체를 흘려줄 경우 고온에서 필라멘트의 산화가 일어날 수 있기 때문에 대부분의 분석에서는 온도에 따른 산화량 분석법 보다는 온도에 따른 환원량 분석법으로 수정하여 진행을 하기도 하나, 본 발명에서는 보다 정확한 결과를 얻기 위하여 온도에 따른 산화량 분석을 실시하였다. 2 is a result of analyzing the amount of oxidation according to the temperature of the copper oxide / alumina catalyst to which zirconium oxide and tin oxide is added according to the present invention. It is possible to characterize the catalyst through the temperature and the amount of oxidation start oxidation by increasing the temperature by 5 ℃ per minute from room temperature. Oxygen gas, which is a reaction gas, and helium gas, which is a carrier gas, were mixed and flowed at a ratio of 1% by volume to 9% by volume. Since the oxidation of the filament may occur at high temperature when oxygen gas is flowed, most of the analyzes are carried out by reducing amount analysis method according to temperature rather than oxidation amount analysis method according to temperature, but in order to obtain more accurate results in the present invention. Oxidation amount analysis was performed according to temperature.
도 2에 나타난 바아 같이, 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 담지한 촉매는 산화구리만을 담지한 촉매보다 보다 높은 온도에서 산화된다. 이러한 결과는 산화구리만을 담지한 촉매보다 지르코늄 산화물 및 주석 산화물 담지 촉매가 산소 흡착이 저하됨을 나타낸다.As shown in Fig. 2, the catalyst supporting zirconium oxide and tin oxide is oxidized at a higher temperature than the catalyst supporting only copper oxide. These results indicate that the oxygen adsorption of the zirconium oxide and tin oxide supported catalysts is lower than that of the copper oxide only catalysts.
<실험예 3> 일산화탄소의 선택적 산화반응의 조건Experimental Example 3 Conditions for Selective Oxidation of Carbon Monoxide
본 발명에서는 실시예 1 및 비교 실시예 1에서 제조된 촉매를 사용하여 선택적 산화반응을 수행하였다. 먼저 상기 촉매를 반응기에 충진하고 1000℃까지 온도를 조절할 수 있는 가열로 내부에 촉매가 충진된 반응기를 설치하였다. 그리고 반응기의 온도 측정을 위한 열전대와 온도 조절을 위한 전원 공급 장치를 반응기에 연결하였다. 상기와 같이 일산화탄소의 선택적 산화반응 실험 시스템을 구성하고, 일산화탄소의 선택적 산화반응을 수행하였다.In the present invention, selective oxidation was performed using the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Example 1. First, the reactor was filled with a catalyst and a reactor filled with a catalyst was installed in a heating furnace capable of controlling the temperature to 1000 ° C. And a thermocouple for measuring the temperature of the reactor and a power supply for temperature control was connected to the reactor. As described above, the experimental system for the selective oxidation of carbon monoxide was configured, and the selective oxidation of carbon monoxide was performed.
한편, 일산화탄소, 산소 및 수소를 운반 기체인 질소, 헬륨 또는 아르곤 등과 혼합하여 각각 1 부피%. 1 부피%, 50 부피%가 되도록 농도를 조절하고 반응기의 온도를 서서히 높이면서 일산화탄소의 선택적 산화반응을 수행하였다. On the other hand, carbon monoxide, oxygen and hydrogen are mixed with a carrier gas such as nitrogen, helium or argon 1% by volume each. The concentration was adjusted to 1% by volume and 50% by volume, and selective oxidation of carbon monoxide was performed while gradually increasing the temperature of the reactor.
본 발명에 의한 촉매는 50℃에서 300℃의 온도 범위에서 일산화탄소의 산화반응을 실시하였으나 실질적인 이산화탄소의 생성은 100℃에서 200℃의 범위 내에서 진행된다. The catalyst according to the present invention performs oxidation of carbon monoxide in a temperature range of 50 ° C to 300 ° C, but substantial generation of carbon dioxide proceeds in a range of 100 ° C to 200 ° C.
