KR101535123B1 - Carbon catalyst having open pore in which dispersed metal and method for producing sorbitol using the same - Google Patents

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박대성
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Abstract

The present invention relates to a metal supported carbon catalyst whose structure is open in which metal is dispersed, a manufacturing method thereof and a method for producing sorbitol from cellulose under the catalyst wherein the open structure in the catalyst is allowed to disperse metal, and functional groups bound to the surface of the catalyst are allowed to generate hydrogen spillover, thereby producing sorbitol in a high selectivity and a high yield in a cellulose conversion process with use of the catalyst.

Description

금속이 분산된 열린 기공구조를 가지는 탄소 촉매 및 이를 이용한 소르비톨의 생산방법{Carbon catalyst having open pore in which dispersed metal and method for producing sorbitol using the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon catalyst having an open pore structure in which metal is dispersed and a method for producing sorbitol using the same.

본 발명은 목질계 바이오매스 원료물질로부터 소르비톨의 전환 생산에 이용될 수 있는 촉매, 이 촉매를 이용하여 소르비톨을 높은 수율로 생산하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 열린 기공구조를 갖는 탄소 담체에 분산된 금속으로 이루어진 촉매 존재하에 목질계 바이오매스로부터 높은 수율로 소르비톨을 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst which can be used for the conversion production of sorbitol from woody biomass raw materials, and a method for producing sorbitol in high yield using the catalyst. In particular, it relates to a method for producing sorbitol in high yield from woody biomass in the presence of a catalyst consisting of a metal dispersed in a carbon carrier having an open pore structure.

20세기 이후 주 에너지원으로 사용되어 온 화석 연료는 현재 매장량이 한계에 달하고 있어 대체 에너지에 대한 필요가 급격히 증가하고 있다. 특히 화석 연료의 무분별한 사용으로 야기된 심각한 환경문제는 지속 가능하고 환경 친화적인 신재생에너지원 개발을 절실하게 하고 있다. 바이오매스는 신재생 에너지 중 하나로서 친환경적이고 지속 가능한 에너지원으로 인식되어, 개발이 추진되어 오고 있다. 1세대 바이오매스로는 사탕수수, 옥수수, 해바라기씨유 등 식용 가능한 물질이 주요 대상이었으며, 이를 전환하여 탄수화물, 글루코오스를 생산하여 왔다. 하지만 전세계적으로 대두되고 있는 기아문제와 더불어 이에 대한 부정적 시각이 늘어날 수 밖에 없었으며, 따라서 현재는 식용 가능하지 않은 목질계 바이오매스 물질이 2세대 바이오매스로 주목 받고 있다.Fossil fuels, which have been used as primary energy sources since the 20th century, are now reaching their limits and the need for alternative energy is increasing rapidly. In particular, serious environmental problems caused by the indiscriminate use of fossil fuels are urging the development of sustainable and environmentally friendly renewable energy sources. Biomass is recognized as an environmentally friendly and sustainable energy source as one of the renewable energy sources, and development has been promoted. The first generation of biomass was mainly made of edible materials such as sugar cane, corn and sunflower seed oil, and it has been converted to produce carbohydrates and glucose. However, along with the global hunger problem, there has been a growing negative view on this issue, and therefore, woody biomass materials that are not currently edible are attracting attention as second-generation biomass.

목질계 바이오매스 중에서 셀룰로오스는 가장 풍부한 자원으로 손꼽히고 있다. 셀룰로오스는 식물의 광합성 작용으로 생성되며 5탄당 또는 6탄당이 연결되어 있어 큰 분자량과 높은 결정 특성, 불용성을 가진다. 셀룰로오스로부터 소르비톨을 생산하기 위해서는 가수분해 반응과 수소화 반응이 진행되어야 한다. 셀룰로오스를 당화하는 가수분해 반응은 셀룰로오스의 베타-1,4-글리코시딕 결합(β-1,4-glycosidic bond)을 깨는 반응인데, 석유화학공정에 사용되어 온 산 촉매로는 효과적인 전환 수율을 얻지 못하고 있어,아직까지 실용화에 한계가 있다. 이는 앞서 말한 셀룰로오스의 물성 때문이다. 따라서 산의 특성을 가질 뿐만 아니라 큰 분자량을 갖는 목질계 바이오매스 유래 화합물의 물질 전달 특성을 용이하게 할 수 있는 촉매가 필요한 실정이다.Among woody biomass, cellulose is the most abundant resource. Cellulose is produced by the photosynthetic action of plants and has a high molecular weight, high crystallinity, and insolubility due to the linking of pentoses or hexoses. In order to produce sorbitol from cellulose, a hydrolysis reaction and a hydrogenation reaction must proceed. The hydrolytic reaction that hydrolyzes cellulose is a reaction that breaks the beta-1,4-glycosidic bond of cellulose. The acid catalyst used in the petrochemical process has an effective conversion yield It has not been able to get it, and there is still a limit to practical use. This is due to the aforementioned properties of the cellulose. Therefore, there is a need for a catalyst that not only has acidic properties but also facilitates mass transfer characteristics of a wood-based biomass-derived compound having a large molecular weight.

본 발명은 셀룰로오스로부터 높은 수율로 소르비톨을 전환 생산할 수 있는 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a catalyst capable of converting sorbitol to cellulose in a high yield and a process for producing the same.

또한 본 발명은 셀룰로오스로부터 높은 수율로 소르비톨을 전환 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a method for converting and producing sorbitol from cellulose in a high yield.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질로 이루어진 탄소 담체; 및 상기 탄소 담체에 분산된 금속을 포함하는 금속 담지 탄소 촉매를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides a carbon carrier comprising a carbon nanomaterial having an open pore structure; And a metal-dispersed carbon catalyst comprising a metal dispersed in the carbon support.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 탄소 나노 물질은 구형인 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the carbon nanomaterial is preferably spherical.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 금속은 Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni 및 Ir으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, it is preferable that the metal is at least one selected from the group consisting of Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni and Ir.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 금속은 탄소 나노 물질 전체 중량에 대하여 0.1~10중량%으로 포함되는 것이 바람직하다. According to another embodiment of the present invention, the metal is preferably contained in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the carbon nanomaterial.

본 발명은 또한 열린 기공 구조를 가지는 실리카 구(DSS)를 페놀-포름알데히드 수지 용액에 담지하는 단계; 상기 용액에 담지된 실리카 구를 원심분리하는 단계; 상기 원심분리를 거친 실리카 구로부터 여분의 수지를 제거하고 건조하는 단계; 상기 건조된 실리카 구를 에이징시킨 후 탄화시키는 단계; 및 상기 탄화된 실리카 구를 에칭, 여과 및 건조하는 단계를 포함하는 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질로 이루어진 탄소 담체의 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for preparing a phenol-formaldehyde resin solution, comprising the steps of: supporting a silica spheres (DSS) having an open pore structure on a phenol-formaldehyde resin solution; Centrifuging the silica spheres supported on the solution; Removing excess resin from the silica spheres through centrifugation and drying; Aging the dried silica spheres and carbonizing them; And a step of etching, filtering, and drying the carbonized spherical silica spheres, and a carbon nanomaterial having an open pore structure.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 에이징은 80~110℃에서 20~25시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, aging is preferably performed at 80 to 110 ° C for 20 to 25 hours.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 탄화는 질소 분위기하, 800~900℃의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.According to another embodiment of the present invention, the carbonization is preferably carried out at a temperature of 800 to 900 DEG C under a nitrogen atmosphere.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 에칭은 24~30시간 동안 불화수소 또는 수산화나트륨을 이용하여 실시하는 것이 바람직하다. According to another embodiment of the present invention, the etching is preferably performed using hydrogen fluoride or sodium hydroxide for 24 to 30 hours.

