KR101589140B1 - Ordered mesoporous-silica based catalysts for the production of 1,3-butadiene and production method of 1,3-butadiene using thereof - Google Patents

Ordered mesoporous-silica based catalysts for the production of 1,3-butadiene and production method of 1,3-butadiene using thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속 화합물이 담지된 1,3-부타디엔 제조용 촉매 및 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명의 촉매는 상기 실리카의 종류와 특성을 최적화하고 전이금속산화물의 종류와 함량을 특정함으로써 선택도를 향상시킬 수 있고, 높은 표면적에 의한 고분산 활성점에 의해 1,3-부타디엔의 합성 수율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 규칙적인 메조 세공구조를 가지므로 반응물과 생성물의 확산과 물질전달이 용이하고, 편중되지 않아 활성점 전체가 골고루 균일하게 반응에 참여할 수 있으므로 미세세공과 메조세공이 함께 존재하는 기존의 실리카 촉매보다 활성저하 현상이 억제되어 촉매 수명이 기존 실리카계 촉매에 비하여 월등히 향상되므로, 재생주기가 길어져 공정 운전 효율을 높일 수 있는 효과가 있으므로, 1,3-부타디엔의 제조에 유용하게 사용될 수 있다. The present invention relates to a catalyst for producing 1,3-butadiene having a transition metal compound supported on regular mesoporous silica and a process for producing 1,3-butadiene using the same. More specifically, The selectivity can be improved by specifying the kind and content of the transition metal oxide and the synthesis yield of 1,3-butadiene can be increased by the high dispersion activity point due to the high surface area, Since it has a pore structure, diffusion and mass transfer of reactants and products are easy, and since the active sites can be uniformly participated in the reaction uniformly without being biased, deactivation phenomenon is observed compared to existing silica catalysts in which fine pores and mesopores coexist The catalyst life is remarkably improved as compared with the conventional silica-based catalyst, so that the regeneration cycle becomes longer, It is possible to improve, it can be usefully employed in the preparation of 1,3-butadiene.

Description

에탄올로부터 1,3-부타디엔 제조를 위한 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매 및 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법{Ordered mesoporous-silica based catalysts for the production of 1,3-butadiene and production method of 1,3-butadiene using thereof}[0001] The present invention relates to a mesoporous silica-based catalyst for preparing 1,3-butadiene from ethanol, and to a process for producing 1,3-butadiene using the meso-porous silica catalyst, 3-butadiene using < RTI ID =

본 발명은 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속 화합물이 담지된 1,3-부타디엔 제조용 촉매 및 이를 이용한 1,3-부타디엔의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a catalyst for preparing 1,3-butadiene having a transition metal compound supported on regular mesoporous silica and a process for producing 1,3-butadiene using the same.

최근 들어 고유가 및 석유자원의 고갈이 심화됨에 따라 바이오매스를 이용한 재생 가능한 에너지 자원을 개발하려는 많은 연구들이 이루어지고 있는데, 바이오매스는 그 라이프사이클 중에 온실가스인 이산화탄소를 자체 소모하기 때문에 지구 온난화에 영향을 미치는 이산화탄소의 총 발생량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 특히, 석유대체자원으로부터 대량으로 손쉽게 얻을 수 있는 에탄올을 기반으로 한 고부가 기초화학제품을 제조기술은 석유일변도의 시대에서 원료다원화의 시대로 전환할 수 있는 석유화학 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 혁신적인 기술의 개발로 주목받고 있는데, 그 대표적인 한 예로 주목받고 있는 물질이 1,3-부타디엔이다.
Recently, there have been many studies to develop renewable energy resources using biomass as the high oil prices and depletion of petroleum resources are intensifying. Biomass consumes carbon dioxide, which is a greenhouse gas during its lifecycle, And the total amount of carbon dioxide generated by the fuel cell is reduced. In particular, the technology to manufacture high value-added basic chemicals based on ethanol, which can be easily obtained in large quantities from alternative petroleum resources, is an innovative technology that can change the paradigm of the petrochemical industry, , And a representative example thereof is 1,3-butadiene.

1,3-부타디엔은 합성고무의 주된 원료로서 1, 2차 세계대전 때 급격한 수요의 증가를 보여 왔으며, 그 이후로도 현재까지 꾸준한 수요 증가를 보여 왔다. 통상 1,3-부타디엔은 납사열분해 공정에서 에틸렌과 프로필렌을 제조하는 과정에서 부산물로 값싸게 얻어지고 있다(비특허문헌 1). 그런데, 최근 고유가 상황으로 인해서 1,3-부타디엔의 주원료인 납사의 가격이 상승하고 있으며, 이에 따라 1,3-부타디엔의 가격이 동반하여 급격히 상승되고 있는데, 이는 합성고무 생산에 있어 가장 큰 부담이 되고 있다.
1,3-butadiene has been a major source of synthetic rubber and has seen rapid increases in demand during World War I, and since then has seen steady demand growth. Generally, 1,3-butadiene is inexpensively obtained as a by-product in the process of producing ethylene and propylene in a naphtha cracking process (Non-Patent Document 1). However, due to recent high oil prices, the price of naphtha, which is the main raw material of 1,3-butadiene, has risen, and thus the price of 1,3-butadiene has risen sharply, .