본 발명의 촉매가 일산화탄소의 선택적 산화반응 후 배출되는 기체의 농도를 측정하기 위해 기체 크로마토그로피를 이용하여 분석하였다. 분석 장치 내에 운반 기체인 헬륨을 일정한 유량으로 주입시키면서 반응물인 산소, 일산화탄소, 수소 기 체와 생성물인 이산화탄소를 검출하여 온도의 변화에 대한 일산화탄소에서 이산화탄소로의 전환율을 측정하였다. The catalyst of the present invention was analyzed using gas chromatography to measure the concentration of gas exiting after the selective oxidation of carbon monoxide. The reaction rate of carbon monoxide to carbon dioxide was measured by detecting the reactant oxygen, carbon monoxide, hydrogen gas and carbon dioxide as a product while injecting helium as a carrier gas at a constant flow rate.
도 3은 본 발명에 의한 촉매의 온도에 따른 일산화탄소의 산화반응 그래프이다. 알루미나에 산화구리만을 담지한 촉매, 주석 산화물을 추가적으로 담지한 촉매, 지르코늄 산화물을 추가적으로 담지한 촉매의 순서로 일산화탄소 산화반응 활성이 우수하다. 이러한 결과는 상기 도 1과 도 2에서 보여지듯이, 보다 낮은 온도에서 쉽게 환원이 되고 보다 높은 온도에서 산화가 일어나는 실험예 1, 실험예 2에 비추어 볼 때, 촉매가 보다 낮은 온도에서 쉽게 환원이 되고 보다 높은 온도에서 산화가 되면 산소의 배출이 용이하여 반응성이 증가한다는 것을 의미한다. 3 is a graph of oxidation reaction of carbon monoxide according to the temperature of the catalyst according to the present invention. The carbon monoxide oxidation activity is excellent in the order of a catalyst supporting only copper oxide on alumina, a catalyst additionally supporting tin oxide, and a catalyst additionally supporting zirconium oxide. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the results show that the catalyst is easily reduced at a lower temperature in view of Experimental Examples 1 and 2, which are easily reduced at lower temperatures and oxidized at higher temperatures. Oxidation at higher temperatures means easier release of oxygen and increased reactivity.
따라서 지르코늄 산화물 및 주석 산화물이 첨가된 산화구리/알루미나 촉매가 산화구리만을 담지한 촉매보다 선택적으로 더 많은 일산화탄소를 산화시킨다.Thus, the copper oxide / alumina catalyst with the addition of zirconium oxide and tin oxide selectively oxidizes more carbon monoxide than the catalyst supporting only copper oxide.
본 발명의 실험예에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 첨가한 촉매는 산소의 이동을 활발히 유도하여 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시킴에 있어서 높은 활성을 보였다. 산화구리만을 알루미나에 담지하여 제조한 촉매와 비교하였을 때 보다 저온에서 산화구리의 환원이 관찰되고 보다 고온에서 구리가 산화되었다. 이는 지르코늄 산화물 및 주석 산화물을 첨가하여 제조하였을 경우 활성 물질과 산소와의 결합이 약해져서 산소를 보다 용이하게 배출해 이산화탄소의 생성을 증가시킨다. 따라서 상기 촉매를 이용한 일산화탄소 선택적 산화반응은 우수한 성능을 보임을 입증한다.As described in the experimental example of the present invention, the catalyst added with the zirconium oxide and tin oxide prepared by the present invention showed a high activity in converting carbon monoxide to carbon dioxide by actively inducing the movement of oxygen. Reduction of copper oxide was observed at lower temperatures and copper was oxidized at higher temperatures when compared to a catalyst prepared by supporting only copper oxide on alumina. When it is prepared by the addition of zirconium oxide and tin oxide, the binding of the active material and oxygen is weakened, and the oxygen is more easily discharged to increase the production of carbon dioxide. Therefore, the carbon monoxide selective oxidation reaction using the catalyst demonstrates excellent performance.
도 1은 본 발명에 의한 지르코니아 산화물 및 틴 산화물을 알루미나에 담지한 산화구리 복합 촉매의 온도 변화에 대한 환원량 분석 그래프.1 is a graph of reduction analysis on temperature change of a copper oxide composite catalyst carrying zirconia oxide and tin oxide in alumina according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 지르코니아 산화물 및 틴 산화물을 알루미나에 담지한 산화구리 복합 촉매의 온도 변화에 대한 산화량 분석 그래프.2 is a graph of the oxidation analysis of the temperature change of the copper oxide composite catalyst carrying zirconia oxide and tin oxide in alumina according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 촉매의 온도에 따른 일산화탄소의 산화반응 그래프.Figure 3 is a graph of the oxidation of carbon monoxide according to the temperature of the catalyst according to the present invention.
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