본 발명은 또한 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질을 함유하는 용액에 금속전구체 용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합용액의 pH를 알칼리성으로 조절하는 단계; 상기 금속전구체 용액에 포함된 금속 이온을 환원시키는 단계; 및 여과 및 세정하여 금속이 분산된 열린 기공 구조를 가지는 금속 담지 탄소 촉매를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a carbon nanomaterial, comprising: mixing a metal precursor solution in a solution containing a carbon nanomaterial having an open pore structure; Adjusting the pH of the mixed solution to be alkaline; Reducing the metal ions contained in the metal precursor solution; And a method of producing a metal-supported carbon catalyst having an open pore structure in which metal is dispersed by filtration and washing.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 금속전구체 용액의 금속은 Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni 및 Ir으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the metal of the metal precursor solution is at least one selected from the group consisting of Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni and Ir.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 금속전구체는 백금전구체로, PtH2Cl6·H2O인 것이 바람직하다. According to another embodiment of the present invention, the metal precursor is a platinum precursor, preferably PtH 2 Cl 6 .H 2 O.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 알칼리성으로 조절하는 단계는 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액을 첨가하는 것이 바람직하다. According to another embodiment of the present invention, it is preferable to add a sodium hydroxide or ammonium hydroxide solution to the step of controlling the alkalinity.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 환원시키는 단계는 수소화 붕소 나트륨 또는 에틸렌 글리콜을 첨가하는 것이 바람직하다. According to another embodiment of the present invention, the reducing step is preferably added with sodium borohydride or ethylene glycol.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 금속 담지 촉매의 존재 하에 셀룰로오스를 가수분해 및 수소화시키는 단계를 포함하는 소르비톨의 생산 방법을 제공한다.The present invention also provides a process for producing sorbitol comprising hydrolyzing and hydrogenating cellulose in the presence of the metal supported catalyst according to the present invention.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 셀룰로오스를 가수분해 및 수소화시키는 단계는 10-100bar의 수소 압력하에서 진행되는 것이 바람직하다. According to one embodiment of the present invention, the step of hydrolyzing and hydrogenating the cellulose is preferably carried out under a hydrogen pressure of 10-100 bar.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 셀룰로오스를 가수분해 및 수소화시키는 단계는 150~200℃에서 12~24시간 동안 진행되는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the step of hydrolyzing and hydrogenating cellulose is preferably carried out at 150 to 200 ° C for 12 to 24 hours.

본 발명의 금속이 분산된 열린 기공 구조를 갖는 탄소 촉매를 이용하여 셀룰로오스의 가수분해 및 수소화를 통해 소르비톨을 생산하는 경우, 종래와 같이 별도의 산 처리나 산 촉매를 이용하지 않고도 매우 높은 수율로 소르비톨을 얻을 수 있다. In the case of producing sorbitol by hydrolysis and hydrogenation of cellulose using a carbon catalyst having an open pore structure in which the metal is dispersed in the present invention, sorbitol is produced at a very high yield without using any additional acid treatment or acid catalyst Can be obtained.

또한, 본 발명의 촉매는 열린 기공 구조로 인해 금속이 고분산될 수 있으며, 표면에 결합된 풍부한 기능기로 인해 수소 스필오버가 다량 발생하여, 본 발명의 촉매를 이용한 셀룰로오스의 전환 반응에서 매우 높은 선택도와 수율로 소르비톨을 생산할 수 있다. In addition, since the catalyst of the present invention can be highly dispersed in the metal due to the open pore structure, a large amount of hydrogen spillover occurs due to a rich functional group bonded to the surface, and a very high selectivity is obtained in the conversion reaction of the cellulose using the catalyst of the present invention Sorbitol can be produced with a yield of tallow.

도 1은 본 발명의 실시예 2의 CNE/Pt 촉매의 구조를 관찰한 TEM, STEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 TEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 TGA 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 BET 분석 결과, 질소 등온 흡·탈착 분포를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 BET 분석 결과, 기공 크기 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 결정 정도가 다른 네 가지의 셀룰로오스의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 결정 정도가 다른 네 가지의 셀룰로오스의 전환 실험을 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매를 이용하여 실시한 결과, 셀룰로오스 전환율과 소르비톨 수율의 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 셀로바이오스의 전환 실험을 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 담체(백금을 담지하지 않은 상태)를 이용하여 실시한 결과, 시간에 따른 셀룰로오스 전환율과 글루코오스 수율의 분석 결과를, 각각 실시예 4, 비교예 5 및 비교예 6으로 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 수소 흡탈착 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 표면의 기능기의 결합 정도를 알아보기 위하여, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 담체(백금을 담지하지 않은 상태)를 이용하여 XPS분석으로 촉매 표면의 기능기에 따른 산소 분포량을 분석한 결과를, 각각 실시예 4, 비교예 5 및 비교예 6으로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매의 수소 스필 오버 정도를 알아보기 위하여, 물의 전기분해 반응을 통한 각 촉매의 CV를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
1 shows TEM and STEM analysis results of the structure of the CNE / Pt catalyst of Example 2 of the present invention.
2 shows the results of TEM analysis of the catalysts of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
3 shows XRD analysis results of the catalyst of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
4 shows TGA analysis results of the catalysts of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
FIG. 5 shows nitrogen isothermal adsorption / desorption distributions as a result of BET analysis of the catalysts of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
6 shows pore size distributions as a result of BET analysis of the catalysts of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
FIG. 7 shows XRD analysis results of four types of cellulose having different degrees of crystallinity.
Fig. 8 shows the results of analysis of conversion of cellulose and sorbitol yield as a result of carrying out conversion experiment of four types of cellulose having different degrees of crystallinity using the catalysts of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Fig.
9 is a graph showing the results of analysis of cellulose conversion and glucose yield with time as a result of carrying out a cellobiose conversion test using a carrier of the catalyst of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 (in the state of not carrying platinum) , And Example 4, Comparative Example 5 and Comparative Example 6, respectively.
10 shows the hydrogen adsorption / desorption experiment results of the catalyst of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.
11 is a graph showing the degree of bonding of functional groups on the surface of the catalyst of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention. The results are shown in Table 4, Comparative Example 5, and Comparative Example 6, respectively, by the XPS analysis.
12 shows the results of measurement of CVs of respective catalysts through electrolysis of water in order to examine the degree of hydrogen spillover of the catalyst of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention.

이하에서, 본 발명의 일 구현예에 따른 열린 기공 구조를 가지는 민들레 씨 또는 보라성게붙이(Echinometra Mathaei) 모양의 탄소 나노 물질을 담체로 하는 금속 담지 촉매 및 이 촉매의 존재하에 셀룰로오스로부터 고수율로 소르비톨을 생산하는 방법에 관해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific embodiments of the present invention, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which: Figure 1 is a schematic diagram of a metal supported catalyst comprising a carbon nanomaterial in the form of dandelion seeds or Echinometra mathaei having open pore structure, Will be described in detail.