특히, 최근 중국의 급속한 경제 성장에 따라 합성고무에 대한 수요가 동반적으로 급격히 증가하면서 아시아 시장의 경우 1,3-부타디엔 공급이 매우 부족한 상황이다. 따라서 아시아 지역에서의 1,3-부타디엔의 가격 상승은 다른 지역보다 높으며, 이에 따른 합성고무의 원가 상승에 대한 부담이 더욱 가중되고 있는 상황이므로 1,3-부타디엔의 공급을 높이기 위한 1,3-부타디엔 생산 공장의 증설과 1,3-부타디엔 생산원가 절감을 위한 생산 공정 개발이 크게 요구되고 있다.
In particular, demand for synthetic rubber has risen sharply in recent years due to rapid economic growth in China, and the supply of 1,3-butadiene in the Asian market is very poor. As a result, the price of 1,3-butadiene in Asia is higher than other regions, and the burden of increasing the cost of synthetic rubber is increasing. Therefore, 1,3- There is a great demand for the expansion of the butadiene production plant and the development of the production process for 1,3-butadiene production cost reduction.

1,3-부타디엔의 합성은 다양한 방법으로 가능하며, 최초의 합성은 1910년 러시아의 Lebedev에 의해서 에탄올로부터 이루어졌으며, 이후 에탄올 가격의 상승으로 부텐, 부탄 그리고 납사 등으로부터 생산되어 왔다. 1944년 기준 1,3-부타디엔의 원료로는 부텐이 38%, 에탄올이 35%, 부탄이 11.4%, 납사가 15.1%를 차지하였으나, 현재는 에탄올로부터는 생산되지 않으며, 95% 이상이 납사의 분해 공정으로부터 생산되고 있으며, 부탄과 부텐의 탈수소화 공정을 통하여 일부가 생산되고 있다. 그러나 최근의 고유가 상황에 따른 납사 가격의 급격한 상승으로 기존의 납사 분해 공정보다는 유사 석유부분인 부탄이나 부텐의 탈수소화 공정을 통한 1,3-부타디엔 생산 공정의 증가가 예상된다.
The synthesis of 1,3-butadiene is possible in a variety of ways. The first synthesis was made from ethanol by Lebedev of Russia in 1910, and then produced from butene, butane and naphthene with rising ethanol prices. As of 1944, butenes accounted for 38%, 35% for ethanol, 11.4% for butane, and 15.1% for naphtha as raw materials for 1,3-butadiene, but are currently not produced from ethanol and over 95% It is produced from the decomposition process and part of it is produced through the dehydrogenation process of butane and butene. However, due to the recent rapid rise in naphtha prices due to high oil prices, the 1,3-butadiene production process is expected to increase through the dehydration process of butane and butene, which are similar petroleum products, rather than the existing naphtha cracking process.

종래, 특허문헌 1 - 5에는 부탄이나 부텐 혹은 이들의 혼합물인 C4 혼합물로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 또한 납사크래킹에서 얻어지는 석유유분을 사용해야 하기 때문에 수급상 어려움은 유사한 실정으로 석유대체 원료인 에탄올로부터 직접 부타디엔을 합성할 수 있는 기술은 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안이 될 수 있어 주목받고 있는 기술임에 틀림었다.
Conventionally, Patent Document 1 - 5 discloses a method for producing 1,3-butadiene from C 4 mixture of butane or butene or a mixture thereof. However, since it is also necessary to use petroleum oil obtained from naphtha cracking, difficulties in supply and demand are similar. As a result, technology for directly synthesizing butadiene from ethanol, which is a substitute for petroleum, can be an alternative solution to such a problem. I was wrong.

에탄올로부터의 1,3-부타디엔을 생산하는 공정의 경우 석탄이나 바이오매스 등과 같은 석유대체 원료로부터 경제적으로 에탄올을 합성하는 다양한 방법이 연구됨으로서 관심이 지속적으로 커지고 있다. 특히 바이오 에탄올의 경우 기존 에탄올 합성공정 대비 가격이 매우 낮아 바이오 에탄올을 이용한 1,3-부타디엔 제조 공정이 앞으로 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 예상된다. 또한 석탄의 매장량이 풍부한 중국 등에서 석탄을 이용하여 합성가스를 생산하고 화학적인 전환과정을 거침으로써 경쟁력 있는 에탄올로 생산하기 위한 생산 공정에 대한 많은 연구가 진행 중에 있다. 상기 경쟁력 있는 에탄올의 합성 공정에 의해 이로부터 1,3-부타디엔을 제조 공정 역시 경쟁력이 강화될 것으로 예상되므로 에탄올로부터 1,3-부타디엔을 제조 공정에 대한 연구는 매우 중요할 것으로 판단된다.
In the process of producing 1,3-butadiene from ethanol, various methods for economically synthesizing ethanol from petroleum substitute raw materials such as coal and biomass have been studied, and interest is continuously increasing. In particular, the price of bioethanol is very low compared to the conventional ethanol synthesis process, so it is expected that the production process of 1,3-butadiene using bioethanol will be competitive in the future. In addition, a lot of research is underway on the production process for production of competitive ethanol by producing synthetic gas using chemical coal and chemical conversion process in China, where coal reserves are abundant. The production process of 1,3-butadiene by the above-mentioned step of synthesizing the competitive ethanol is expected to further enhance the competitiveness of the process. Therefore, it is considered that the process for preparing 1,3-butadiene from ethanol is very important.