본 발명의 일 구현예에 따른 촉매는 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질로 이루어진 담체(이하에서, 'CNE'로 표기한 곳도 있다.), 및 담체에 분산 담지된 금속을 포함한다. The catalyst according to an embodiment of the present invention includes a carrier made of a carbon nanomaterial having an open pore structure (hereinafter also referred to as 'CNE') and a metal supported on the carrier.

본 발명에 있어서, "열린 기공 구조"는 입자의 중심으로부터 바깥쪽으로 갈수록 기공의 크기가 커지는 것을 의미하는 것으로,후술하는 비교예에서 사용되는 미세 기공 구조 및 중형 기공 구조와는 기공의 구조적인 면에서 차별되는 개념이다In the present invention, "open pore structure" means that the pore size increases from the center of the particle to the outside, and the microporous structure and the mesoporous structure used in the comparative example It is a different concept.

본 발명의 일 구현예에 따르면,이 담체는 구형일 수 있으며, 이때 열린 기공 구조의 구현이 용이하며,또한 민들레 씨 또는 보라성게붙이 모양의 구현이 용이하다. 또한 이 담체의 기공은 중형 기공,즉 2~1000nm 크기의 평균 기공을 가지는 것이 바람직하다. 본 발명의 촉매는 중형 크기의 기공을 통해 후술하는 셀룰로오스의 소르비톨로의 전환 반응에서 높은 물질 전달 효과를 나타낼 수 있어,결과적으로 수율을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carrier may be spherical, which facilitates the implementation of an open pore structure, and also facilitates the implementation of a dandelion seed or a sea urchin shape. The pores of the carrier preferably have mesopores, that is, average pores having a size of 2 to 1000 nm. The catalyst of the present invention can exhibit a high mass transfer effect in the conversion reaction of cellulose to sorbitol, which will be described later, through medium size pores, and as a result, the yield can be improved.

본 발명의 촉매를 구성하는 담체에 분산된 금속은 셀룰로오스의 소르비톨로의 전환 반응시 높은 반응 활성을 나타내며 소르비톨로의 높은 선택도를 제공할 수 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 금속으로서는 Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni 및 Ir으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 될 수 있다. 담체에 분산 담지되는 금속의 양은 특별히 제한되지 않으나, 촉매 전체 중량에 대하여 0.1~10중량%, 바람직하게는 2~8중량%, 더 바람직하게는 4~6중량%로 포함되는 것이다. 이는 촉매를 이용한 반응 수율과 비용 경제성 면에서 적합한 범위이다.The metal dispersed in the carrier constituting the catalyst of the present invention preferably exhibits a high reaction activity upon conversion of cellulose to sorbitol and can provide high selectivity to sorbitol. Such a metal may be at least one selected from the group consisting of Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni and Ir. The amount of the metal to be dispersed and carried on the carrier is not particularly limited, but is 0.1 to 10% by weight, preferably 2 to 8% by weight, more preferably 4 to 6% by weight based on the total weight of the catalyst. This is an appropriate range in terms of the reaction yield using the catalyst and the cost-effectiveness.

본 발명에 있어서, 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질로 이루어진 담체는 열린 기공 구조를 가지는 실리카 구(Dandelion Silca Sphere, DSS)를 페놀-포름알데히드 수지 용액에 담지하는 단계; 상기 페놀-포름알데히드 용액에 담지된 실리카 구를 원심분리하는 단계; 원심분리를 거친 실리카 구로부터 여분의 수지를 제거하고 건조하는 단계; 상기 건조된 실리카 구를 에이징시킨 후 탄화시키는 단계; 및 상기 탄화된 실리카 구를 에칭, 여과 및 건조하는 단계를 포함하는 제조방법을 통해 제조될 수 있다. In the present invention, a carrier made of a carbon nano material having an open pore structure may be prepared by: supporting a Dandelion Silica Sphere (DSS) having an open pore structure on a phenol-formaldehyde resin solution; Centrifuging the silica spheres supported on the phenol-formaldehyde solution; Removing excess resin from the centrifuged silica spheres and drying; Aging the dried silica spheres and carbonizing them; And a step of etching, filtering and drying the carbonized silica spheres.

실리카 구를 페놀-알데히드 수지 용액에 담지하게 되면, 페놀-알데히드 수지에 포함된 페놀 분자의 OH기가 주로 탄소 담체의 표면에 기능기로서 결합될 수 있다. 이로 인해서, 셀룰로오스로부터 소르비톨을 생산하기 위해 통상적으로 채용되는 수소압하에, 본 담체에 금속을 담지하여 촉매로써 사용하게 되면, 많은 양의 수소 스필오버 현상을 초래하여 별도로 산 촉매를 가하지 않더라도 셀룰로오스의 가수분해 반응이 원활하게 진행될 수 있다.When the silica spheres are supported on the phenol-aldehyde resin solution, the OH groups of the phenol molecules contained in the phenol-aldehyde resin can be bonded to the surface of the carbon support as a functional group. Therefore, if a metal is supported on the carrier under the pressure of hydrogen which is usually employed to produce sorbitol from cellulose, a large amount of hydrogen spillover phenomenon is caused, and even if no acid catalyst is added, The decomposition reaction can proceed smoothly.

열린 기공 구조를 가진 담체를 형성시키기 위해서, 에이징은 80~110℃에서 20~25시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 또한 금속이 기공 사이와 표면에 잘 분산될 수 있도록, 실리콘 구의 탄화는 질소 분위기하, 800~900℃의 온도에서 실시할 수 있다. 또한 에칭은 24~30시간 동안 불화수소 또는 수산화나트륨을 이용하여 실시할 수 있다. In order to form a carrier having an open pore structure, aging is preferably carried out at 80 to 110 DEG C for 20 to 25 hours. The carbonization of the silicon sphere can be carried out at a temperature of 800 to 900 DEG C under a nitrogen atmosphere so that the metal can be dispersed well between the pores and the surface. The etching can also be carried out using hydrogen fluoride or sodium hydroxide for 24 to 30 hours.

이렇게 제조된 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질을 기반으로 하여 본 발명의 금속이 분산된 촉매를 제조할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질을 함유하는 용액에 금속전구체 용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합용액의 pH를 알칼리성으로 조절하는 단계; 상기 금속전구체 용액에 포함된 금속 이온을 환원시키는 단계; 및 여과 및 세정하여 금속이 분산된 금속 담지 촉매를 제조할 수 있다.Based on the carbon nanomaterial having the open pore structure thus prepared, the metal-dispersed catalyst of the present invention can be produced. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a carbon nanomaterial, comprising: mixing a metal precursor solution into a solution containing a carbon nanomaterial having an open pore structure; Adjusting the pH of the mixed solution to be alkaline; Reducing the metal ions contained in the metal precursor solution; And filtration and washing to prepare a metal-supported catalyst in which the metal is dispersed.

또한 본 발명의 일 구현예에 따르면,상기 금속전구체 용액에서 금속은 Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni 및 Ir으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal in the metal precursor solution may be at least one selected from the group consisting of Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, have.

상기 pH를 알칼리성으로 조절하기 위해, 통상 이 기술 분야에서 사용하는 알칼리성 화합물을 첨가할 수 있으며, 바람직하게는 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액을 첨가할 수 있다. pH는 알칼리성 범위인 pH 8 이상이면 특별히 제한이 없으나, 금속 이온의 담지율을 높이기 위해서는 pH 10 이상이, 더 바람직하게는 pH 11 이상으로 조절하는 것이 좋다.To adjust the pH to alkaline, an alkaline compound usually used in this technical field can be added, preferably sodium hydroxide or ammonium hydroxide solution can be added. The pH is not particularly limited as long as the pH is in the alkaline range of pH 8, but it is preferable to adjust the pH to 10 or more, and more preferably to pH 11 or more in order to increase the metal ion retention ratio.