에탄올로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 기술은 크게, 에탄올로부터 부타디엔을 직접 제조하는 공정 (One-step process, Lebedev process)과 에탄올에 아세트알데히드를 적절히 혼합한 형태로 축합반응를 실시하는 공정 (Two-step process, American process)으로 구분된다. 전체적인 반응식은 아래 식 (1)과 식(2)에서 알수 있듯이 탈수소 반응과 탈수반응의 단계를 거치는 반응인데, 전자는 탈수소 및 탈수반응을 한 반응기에서 동시에 실시하는 방식으로 부타디엔을 제조하는 방법이며, 아세트알데하이드를 별도로 제조하여 에탄올과 적절항 비율로 혼합된 원료를 사용한 공정으로 구성되어 있다.
The technology for producing 1,3-butadiene from ethanol is largely divided into a one-step process (Lebedev process) for directly producing butadiene from ethanol and a two-step process (a two-step process) in which ethanol is appropriately mixed with acetaldehyde. step process, American process). The overall reaction formula is a reaction through dehydrogenation and dehydration reaction as shown in the following equations (1) and (2). The former is a method for producing butadiene by a simultaneous dehydrogenation and dehydration in a reactor, Acetaldehyde is separately prepared and mixed with ethanol at a proper ratio.

C2H6OH → CH3CHO + H2 (1) C 2 H 6 OH -> CH 3 CHO + H 2 (1)

CH3CH2OH + CH3CHO → CH2=CH-CH=CH2 + 2 H2O (2)
CH 3 CH 2 OH + CH 3 CHO CH 2 = CH-CH = CH 2 + 2 H 2 O (2)

즉, 전자의 에탄올로부터 부타디엔을 직접제조하는 방법은 공정측면에서는 간단하나 수율이 매우 낮으며 주로 촉매로 MgO-SiO2와 ZnO-Al2O3 계를 사용하고 있다. 반면에 후자는 우선 아세트알데히드를 Cu-CrO3계등 탈수소에 적합한 촉매를 사용하여 제조해야 하기 때문에 공정은 복잡하나 1,3-부타디엔의 수율이 높은 장점이 있다.
That is, the method of directly producing butadiene from the former ethanol is simple in view of the process but the yield is very low, and MgO-SiO 2 and ZnO-Al 2 O 3 systems are mainly used as catalysts. On the other hand, the latter requires the production of acetaldehyde using a catalyst suitable for dehydrogenation of Cu-CrO 3, so that the process is complicated, but the yield of 1,3-butadiene is high.

에탄올 및 아세트알데히드로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 대표적인 촉매인 탄탈륨산화물, 지르코늄산화물 등의 전이금속산화물이 담지된 실리카계 촉매로, 특히 탄탈륨산화물가 담지된 실리카계 촉매는 과거 1940년대 개발되어 상업적으로 적용되었으나 1,3-부타디엔 선택도가 64% 정도로 제한된 1,3-부타디엔 선택성을 극복하지 못하고, 촉매의 재생주기가 4 ~ 5일 정도로 활성의 저하가 매우 빨라 공정의 효율성을 크게 떨어뜨린다는 문제점이 있었으며, 결국 1950년대 이후 상업적 경쟁력을 잃어 상업 공정이 사라지게 되었다.
Silica-based catalysts on which transition metal oxides such as tantalum oxide and zirconium oxide are supported, which are typical catalysts for producing 1,3-butadiene from ethanol and acetaldehyde, and particularly silica-based catalysts on which tantalum oxide is supported have been developed in the 1940s, However, the 1,3-butadiene selectivity limited to about 64% is not overcome, and the catalyst activity regeneration cycle is about 4 to 5 days. , And after the 1950 's commercial competitiveness has been lost and commercial processes have disappeared.

따라서, 최근에 실리카 제조 기술이 다양해지고 다양한 특성을 가진 실리카가 개발되어 왔으므로 실리카 특성의 최적화를 통한 촉매 수명 및 1,3-부타디엔 선택성 개선이 추가로 이루어진다면 향후 고유가 상황에 대응할 수 있는 경쟁력 있는 에탄올로부터 1,3-부타디엔 제조 공정 개발이 가능할 것으로 판단된다.
Therefore, silica has been recently developed and silica having various properties has been developed. Therefore, if addition of catalyst life and 1,3-butadiene selectivity is further improved through optimization of silica characteristics, It would be possible to develop 1,3-butadiene manufacturing process from ethanol.

종래, 특허문헌 6에는 나노실라카에 전이금속산화물이 담진된 촉매가 개시되어 있다. 그러나 상기 나노실리카계 촉매는 높은 선택도 및 기존의 실리카겔 담체를 사용하였을 때보다 촉매 수명이 개선되었으나, 미세세공에 의한 카본 침적으로 에 의한 촉매 비활성화로 인해 재생주기가 매우 짧아 공정 효율이 짧아지는 문제점이 있다.
Conventionally, Patent Document 6 discloses a catalyst in which a transition metal oxide is deposited on a nanosilica. However, since the nanosilica-based catalyst has a high selectivity and improved catalyst life than that of the conventional silica gel carrier, the catalyst is inactivated due to carbon deposition by micropore, .