금속 전구체를 환원시키기 위해서, 통상 이 기술 분야에서 사용하는 환원성 화합물을 첨가하는 것이 가능하며, 바람직하게는 붕소나트륨(NaBH4) 또는 에틸렌 글리콜 같은 화합물을 첨가할 수 있다. In order to reduce the metal precursor, it is usually possible to add a reducing compound used in this technical field, preferably a compound such as sodium borate (NaBH 4 ) or ethylene glycol.

또한 본 발명의 일 구현예에 따르면, 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질을 함유하는 용액에 백금전구체 용액을 혼합하는 단계; 상기 혼합용액의 pH를 알칼리성으로 조절하는 단계; 상기 백금전구체 용액에 포함된 백금 이온을 환원시키는 단계; 및 여과 및 세정하여 백금이 분산된 촉매를 제조할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is also provided a method for preparing a carbon nanomaterial, comprising: mixing a platinum precursor solution into a solution containing a carbon nanomaterial having an open pore structure; Adjusting the pH of the mixed solution to be alkaline; Reducing the platinum ions contained in the platinum precursor solution; Followed by filtration and washing to prepare a catalyst in which platinum is dispersed.

또한,본 발명의 일 구현예에 따르면, 백금전구체는 PtH2Cl6·H2O이 사용될 수 있다.Further, according to one embodiment of the invention, the platinum precursor may be used, PtH 2 Cl 6 · H 2 O .

본 발명의 일 구현예에 따라, 셀룰로오스를 소르비톨로 전환 생산하는 방법은 앞서 설명한 열린 기공 구조를 가지는 탄소 담체에 금속이 분산된금속 담지 촉매의 존재 하에 셀룰로오스를 가수분해 및 수소화시키는 단계를 포함한다.According to one embodiment of the present invention, a method of converting cellulose into sorbitol comprises hydrolyzing and hydrogenating cellulose in the presence of a metal supported catalyst having a metal dispersed in a carbon carrier having the above-described open pore structure.

셀룰로오스로부터 소르비톨을 생산하기 위해서는 가수분해 반응 및 수소화 반응이 순차적으로 진행되어야 한다. 따라서 셀룰로오스의 가수분해 반응을 위해, 지금까지 알려진 대부분의 촉매 공정에서는 산 처리가 된 탄소 촉매 또는 H+를 제공할 수 있는 산 촉매를 사용하여 가수분해 반응이 일어나게 한다. 본 발명에 따른 CNE 기반 촉매는 추가적인 산 처리나 별도로 산 촉매를 사용하지 않았음에도 높은 수율로 셀룰로오스로부터 소르비톨을 생산할 수 있다. 본 발명자들은 이는 후술하는 액상의 수소 분압하에서 백금 촉매와 균일한 크기의 기공을 갖는 탄소 담체에서의 수소 스필오버 현상 때문인 것을 확인하였다. 수소 스필오버 현상은 백금 표면에 흡착된 수소분자가 수용액 상에서 H+, H-로 해리되어 탄소 담체로 이동하여 H+를 산 촉매로 이용할 수 있도록 한다.In order to produce sorbitol from cellulose, the hydrolysis reaction and the hydrogenation reaction must proceed sequentially. Therefore, for the hydrolysis reaction of cellulose, most of the catalyst processes known hitherto cause hydrolysis reaction using an acid-treated carbon catalyst or an acid catalyst capable of providing H < + >. The CNE-based catalyst according to the present invention can produce sorbitol from cellulose at a high yield even though no additional acid treatment or acid catalyst is used. The present inventors have confirmed that this is due to a hydrogen spillover phenomenon in a carbon carrier having pores of a uniform size and a platinum catalyst under a liquid hydrogen partial pressure described later. The hydrogen spillover phenomenon causes the hydrogen molecules adsorbed on the platinum surface to dissociate into H + and H- in the aqueous solution and move to the carbon support, so that H + can be used as an acid catalyst.

셀룰로오스 전환반응은 셀룰로오스의 결정성에 따라 그 결과가 달라질 수 있다. 보통 결정성이 작을수록 셀룰로오스 전환율은 높아진다. 따라서 가수분해 단계에서 전환율을 향상시키기 위해 셀룰로오스는 분쇄되어 결정도가 저하된 것을 사용할 수 있다. 셀룰로오스의 분쇄 방법은 특별히 제한되지 않으며,예를 들어 볼밀링이 이용될 수 있다. 결정도가 저하된 셀룰로오스는 촉매의 활성점과의 접촉이 용이하여 가수분해 반응이 원활하게 일어나게 되며, 셀룰로오스의 전환율을 향상시킬 수 있다.The cellulose conversion reaction may vary depending on the crystallinity of the cellulose. Usually, the smaller the crystallinity, the higher the cellulose conversion. Therefore, in order to improve the conversion ratio in the hydrolysis step, the cellulose may be pulverized to have a decreased crystallinity. The method of pulverizing cellulose is not particularly limited, and for example, ball milling may be used. Cellulose having a reduced crystallinity can be easily brought into contact with the active site of the catalyst, so that the hydrolysis reaction can be smoothly performed, and the conversion of cellulose can be improved.

위 가수분해 및 수소화시키는 단계는 10-100bar의 수소 압력하에서 진행될 수 있다.The step of hydrolyzing and hydrogenating can be carried out under hydrogen pressure of 10-100 bar.

가수분해 및 수소화시키는 단계는 150~200℃의 온도에서 진행될 수 있다. 온도가 상기 범위를 만족할 경우, 가수분해 및 수소화를 위한 반응 에너지가 충분하며, 최종적으로 생성되는 소르비톨의 분해를 방지할 수 있다. The step of hydrolyzing and hydrogenating may be carried out at a temperature of 150-200 ° C. When the temperature is within the above range, the reaction energy for hydrolysis and hydrogenation is sufficient, and the decomposition of the finally produced sorbitol can be prevented.

셀룰로오스의 가수분해를 위해 물이 공급되며, 이때 물의 사용량은 셀룰로오스에 대해 100~10,000의 몰비가 바람직하다. 이러한 범위로 물을 공급할 경우 가수분해를 위한 충분한 양의 물을 공급할 수 있고, 단위 공정당 생산되는 소르비톨의 양을 적당하게 할 수 있어 높은 공정경제성을 확보할 수 있다. Water is supplied for the hydrolysis of cellulose, and the amount of water used is preferably 100 to 10,000 molar ratio with respect to cellulose. When water is supplied in such a range, a sufficient amount of water for hydrolysis can be supplied, the amount of sorbitol produced per unit process can be appropriately adjusted, and a high process economical efficiency can be secured.

가수분해 및 수소화시키는 단계는 특별히 제한되지 않으나, 회분식 반응기 또는 고정층 반응기를 사용하여 실시할 수 있다.The step of hydrolyzing and hydrogenating is not particularly limited, but may be carried out using a batch reactor or a fixed bed reactor.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

실시예Example

<분석 기기><Analysis equipment>

본 발명의 실시예 및 비교예에서 있어서,사용한 분석 기기는 하기와 같다.In the Examples and Comparative Examples of the present invention, the analytical instruments used are as follows.