따라서, 상기 카본 침적에 의한 촉매 비활성화 개선하여 촉매를 수명을 개선하여 촉매 재생주기를 늘려 공정 효율을 크게 높일 수 있는 촉매의 개발이 필요하다.
Therefore, there is a need to develop a catalyst capable of improving the catalyst inactivation by the carbon deposition to improve the lifetime of the catalyst, thereby increasing the catalyst regeneration cycle and greatly increasing the process efficiency.

이에 본 발명자들은 선택도 및 수율이 우수하고 세공 막힘에 의한 활성 저하를 줄일 수 있는 촉매에 대해 관심을 가지고 연구를 진행하던 중, 규칙적인 메조세 실리카에 전이금속 산화물이 담지된 촉매가 높은 표면적에 의한 고분산 활성점에 의해 1,3-부타디엔의 수율이 증가되고, 규칙적인 메조 세공구조를 가지므로 반응물과 생성물의 확산과 물질전달이 용이할 뿐만 아니라 편중되지 않아 활성점 전체가 골고루 균일하게 반응에 참여할 수 있으므로 미세세공과 메조세공이 함께 존재하는 기존의 실리카 촉매보다 활성저하 현상이 억제되어 촉매의 수명이 기존 실리카계 촉매에 비하여 월등히 향상되는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have been interested in a catalyst having excellent selectivity and yield and capable of reducing the activity degradation due to pore clogging, and have found that a catalyst having transition metal oxide on regular mesosilica has a high surface area The yield of 1,3-butadiene is increased by the high dispersing activity point and the regular mesoporous structure is formed. Therefore, diffusion and mass transfer of reactants and products are easy and not biased, , It is confirmed that the catalytic lifetime is significantly improved as compared with the conventional silica catalyst, since the activity is lowered than that of the conventional silica catalyst in which fine pores and mesopores coexist.

특허문헌 1: 대한민국 특허 공개 제2012-0009687호Patent Document 1: Korean Patent Publication No. 2012-0009687 특허문헌 2: 대한민국 특허 공개 제2011-0130130호Patent Document 2: Korean Patent Publication No. 2011-0130130 특허문헌 3: 대한민국 특허 공개 제2011-0106181호Patent Document 3: Korean Patent Publication No. 2011-0106181 특허문헌 4: 대한민국 특허 공개 제2010-0042935호Patent Document 4: Korean Patent Publication No. 2010-0042935 특허문헌 5: 대한민국 특허 공개 제2009-0103424호Patent Document 5: Korean Patent Publication No. 2009-0103424 특허문헌 6: 대한민국 등록 특허 제1152768호Patent Document 6: Korean Patent No. 1152768

비특허문헌 1: Chemico-Biological Interaction 166 (2007) Non-Patent Document 1: Chemico-Biological Interaction 166 (2007)

본 발명의 목적은 선택도, 합성 수율 및 촉매 수명이 향상된 1,3-부타디엔 제조용 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a catalyst for the production of 1,3-butadiene with improved selectivity, synthesis yield and catalyst life, and a process for producing the catalyst.

또한, 본 발명의 목적은 상기 1,3-부타디엔 제조용 촉매를 이용하여 에탄올 또는 에탄올과 아세트알데히드의 혼합물로부터 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
Also, an object of the present invention is to provide a process for producing 1,3-butadiene from ethanol or a mixture of ethanol and acetaldehyde using the catalyst for 1,3-butadiene production.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object,

규칙적인 메조세공 실리카(Ordered Mesoporous Silica, OMS)에 전이금속 산화물이 담지된 1,3-부타디엔 제조용 촉매를 제공한다.
A catalyst for producing 1,3-butadiene having a transition metal oxide supported on ordered mesoporous silica (OMS) is provided.

또한, 본 발명은In addition,

규칙적인 메조세공 실리카를 준비하는 단계(단계 1); Preparing a regular mesoporous silica (step 1);

단계 1의 상기 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속 산화물을 함침시키는 단계(단계 2);를 포함하는 상기 1,3-부타디엔 제조용 촉매 제조방법을 제공한다.
Impregnating the regular mesoporous silica of step 1 with the transition metal oxide (step 2).

나아가, 본 발명은 Further,

촉매를 이용하여 에탄올 또는 에탄올과 아세트알데히드의 혼합물을 반응시키는 단계를 포함하는 1,3-부타디엔 제조방법에 있어서, 상기 촉매는 본 발명의 상기 1,3-부타디엔 제조용 촉매인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조방법을 제공한다.
A method for producing 1,3-butadiene, which comprises reacting ethanol or a mixture of ethanol and acetaldehyde using a catalyst, wherein the catalyst is the 1,3-butadiene catalyst of the present invention, 3-butadiene.

본 발명에 따른 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속 산화물을 담지한 1,3-부타디엔 제조용 촉매는 상기 실리카의 종류와 특성을 최적화하고 전이금속산화물의 종류와 함량을 특정함으로써 선택도를 향상시킬 수 있고, 높은 표면적에 의한 고분산 활성점에 의해 1,3-부타디엔의 합성 수율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 규칙적인 메조 세공구조를 가지므로 반응물과 생성물의 확산과 물질전달이 용이하고, 편중되지 않아 활성점 전체가 골고루 균일하게 반응에 참여할 수 있으므로 미세세공과 메조세공이 함께 존재하는 기존의 실리카 촉매보다 활성저하 현상이 억제되어 촉매 수명이 기존 실리카계 촉매에 비하여 월등히 향상되므로, 재생주기가 길어져 공정 운전 효율을 높일 수 있는 효과가 있으므로, 1,3-부타디엔의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
The catalyst for preparing 1,3-butadiene carrying the transition metal oxide on the regular mesoporous silica according to the present invention can improve the selectivity by optimizing the kind and characteristics of the silica and specifying the kind and content of the transition metal oxide , The high synthesis rate of 1,3-butadiene due to the high surface area can be increased, and the regular mesoporous structure can facilitate diffusion and mass transfer of reactants and products, Since all the active sites can participate in the uniform reaction uniformly, the catalyst activity is significantly lowered than that of the existing silica catalysts in which micropores and mesopores coexist, so that the catalyst lifetime is significantly improved compared to the silica catalysts. Since the effect of increasing the operation efficiency can be obtained, it can be usefully used in the production of 1,3-butadiene .

도 1은 본 발명의 실시예 1 ∼ 10의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매 및 비교예 1 ∼ 3의 종래 일반적인 실리카계 촉매의 세공 크기 분포를 나타낸 그래프이다.1 is a graph showing pore size distributions of regular mesoporous silica-based catalysts of Examples 1 to 10 of the present invention and conventional silica-based catalysts of Comparative Examples 1 to 3.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 규칙적인 메조세공 실리카(Ordered Mesoporous Silica, OMS)에 전이금속 산화물이 담지된 1,3-부타디엔 제조용 촉매를 제공한다.
The present invention provides a catalyst for the production of 1,3-butadiene carrying a transition metal oxide on ordered mesoporous silica (OMS).

구체적으로, 본 발명에 따른 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 촉매에서 담체 역할을 한다. 메조세공 실리카는 높은 표면적을 가질 뿐만 아니라 조형화된 메조세공들을 가지고 있어 1,3-부타디엔의 수율 증가를 가져올 뿐만 아니라, 반응물과 생성물의 이동이 자유로울 정도의 크고 균일한 메조다공성 세공에서 반응이 일어나므로 입자 내 불규칙으로 분포되어있는 미세세공과 넓은 분포의 불규칙적인 메조세공을 가지는 다른 담체에 비해 촉매의 미세세공 막힘으로 인한 활성저하를 줄이고 활성점들의 반응참여 효율을 크게 높일 수 있다는 장점이 있다.
In particular, the regular mesoporous silica according to the present invention serves as a carrier in the catalyst. Mesoporous silica not only has a high surface area but also has shaped mesopores, which leads to an increase in the yield of 1,3-butadiene, but also to a reaction in large, homogeneous mesoporous pores that are free of reaction and product migration It is advantageous in that the activity drop due to the micropore clogging of the catalyst can be reduced and the reaction participation efficiency of the active sites can be greatly increased compared with other carriers having irregularly distributed mesopores and wide irregular mesopores.

또한, 본 발명에 따른 상기 규칙적인 메조세공 실리카의 경우 표면적이 입자 내의 미세세공에 분포하는 것이 아니라, 메조세공 실리카 입자의 표면에 분포하는 것으로 반응물과 생성물의 확산 및 물질전달이 빨라져 촉매의 성능과 활성저하가 크게 개선된다. 규칙적인 메조세공 실리카 담체의 표면적과 세공크기는 합성 방법에 조절할 수 있으나 서로 선형적인 관계가 아니므로 규칙적인 메조세공 실리카의 종류별로 최적의 표면적과 세공구조가 존재한다.
In addition, the regular mesoporous silica according to the present invention is not distributed in the fine pores in the particles but distributed on the surface of the mesoporous silica particles, and diffusion and mass transfer of the reactants and products are accelerated, The decrease in activity is greatly improved. The surface area and the pore size of the regular mesoporous silica carrier can be controlled by the synthesis method, but they are not linearly related to each other, so there is an optimum surface area and pore structure for each type of regular mesoporous silica.

본 발명에 따른 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는 KIT(Korea Advanced Institute of Science and Technology), MMS(Mesoporous Molecular Sieve), MCM(Mobil Composition of Matter), SBA(Santa Barbara) 또는 TUD(Technische Universiteit Delft) 시리즈를 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
The regular mesoporous silica according to the present invention may be one that is commonly used in the art, preferably a KIT (Korea Advanced Institute of Science and Technology), a Mesoporous Molecular Sieve (MMS), a Mobile Composition of Matter ), SBA (Santa Barbara), or TUD (Technische Universiteit Delft) series.