1. TEM: JEOL, JEM-3010 사용1. Using TEM: JEOL, JEM-3010

2. STEM: HAADF-STEM, Tecnai F20-FEI 사용2. STEM: Using HAADF-STEM, Tecnai F20-FEI

3. XRD: Rigaku, D-MAX2500-PC powder X-ray diffractometer 사용3. XRD: Rigaku, D-MAX2500-PC powder using X-ray diffractometer

4. BET: ASAP 2010, Micromeritics 사용4. BET: ASAP 2010, using Micromeritics

5. TGA: SDT Q600, TA instruments 사용5. TGA: Using SDT Q600, TA instruments

6. XPS: KRATOS, AXIS-HSi 사용6. XPS: Using KRATOS, AXIS-HSi

7. TPD: Micromeritics Autochem II chemisorption analyzer 사용
7. TPD: Using Micromeritics Autochem II chemisorption analyzer

< 담체의Carrier  제조>Manufacturing>

실시예Example 1 One

열린 기공 구조를 가지는 실리카 구(DSS) 0.2g을 페놀-포름알데히드 수지 용액 4ml에 섞어, 상온에서 1분 동안 교반하였다. 그리고나서 실리카 구를 10,000rpm으로 50℃에서 원심분리하였다. 원심분리를 거친 실리카 구로부터 여분의 수지를 제거하고 건조하였다. 건조된 실리카 구를 100℃에서 24시간 동안 에이징시킨 후, 질소 분위기하, 90℃의 온도에서 탄화시켰다. 탄화된 실리카 구를 24시간 동안 불화수소를 이용하여 에칭한 후, 여과 및 건조하여 열린 기공 구조를 가지는 탄소 나노 물질 기반 담체(CNE)를 제조하였다.
0.2 g of silica spheres (DSS) having an open pore structure was mixed with 4 ml of phenol-formaldehyde resin solution, and the mixture was stirred at room temperature for 1 minute. The silica spheres were then centrifuged at 10,000 rpm at 50 &lt; 0 &gt; C. The excess resin was removed from the centrifuged silica spheres and dried. The dried silica spheres were aged at 100 占 폚 for 24 hours and carbonized at a temperature of 90 占 폚 in a nitrogen atmosphere. The carbonized silica spheres were etched for 24 hours using hydrogen fluoride, and then filtered and dried to prepare a carbon nanomaterial-based carrier (CNE) having an open pore structure.

<촉매의 제조>&Lt; Preparation of catalyst &gt;

실시예Example 2 2

1g의 CNE를 100ml 증류수에 넣고 교반한 용액에 백금 전구체인 PtH2Cl6·H2O 0.108g을 첨가하였다. 이 용액에 0.1M NaOH 용액 5-7ml를 적하하여 pH를 11로 조절하였다.0.1M NaBH4 용액 100ml를 첨가한 후 3시간 동안 교반하여,백금으로 환원시켰다. 이 시료를 여과하고 증류수로 3차례 씻어내어 열린 기공 구조를 가지는 탄소 담체에 백금이 분산 담지된 촉매(Pt/CNE)를 얻었다.
1 g of CNE was added to 100 ml of distilled water and stirred, and 0.108 g of platinum precursor PtH 2 Cl 6 .H 2 O was added. To this solution, 5-7 ml of 0.1 M NaOH solution was added dropwise to adjust the pH to 11. 0.1 M NaBH 4 , And the mixture was stirred for 3 hours to reduce it to platinum. The sample was filtered and washed three times with distilled water to obtain a catalyst (Pt / CNE) in which platinum was dispersed and supported on a carbon carrier having an open pore structure.

비교예Comparative Example 1 One

본 발명의 CNE 대신에 미세 기공 구조를 가지는 활성탄(AC)을 담체로 사용한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일하게 실시하여,Pt/AC 촉매를 얻었다.
A Pt / AC catalyst was obtained in the same manner as in Example 2, except that activated carbon (AC) having a micropore structure was used as a carrier instead of CNE of the present invention.

비교예Comparative Example 2 2

본 발명의 CNE 대신에 중형 기공 구조를 가지는 탄소지지체(CMK)를 담체로 사용한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일하게 실시하여,Pt/CMK 촉매를 얻었다.A Pt / CMK catalyst was obtained in the same manner as in Example 2, except that a carbon support (CMK) having a medium pore structure was used as a carrier instead of the CNE of the present invention.

본 발명에 따른 실시예 2의 촉매의 구조를 관찰하기 위해 TEM, STEM 분석을 수행하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 실시예 2에서 제조된 Pt/CNE 카본 나노 물질은 입자의 중심으로부터 바깥쪽으로 기공의 크기가 커지는 열린 기공 구조를 갖고 있었으며 한 개 입자의 크기는 지름이 약 400 nm 정도로 관찰되었다. STEM-EDS 분석 결과 백금은 CNE 탄소 위에 고분산 되어 있었으며 그 크기는 약 5 nm 정도로 상당히 균일한 것으로 관찰되었다.TEM and STEM analyzes were performed to observe the structure of the catalyst of Example 2 according to the present invention, and the results are shown in Fig. The Pt / CNE carbon nanomaterial prepared in Example 2 had an open pore structure with a larger pore size from the center of the particle to the outside, and the size of one particle was observed to be about 400 nm in diameter. As a result of STEM-EDS analysis, platinum was highly dispersed on CNE carbon and its size was observed to be fairly uniform, about 5 nm.

비교예1 및 비교예2에 따른 촉매들도 TEM, XRD, TGA 분석을 실시하여 촉매 구조와 백금의 분산도, 크기, 양을 확인해 보았다. 먼저 TEM 이미지 분석을 통해, 비교예 1은 미세 기공 구조를, 비교예 2는 중형 기공 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 비교예 1, 비교예 2도 실시예 2와 같이 탄소 담체 전면에 백금이 고분산되어 있음을 확인할 수 있었다. 도 2에 TEM 분석 결과를 나타내었다.The catalysts according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were also analyzed by TEM, XRD and TGA, and the degree of dispersion, size and amount of catalyst structure and platinum were examined. First, by TEM image analysis, it was confirmed that Comparative Example 1 had a micropore structure and Comparative Example 2 had a medium pore structure. It was confirmed that platinum was highly dispersed in the entire surface of the carbon support as in Example 2 in Comparative Example 1 and Comparative Example 2 as well. FIG. 2 shows TEM analysis results.

도 3에 나타낸 XRD 분석 결과를 보면, 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2 모두 비정질계 탄소 위에 백금이 담지되어 있음을 확인할 수 있다. 또한 쉐러의 식(Scherrer equation)을 통해 백금의 크기를 비교한 결과 실시예 2는 5.4 nm, 비교예 1은 7.5 nm, 비교예 2는 4.4 nm 정도 세 촉매 모두 4-8 nm 정도 크기의 백금이 담지되어 있는 것으로 확인되었다. 또한 도 4에 결과를 나타낸 TGA 분석을 통하여 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2 모두 촉매 총량에 대해 5 wt%의 동일한 양의 백금이 각각의 탄소 담체에 담지되어 있는 것을 확인할 수 있었다. The results of the XRD analysis shown in Fig. 3 confirm that platinum is supported on the amorphous carbon in Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Also, as a result of Scherrer's equation, platinum sizes of 5.4 nm, 5.7 nm, and 4.4 nm, respectively, were about 4-8 nm. . Also, it was confirmed through the TGA analysis that the results are shown in FIG. 4 that the same amount of platinum of 5 wt% was supported on each carbon support in Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2.