나아가, 본 발명에 따른 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 세공 평균 크기가 1 ∼ 50 nm 인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 세공 평균 크기가 2 ∼ 10 nm인 것을 사용하는 것이 좋다. 가장 바람직하게는 세공의 크기가 3 ∼ 8 nm 인 것을 사용하는 것이 좋다. 실리카의 세공 평균 크기가 1 nm 미만인 경우 반응 시 촉매의 구조적 안정성이 떨어지고, 미세세공의 영역으로 반응 활성이 빨리 떨어질 뿐만 아니라 불균일계 촉매 공정에서 취급하기 힘들다는 문제점이 있으며, 실리카의 세공 평균 크기가 50 nm 초과인 경우 표면적이 작아지기 때문에 촉매의 활성이 떨어진다는 문제점이 있다.
Furthermore, the regular mesoporous silica according to the present invention preferably has an average pore size of 1 to 50 nm, more preferably an average pore size of 2 to 10 nm. Most preferably, the pore size is in the range of 3 to 8 nm. When the mean pore size of the silica is less than 1 nm, the structural stability of the catalyst decreases, the reaction activity decreases rapidly in the region of the fine pores, and it is difficult to handle in the heterogeneous catalyst process. If it exceeds 50 nm, there is a problem that the surface area becomes small and the activity of the catalyst is deteriorated.

또한, 본 발명에 따른 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 표면적이 100 ∼ 1500 m2/g 인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200 ∼ 1000 m2/g 인 것을 사용하는 것이 좋다. 가장 바람직하게는 550 ∼ 1000 m2/g 인 것을 사용하는 것이 좋다. 상기 실리카의 표면적이 100 m2/g 미만인 경우에는 촉매의 분산도가 떨어져 촉매 활성이 낮아진다는 문제점이 있으며, 1500 m2/g 초과인 경우 촉매 자체의 구조적인 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
The regular mesoporous silica according to the present invention preferably has a surface area of 100 to 1500 m 2 / g, more preferably 200 to 1000 m 2 / g. And most preferably from 550 to 1000 m 2 / g. When the surface area of the silica is less than 100 m 2 / g, there is a disadvantage in that the dispersibility of the catalyst is decreased and the catalytic activity is lowered. When the surface area is more than 1500 m 2 / g, the structural stability of the catalyst itself is poor.

더욱 상세하게는, 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 세공의 크기가 3 ∼ 8 nm 이고, 표면적이 550 ∼ 1000 m2/g 인 범위에서 하기와 같은 범위로 사용될 수 있다. 구체적으로, 세공의 크기가 3 nm 이상 5 nm 이하인 범위에서는, 표면적이 780 m2/g 이상 1000 m2/g 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 세공의 크기가 5 nm 초과 8 nm 이하인 범위에서는, 표면적이 550 m2/g 이상 780 m2/g 미만인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
More specifically, the regular mesoporous silica may have a pore size of 3 to 8 nm and a surface area of 550 to 1000 m 2 / g in the following range. Specifically, it is preferable to use a material having a surface area of 780 m 2 / g or more and 1000 m 2 / g or less in the range of the pore size of 3 nm or more and 5 nm or less. In the range where the pore size is more than 5 nm but not more than 8 nm, it is preferable to use those having a surface area of not less than 550 m 2 / g and not more than 780 m 2 / g.

나아가, 본 발명에 따른 상기 전이금속 산화물은 그룹 Ⅲ, Ⅳ, 또는 Ⅴ족 전이금속 산화물인 것이 바람직하다. 상기 그룹 Ⅲ, Ⅳ, 또는 Ⅴ족 전이금속 산화물의 종류는 제한되지 않으나, 바람직하게는 이트륨산화물, 란탄계 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄산화물, 탄탈륨산화물 및 나이오븀산화물 중에서 선택되는 하나 이상의 전이금속 산화물을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 탄탈륨산화물을 사용하는 것이 좋다. 상기 전이금속산화물은 전이금속과 산소가 결합한 화합물을 의미하며, 전이금속의 산화수는 제한되지 않으나, 바람직하게는 Y2O3, HfO2, ZrO2, Ta2O5 또는 Nb2O5를 사용할 수 있다.
Furthermore, the transition metal oxide according to the present invention is preferably a Group III, IV, or V transition metal oxide. The kind of the group III, IV, or V transition metal oxide is not limited, but preferably at least one transition metal oxide selected from yttrium oxide, lanthanum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, It is more preferable to use tantalum oxide. The transition metal oxide means a compound in which a transition metal and oxygen are bonded, and the oxidation number of the transition metal is not limited. Preferably, Y 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5, or Nb 2 O 5 is used .

또한, 본 발명의 상기 전이금속 산화물의 함량은 전체 촉매 100 중량부에 대하여 0.1 ∼ 10 중량부가 되도록 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 ∼ 5 중량부가 되도록 포함하는 것이 좋다. 상기 전이금속 산화물이 전체 촉매 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만으로 포함되는 경우 촉매의 활성이 너무 적어 촉매로서 사용할 수 없다는 문제점이 있으며, 10 중량부를 초과하여 포함되는 경우 담지한 금속함량에 비해 촉매 활성 증가가 저하되므로 경제성이 떨어져 바람직하지 못하다.
The transition metal oxide of the present invention is preferably contained in an amount of 0.1 to 10 parts by weight, more preferably 0.5 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total catalyst. When the transition metal oxide is contained in an amount of less than 0.1 part by weight based on 100 parts by weight of the total catalyst, the activity of the catalyst is too low to be used as a catalyst. When the transition metal oxide is contained in an amount exceeding 10 parts by weight, The increase in activity is lowered, which is not desirable due to the low economic efficiency.