또한 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2의 기공 구조를 보다 자세히 관찰하기 위하여 BET 분석을 실시하고, 도 5에 질소 등온 흡·탈착 분포를, 도 6에 기공 크기 분포를 나타내었다. 이에 따르면, 실시예 2와 비교예 2는 2-5 nm 크기의 중형 기공이 잘 발달되어 있었으며, 그에 비해 비교예 1은 1.5 nm 정도 크기의 미세 기공이 발달되어 있는 것을 알 수 있다.
In order to observe the pore structure of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in more detail, BET analysis was performed. FIG. 5 shows the nitrogen isothermal adsorption / desorption distribution, and FIG. 6 shows the pore size distribution. According to the results, in Example 2 and Comparative Example 2, mesopores having a size of 2-5 nm were well developed, whereas in Comparative Example 1, micropores having a size of 1.5 nm were developed.

<소르비톨의 생산><Production of sorbitol>

실시예Example 3 3

0.4g의 셀룰로오스와 0.4g의 실시예 2의 촉매, 그리고 증류수 40ml를 사용하여 회분식 반응(batch system)을 진행하였다. 반응은 180oC에서 24 시간 동안 진행하였으며, 지속적인 교반과 30bar의 수소압을 함께 가하여 소르비톨을 제조하였다.A batch system was carried out using 0.4 g of cellulose, 0.4 g of the catalyst of Example 2 and 40 ml of distilled water. The reaction was carried out at 180 ° C for 24 hours. Sorbitol was produced by continuously stirring and hydrogen pressure of 30 bar.

본 실시예에서 셀룰로오스는 셀룰로오스의 결정성을 감소시키기 위해 상용 셀룰로오스(Avicel)에 고성능의 볼밀 처리(High power ball mill)를 한 것을 사용하였다. 셀룰로오스 전환율은 반응 전 촉매와 셀룰로오스 무게의 합인 0.8 g에서 반응 후 필터링을 하여 걸러낸 고상(촉매 및 반응하지 않은 셀룰로오스) 무게의 차를 이용하여 구하였다. 소르비톨 수율의 경우, 반응 후 필터링을 통해 고상을 걸러내고 남은 액체를 액체 크로마토그래프 기기(영린사의 YL9100모델 HPLC 및 MetaCarb 67C 칼럼 사용)를 통해 분석하였다.
In this embodiment, the cellulose used in the present invention is a high-performance ball mill made of commercially available cellulose (Avicel) to reduce the crystallinity of the cellulose. The cellulose conversion was determined by using the difference in weight between the solid phase (catalyst and unreacted cellulose) filtered after the reaction at 0.8 g, which is the sum of the weight of the catalyst before the reaction and the weight of the cellulose. In the case of sorbitol yield, the solid phase was filtered through a post-reaction filter, and the remaining liquid was analyzed using a liquid chromatograph instrument (YL9100 Model HPLC and MetaCarb 67C column from Yonglin Co.).

비교예Comparative Example  3 및 43 and 4

각각 비교예 1 및 비교예 2에서 제조한 촉매를 사용하여,실시예 3에 따라서 셀룰로오스로부터 소르비톨을 전환 생산하였다.
Sorbitol was converted and produced from cellulose according to Example 3 using the catalysts prepared in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively.

표 1에 실시예 3과 비교예 3 및 비교예 4의 셀룰로오스 전환 반응 결과를 나타내었다.Table 1 shows the results of the cellulose conversion reaction of Example 3, Comparative Example 3 and Comparative Example 4.

Figure 112014001377535-pat00001
Figure 112014001377535-pat00001

셀룰로오스 전환 반응을 수행한 결과, 셀룰로오스의 전환율은 실시예 3이 비교예 3 및 4 보다 떨어지는 것으로 나타났으나, 소르비톨의 수율은 비교예 3보다는 약 21%, 비교예 4보다는 12% 높게 나타났다. 소르비톨의 이성질체인 만니톨의 수율 또한 실시예 3이 높게 나타났다. 마지막으로 소르비톨과 만니톨의 합인 헥시톨의 선택도가 비교예 3 및 4 보다 월등히 높은 것으로 나타났다. 이렇게 헥시톨의 선택도가 높게 나타나는 이유는 실시예 3에서 사용한 실시예 2의 촉매가 열린 기공 구조를 갖고 있어 반응물의 물질전달이 효과적으로 일어난 때문인 것으로 추정된다. As a result of conducting the cellulose conversion reaction, the conversion of cellulose was lower than that of Comparative Examples 3 and 4 in Example 3, but the yield of sorbitol was about 21% higher than Comparative Example 3 and 12% higher than Comparative Example 4. The yield of mannitol, which is an isomer of sorbitol, was also higher in Example 3. Finally, the selectivity of hexitol, which is the sum of sorbitol and mannitol, was significantly higher than that of Comparative Examples 3 and 4. The reason why the selectivity of hexitol is high is considered to be that the catalyst of Example 2 used in Example 3 had an open pore structure and mass transfer of the reactant effectively occurred.

이러한 추정을 확인하기 위하여 접근도 실험(accessibility test)을 실시하였다.An accessibility test was conducted to confirm these estimates.

<접근도 실험><Accessibility test>

접근도 실험은 셀룰로오스 전환 실험과 셀로바이오스 전환 실험 두 가지로 나누어서 진행하였다. The accessibility test was divided into cellulosic conversion test and cellobiose conversion test.

먼저, 결정 정도가 다른 네 가지의 셀룰로오스를 이용하여 셀룰로오스 전환실험을 비교예 1, 2와 실시예 2의 촉매를 사용하여 진행해 보았다. 셀룰로오스의 결정 정도(CI)는 볼밀 처리 시간을 달리하여 조절할 수 있었으며 각각의 셀룰로오스의 결정 정도는 도 7에 나타낸 바와 같이 X선 회절 분석을 통하여 확인하였다.First, cellulose conversion experiments were conducted using the catalysts of Comparative Examples 1 and 2 and Example 2 using four types of cellulose having different degrees of crystallinity. The degree of crystallinity (CI) of cellulose was controlled by varying the ball mill treatment time, and the degree of crystallinity of each cellulose was confirmed by X-ray diffraction analysis as shown in FIG.

네 가지 결정 정도가 다른 셀룰로오스로의 전환 실험을 실시한 결과를 도 8에 나타내었다. 이에 따르면, 비교예 2와 실시예 2의 촉매는 비슷한 수준의 활성 정도를 보였으나 비교예 1의 촉매는 높은 셀룰로오스 전환율을 보임을 확인할 수 있었다. 따라서 매우 큰 분자량을 갖는 셀룰로오스 전환의 경우에는 중형 기공 구조가 좋은 활성 효과를 보이지 못하는 것을 확인할 수 있었고, 따라서 촉매의 기공에서가 아니라 촉매 표면에서 셀룰로오스의 전환 반응이 일어나는 것으로 판단된다. 하지만 소르비톨의 수율의 경우 비교예 1의 촉매를 사용한 경우에 높은 셀룰로오스 전환율에도 불구하고 가장 낮은 값을 나타냈는데, 이는 셀룰로오스의 전환이 일어난 후에 생기는 중간 화합물의 경우에는 미세 기공 구조보다 중형 기공 구조가 물질 전달을 더 용이하도록 돕기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 8 shows the result of carrying out the conversion test of four crystals to other cellulose. According to the results, the catalysts of Comparative Example 2 and Example 2 exhibited a similar level of activity, but the catalyst of Comparative Example 1 showed high cellulose conversion. Therefore, it was confirmed that the mesopore structure of mesopores did not exhibit good activity in the case of cellulose conversion having a very high molecular weight. Therefore, it is considered that the conversion reaction of cellulose occurs on the catalyst surface, not in the pores of the catalyst. However, the yield of sorbitol was lowest in the case of using the catalyst of Comparative Example 1 in spite of a high cellulose conversion. This is because, in the case of the intermediate compound produced after the conversion of cellulose, the mesoporous structure This is because it helps to facilitate transmission.