본 발명의 실험예 1을 참조하면, 본 발명의 촉매에 대하여 촉매 전환율 및 1,3-부타디엔 선택도를 계산한 결과, 본 발명의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매는 기존의 불규칙적인 세공 실리카계 촉매보다 촉매 전환율 및 1,3-부타디엔의 선택도가 높으므로 촉매의 성능 및 1,3-부타디엔 합성 수율이 높음을 확인할 수 있다.
As a result of the calculation of catalyst conversion and 1,3-butadiene selectivity for the catalyst of the present invention, the regular mesoporous silica-based catalyst of the present invention was found to have an irregular pore silica catalyst Butadiene is higher than that of the catalyst, the catalyst performance and 1,3-butadiene synthesis yield are high.

또한, 본 발명의 실험예 1을 참조하면, 본 발명의 촉매에 대하여 반응 50 시간 경과 후, 촉매 전환율 및 1,3-부타디엔 선택도를 계산한 결과, 본 발명의 촉매의 전환율 및 1,3-부타디엔의 선택도가 감소되는 비율이 기존의 불규칙적인 세공 실리카계 촉매보다 현저히 낮을 뿐만 아니라 오히려 증가하여, 촉매의 수명 또한 개선됨을 확인할 수 있다.
The catalyst conversion rate and the 1,3-butadiene selectivity after 50 hours of the reaction of the catalyst of the present invention were calculated according to Experimental Example 1 of the present invention. As a result, The rate at which the selectivity of butadiene is reduced is significantly lower than that of the conventional irregular pore silica catalyst, and it is confirmed that the lifetime of the catalyst is also improved.

나아가, 본 발명의 실험예 2를 참조하면, 본 발명의 촉매의 재생 능력을 평가하기 위하여 비활성화된 촉매를 5 시간 동안 재생 후, 에탄올과 아세트알데히드의 반응에 사용하여 촉매 전환율 및 1,3-부타디엔 선택도를 계산한 결과, 재생 전에도 높은 1,3-부타디엔 선택도를 보일 뿐만 아니라, 촉매의 재생 후에도 안정적으로 반응 활성과 1,3-부타디엔 선택도가 회복되며, 오히려 재생 후에 촉매 전환율 및 1,3-부타디엔 선택도가 증가함을 알 수 있다.
Further, referring to Experimental Example 2 of the present invention, in order to evaluate the regenerating ability of the catalyst of the present invention, the deactivated catalyst was regenerated for 5 hours and then used in the reaction of ethanol and acetaldehyde to obtain a catalyst conversion ratio and 1,3- As a result of the selectivity calculation, not only the high 1,3-butadiene selectivity is shown before the regeneration, but also the reaction activity and the 1,3-butadiene selectivity are restored stably even after regeneration of the catalyst. The selectivity of 3-butadiene is increased.

상기 실험 결과로부터, 본 발명의 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속산화물이 담지된 촉매는 선택도 및 1,3-부타디엔 합성 수율이 우수하며, 촉매 활성 저하 현상 개선되어 재생주기가 길어져 공정 운전 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 재생 능력이 종래 일반적인 실리카계 촉매보다 개선되는 효과가 있으므로, 1,3-부타디엔의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
From the above experimental results, it can be seen that the catalyst having the transition metal oxide supported on the regular mesoporous silica of the present invention has excellent selectivity and 1,3-butadiene synthesis yield, and the catalytic activity deterioration phenomenon is improved, But also the regenerating ability is improved as compared with the conventional silica-based catalyst, so that it can be usefully used for the production of 1,3-butadiene.

나아가, 본 발명은 규칙적인 메조세공 실리카를 준비하는 단계(단계 1); 및Further, the present invention provides a method of preparing a mesoporous silica comprising the steps of: preparing a regular mesoporous silica (step 1); And

단계 1의 상기 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속 산화물을 함침시키는 단계(단계 2);를 포함하는 1,3-부타디엔 제조용 촉매 제조방법을 제공한다.
Impregnating the regular mesoporous silica of step 1 with the transition metal oxide (step 2).

이하 상술한 1,3-부타디엔 제조용 촉매 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
Hereinafter, the above-described method of preparing a catalyst for 1,3-butadiene production will be described in more detail.

먼저, 본 발명의 1,3-부타디엔 제조용 촉매 제조방법에 있어서, 단계 1은 규칙적인 메조세공 실리카를 준비하는 단계이다.First, in the method for preparing a catalyst for 1,3-butadiene according to the present invention, step 1 is a step of preparing regular mesoporous silica.

구체적으로 본 발명에 따른 단계 1의 본 발명에 따른 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는 KIT(Korea Advanced Institute of Science and Technology), MMS(Mesoporous Molecular Sieve), MCM(Mobil Composition of Matter), SBA(Santa Barbara) 또는 TUD(Technische Universiteit Delft) 시리즈를 사용할 수 있다.
Specifically, the regular mesoporous silica according to the present invention of step 1 according to the present invention may be one which is commonly used in the art, preferably KIT (Korea Advanced Institute of Science and Technology), MMS (Mesoporous Molecular Sieve, MCM (Mobile Composition of Matter), SBA (Santa Barbara) or TUD (Technische Universiteit Delft) series.