이를 뒷받침 하기 위해 이당류인 셀로바이오스를 반응물로 사용하여 가수분해 반응을 진행해 보았다. 이때, 촉매 기공 구조에 따른 차이를 확인하기 위하여 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 촉매에서 백금은 담지하지 않고 카본 담체만을 촉매로 사용하여 가수분해 반응을 실시하고, 결과를 각각 실시예 4, 비교예 5 및 비교예 6으로 하여 도 9에 나타내었다.To support this, the hydrolysis reaction was carried out using the disaccharide cellobiose as a reactant. At this time, in order to confirm the difference according to the pore structure of the catalyst, in the catalyst of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, hydrolysis reaction was carried out using only a carbon carrier as a catalyst without carrying platinum, 4, Comparative Example 5 and Comparative Example 6 are shown in Fig.

그 결과 셀로바이오스의 전환율과 글루코오스 수율은 중형 기공 구조를 갖는 비교예 6과 실시예 4가 높은 값을 보였다. 이는 셀룰로오스가 전환되어 생기는 중간 화합물의 경우 중형 기공 구조를 갖는 촉매를 사용할 경우, 물질 전달에 있어서 미세 기공 구조보다 유리한 효과를 볼 수 있는 것을 의미한다. 즉, 분자량 및 분자의 크기가 매우 큰 물질인 셀룰로오스의 1차 전환은 촉매의 외부 표면에서 일어나고 이당류 등과 같이 물에 녹는 비교적 작은 크기를 갖는 중간체는 기공 내에서 활발한 반응을 일으켜 소르비톨과 같은 최종 화합물을 만드는 것을 입증하는 것이다. As a result, the conversion ratio of Celobiose and the yield of glucose were high in Comparative Example 6 and Example 4 having a mesoporous structure. This means that, in the case of an intermediate compound produced by the conversion of cellulose, when a catalyst having a mesoporous structure is used, an advantageous effect can be obtained over the microporous structure in mass transfer. That is, the first conversion of cellulose, which is a substance having a very large molecular weight and a large molecular size, takes place on the outer surface of the catalyst. Intermediates having a comparatively small size, such as disaccharides, dissolve in water and actively react in the pores to form final compounds such as sorbitol It is to prove to make.

앞서 설명한 대로, 셀룰로오스로부터 솔비톨을 생산하기 위해서는 가수분해 반응 및 수소화 반응이 순차적으로 진행되어야 한다. 따라서 셀룰로오스의 가수분해 반응을 위해 종래의 대부분의 촉매 공정에서는 산 처리가 된 탄소 촉매 또는 H+를 제공할 수 있는 산 촉매를 사용하고 있으나, 본 발명에 따른 실시예 2의 촉매는 추가적인 산 처리 및 산 촉매를 사용하지 않았음에도 높은 수율을 가져왔다. 이는 액상에서 수소분압하에서 백금촉매와 균일한 크기의 기공을 갖는 탄소 담체에서의 수소 스필오버 현상 때문인 것으로 판단된다. 수소 스필오버 현상은 백금 표면에 흡착된 수소분자가 수용액 상에서 H+, H-로 해리되어 탄소 담체로 이동하여 H+를 산 촉매로 이용할 수 있게 해 준다. 이를 확인하기 위하여 본 발명에 따른 촉매의 수소 흡탈착 실험 및 물의 전기분해 실험을 통해 스필오버 현상을 관찰하였다.As described above, in order to produce sorbitol from cellulose, the hydrolysis reaction and the hydrogenation reaction must proceed sequentially. Therefore, in most of the conventional catalytic processes for hydrolysis of cellulose, acid catalysts which are acid-treated or acid catalysts capable of providing H + are used, but the catalyst of Example 2 according to the present invention is subjected to additional acid treatment and acid High yield even though the catalyst was not used. This is probably due to the hydrogen spillover phenomenon of the platinum catalyst and the carbon carrier having the uniform size pores under the hydrogen partial pressure in the liquid phase. The hydrogen spillover phenomenon allows the hydrogen molecules adsorbed on the platinum surface to dissociate into H + and H- in the aqueous solution and move to the carbon carrier to use H + as an acid catalyst. In order to confirm this, a spillover phenomenon was observed through experiments of hydrogen desorption and electrolysis of water according to the present invention.

도 10을 살펴보면 실시예 2 촉매에서 가장 많은 양의 수소가 흡착된 것을 확인할 수 있다. 수소의 흡착량을 정량분석한 결과, 실시예 2 촉매의 경우 0.342 mmol/g, 비교예 1 및 2 촉매의 경우 각각 0.275, 0.257 mmol/g 의 수소가 흡착된 것을 확인하였다. 이는 3차원적으로 열린 기공 구조의 탄소 담체에서 백금의 분산도가 가장 높기 때문인 것으로 생각되며, 균일한 크기의 기공 구조 및 표면의 풍부한 기능기의 탄소 담체의 영향 때문인 것으로 판단된다. 도 11을 살펴보면, 실시예 4 의 탄소 담체에서 가장 많은 양의 기능기가 결합되어 있음을 알 수 있다. 이는 탄소 담체의 제조에 사용한 탄소 전구체의 영향 때문으로, 페놀-알데히드 수지를 사용하여 페놀 분자의 OH가 탄소 담체의 기능기 제조에 큰 영향을 미치기 때문이다. 이로 인해 백금 촉매를 담지하였을 때 많은 양의 수소가 스필오버 현상을 보이는데 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다.10, it can be seen that the greatest amount of hydrogen was adsorbed in the catalyst of Example 2. As a result of quantitative analysis of the adsorption amount of hydrogen, it was confirmed that 0.342 mmol / g of hydrogen of Example 2 was adsorbed, and 0.275 and 0.257 mmol / g of adsorbed hydrogen of Comparative Examples 1 and 2, respectively. It is believed that this is due to the highest degree of dispersion of platinum in the three-dimensionally open pore structure of the carbon carrier, which is attributed to the uniform size pore structure and the effect of the carbon carrier on the surface rich functional group. Referring to FIG. 11, it can be seen that the largest amount of functional groups are bonded in the carbon support of Example 4. This is due to the influence of the carbon precursor used in the preparation of the carbon support, because the OH of the phenol molecule greatly influences the functional group production of the carbon support by using the phenol-aldehyde resin. Therefore, it is considered that a large amount of hydrogen has a positive effect on the spillover phenomenon when the platinum catalyst is supported.

또한 도 12에는 물의 전기분해를 통한 각 촉매의 CV 측정 결과를 나타내었다. 수소 스필 오버 현상은 수소기체의 흡탈착에 의해서 일어날 수 있고, 또한 물의 스플리팅 효과에 의해서도 발생할 수 있다고 보고되어 있다. 이는 전기분해를 통해서 같은 전기화학 메커니즘으로 확인할 수 있는바, 실시예 2, 비교예 1 및 2의 촉매의 물의 전기분해 반응에서의 CV를 측정하였다. 도 12에 따르면, 실시예 2 촉매가 물에 의한 스필오버 현상 또한 가장 우수한 것으로 나타났다. 12 shows the CV measurement results of each catalyst through electrolysis of water. It is reported that the hydrogen spillover phenomenon can be caused by adsorption / desorption of hydrogen gas and also by the splitting effect of water. CV was measured in the electrolysis reaction of water of the catalyst of Example 2, Comparative Examples 1 and 2 as it can be confirmed by the same electrochemical mechanism through electrolysis. According to Fig. 12, the sponge phenomenon by the water of the catalyst of Example 2 was also the best.

한편, 본 발명에 따른 실시예 2의 촉매를 목분을 반응물로 사용하여 직접 당류 알코올로 전환하는 가수분해-수소화로 이어지는 2단계 반응에 적용해 보았다. 그 결과 하기 표 2에서 볼 수 있듯이, 볼밀 처리를 한 목분의 경우 약 62%의 전환율 및 31%의 수율을 나타냈으며, 처리하지 않은 목분의 경우 53%의 전환율 및 23%의 당류 알코올(소르비톨, 만니톨 외에 소량의 부산물로서 아라비톨)의 수율을 나타내었다. 이는 지금까지 보고된 촉매 중에서 가장 우수한 활성을 보이는 결과로, 본 발명에 따른 열린 기공 구조를 가지는 탄소 담체에 금속이 분산된 금속 담지 촉매의 우수성을 입증하는 것으로 볼 수 있다. Meanwhile, the catalyst of Example 2 according to the present invention was applied to a two-step reaction, which is a hydrolysis-hydrogenation reaction using wood powder as a reactant and directly converting it into a saccharide alcohol. As shown in Table 2, the ball milled wood meal showed a conversion rate of about 62% and a yield of 31%, while the untreated wood meal showed a conversion rate of 53% and a sugar alcohol content of 23% (sorbitol, Mannitol as well as arabinitol as a minor byproduct). This shows that the catalyst exhibits the most excellent activity among the catalysts reported so far and thus proves the superiority of the metal supported catalyst in which the metal is dispersed in the carbon carrier having the open pore structure according to the present invention.

Figure 112014001377535-pat00002
Figure 112014001377535-pat00002

Claims (16)

탄소 나노 물질로 이루어진 구형 탄소 담체; 및
상기 탄소 담체에 분산된 금속을 포함하는 금속 담지 탄소 촉매로서,
상기 구형 탄소 담체는 담체 입자의 중심으로부터 바깥쪽으로 갈수록 기공의 크기가 커지는 열린 기공 구조를 가지는 민들레씨 또는 보라성게붙이 모양인 것을 특징으로 하는 금속 담지 촉매.
A spherical carbon carrier made of a carbon nanomaterial; And
A metal-supported carbon catalyst comprising a metal dispersed in the carbon support,
Wherein the spherical carbon carrier is a dandelion seed having an open pore structure in which the size of the pore increases from the center of the carrier particle to the outer side thereof, or a shape of the sea urchin.
제1항에 있어서,
상기 금속은 Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni 및 Ir으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the metal is at least one selected from the group consisting of Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni and Ir.
제2항에 있어서,
상기 금속은 촉매 전체 중량에 대하여 0.1~10중량%으로 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매.
3. The method of claim 2,
Wherein the metal is present in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst.
열린 기공 구조를 가지는 실리카 구(DSS)를 페놀-포름알데히드 수지 용액에 담지하는 단계;
상기 용액에 담지된 실리카 구를 원심분리하는 단계;
상기 원심분리를 거친 실리카 구로부터 여분의 수지를 제거하고 건조하는 단계;
상기 건조된 실리카 구를 에이징시킨 후 탄화시키는 단계; 및
상기 탄화된 실리카 구를 에칭, 여과 및 건조하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 탄소 담체의 제조방법.
Supporting a silica spheres (DSS) having an open pore structure in a phenol-formaldehyde resin solution;
Centrifuging the silica spheres supported on the solution;
Removing excess resin from the silica spheres through centrifugation and drying;
Aging the dried silica spheres and carbonizing them; And
The method of producing a carbon carrier according to any one of claims 1 to 3, comprising the step of etching, filtering and drying the carbonized silica spheres.
제4항에 있어서,
상기 에이징은 80~110℃에서 20~25시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소 담체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the aging is carried out at 80 to 110 DEG C for 20 to 25 hours.
제4항에 있어서,
상기 탄화는 질소 분위기하, 800~900℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소 담체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the carbonization is carried out in a nitrogen atmosphere at a temperature of 800 to 900 占 폚.
제4항에 있어서,
상기 에칭은 24~30시간 동안 불화수소 또는 수산화나트륨을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소 담체의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the etching is performed using hydrogen fluoride or sodium hydroxide for 24 to 30 hours.
열린 기공 구조를 가지는 구형의 탄소 나노 물질을 함유하는 용액에 금속전구체 용액을 혼합하는 단계;
상기 혼합용액의 pH를 알칼리성으로 조절하는 단계;
상기 금속전구체 용액에 포함된 금속 이온을 환원시키는 단계; 및
여과 및 세정하여 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 촉매를 제조하는 방법.
Mixing a metal precursor solution in a solution containing a spherical carbon nano material having an open pore structure;
Adjusting the pH of the mixed solution to be alkaline;
Reducing the metal ions contained in the metal precursor solution; And
A process for producing a catalyst according to any one of claims 1 to 3, by filtration and washing.
제8항에 있어서,
상기 금속전구체 용액에 포함된 금속은 Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni 및 Ir으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the metal contained in the metal precursor solution is at least one selected from the group consisting of Ru, Pt, Pd, Rh, Al, Mg, Fe, Co, Cu, Ni and Ir.
제8항에 있어서,
상기 금속전구체는 백금전구체로, PtH2Cl6·H2O인 것을 특징으로 하는 방법.
9. The method of claim 8,
The method of the metal precursor with the platinum precursor, characterized in that the PtH 2 Cl 6 · H 2 O .
제8항에 있어서,
상기 알칼리성으로 조절하는 단계는 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액을 첨가하는 것인 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein said alkaline regulating step comprises adding a sodium hydroxide or ammonium hydroxide solution.
제8항에 있어서,
상기 환원시키는 단계는 수소화 붕소 나트륨 또는 에틸렌글리콜을 첨가하는 것인 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the reducing step is adding sodium borohydride or ethylene glycol.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 촉매의 존재 하에 셀룰로오스를 가수분해 및 수소화시키는 단계를 포함하는 소르비톨의 생산 방법.
A process for the production of sorbitol comprising hydrolyzing and hydrogenating cellulose in the presence of a catalyst according to any one of claims 1 to 3.
제13항에 있어서,
상기 가수분해 및 수소화시키는 단계는 10-100bar의 수소 압력하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 소르비톨의 생산 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the step of hydrolyzing and hydrogenating is carried out under hydrogen pressure of 10-100 bar.
제13항에 있어서,
상기 가수분해 및 수소화시키는 단계는 150~200℃에서 진행되는 것을 특징으로 하는 소르비톨의 생산 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the step of hydrolyzing and hydrogenating is carried out at a temperature of 150 to 200 ° C.
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