또한, 본 발명에 따른 상기 단계 1의 규칙적인 메조세공 실리카는 세공 평균 크기가 1 ∼ 50 nm 인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 세공 평균 크기가 2 ∼ 10 nm인 것을 사용하는 것이 좋다. 가장 바람직하게는 세공의 크기가 3 ∼ 8 nm 인 것을 사용하는 것이 좋다.
The regular mesoporous silica of step 1 according to the present invention preferably has an average pore size of 1 to 50 nm, more preferably an average pore size of 2 to 10 nm . Most preferably, the pore size is in the range of 3 to 8 nm.

나아가, 본 발명에 따른 상기 단계 1의 규칙적인 메조세공 실리카는 표면적이 100 ∼ 1500 m2/g 인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200 ∼ 1000 m2/g 인 것을 사용하는 것이 좋다. 가장 바람직하게는 550 ~ 1000 m2/g 인 것을 사용하는 것이 좋다.
Further, the regular mesoporous silica of step 1 according to the present invention preferably has a surface area of 100 to 1500 m 2 / g, more preferably 200 to 1000 m 2 / g . And most preferably from 550 to 1000 m 2 / g.

더욱 상세하게는, 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 세공의 크기가 3 ~ 8 nm 이고, 표면적이 550 ~ 1000 m2/g 인 범위에서 하기와 같은 범위로 사용될 수 있다. 구체적으로, 세공의 크기가 3 nm 이상 5 nm 이하인 범위에서는, 표면적이 780 m2/g 이상 1000 m2/g 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 세공의 크기가 5 nm 초과 8 nm 이하인 범위에서는, 표면적이 550 m2/g 이상 780 m2/g 미만인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
More specifically, the regular mesoporous silica may have a pore size of 3 to 8 nm and a surface area of 550 to 1000 m 2 / g in the following range. Specifically, it is preferable to use a material having a surface area of 780 m 2 / g or more and 1000 m 2 / g or less in the range of the pore size of 3 nm or more and 5 nm or less. In the range where the pore size is more than 5 nm but not more than 8 nm, it is preferable to use those having a surface area of not less than 550 m 2 / g and not more than 780 m 2 / g.

또한, 본 발명에 따른 상기 단계 2의 전이금속 산화물은 그룹 Ⅲ, Ⅳ, 또는 Ⅴ족 전이금속 산화물인 것이 바람직하다. 상기 그룹 Ⅲ, Ⅳ, 또는 Ⅴ족 전이금속 산화물의 종류는 제한되지 않으나, 바람직하게는 이트륨산화물, 란탄계 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄산화물, 탄탈륨산화물 및 나이오븀산화물 중에서 선택되는 하나 이상의 전이금속 산화물을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 탄탈륨산화물를 사용하는 것이 좋다.
The transition metal oxide of step 2 according to the present invention is preferably a group III, IV, or V transition metal oxide. The kind of the group III, IV, or V transition metal oxide is not limited, but preferably at least one transition metal oxide selected from yttrium oxide, lanthanum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, It is more preferable to use tantalum oxide.

나아가, 본 발명에 따른 상기 단계 2의 전이금속 산화물의 함량은 전체 촉매 100 중량부에 대하여 0.1 ∼ 10 중량부가 되도록 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 ∼ 5 중량부가 되도록 포함하는 것이 좋다.
Furthermore, the content of the transition metal oxide in the step 2 according to the present invention is preferably 0.1 to 10 parts by weight, more preferably 0.5 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the total catalyst.

또한, 본 발명에 따른 상기 단계 2의 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속 산화물을 함침시키는 방법은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로, 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는 초기 습식 함침법(incipient wetness impregnation) 또는 과잉함침법(excess impregnation)등에 의해 함침시킬 수 있고, 과잉함침법이 활성 금속의 분산도를 높일 수 있기 때문에 더욱 바람직하다.
The method of impregnating the regular mesoporous silica of step 2 according to the present invention with the transition metal oxide is a method generally used in the art, and is not particularly limited. Preferably, it can be impregnated by incipient wetness impregnation or excess impregnation, and the excess impregnation method is more preferable because it can increase the degree of dispersion of the active metal.

나아가, 본 발명은 촉매를 이용하여 에탄올 또는 에탄올과 아세트알데히드의 혼합물을 반응시키는 단계를 포함하는 1,3-부타디엔 제조방법에 있어서,Further, the present invention provides a process for producing 1,3-butadiene comprising reacting ethanol or a mixture of ethanol and acetaldehyde using a catalyst,

상기 촉매는 본 발명의 상기 1,3-부타디엔 제조용 촉매인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조방법을 제공한다.
The present invention provides a process for producing 1,3-butadiene, wherein the catalyst is the 1,3-butadiene catalyst of the present invention.

이하, 상술한 본 발명의 상기 1,3-부타디엔 제조방법을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the 1,3-butadiene production method of the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 상기 1,3-부타디엔의 합성은 1,3-부타디엔 제조용 촉매가 존재하는 고정층 반응기 안에 질소로 희석된 에탄올 또는 에탄올과 아세트알데히드의 혼합물을 넣고, 이를 촉매와 접촉시키는 방법을 통하여 수행할 수 있다.
The synthesis of 1,3-butadiene according to the present invention is carried out by introducing a mixture of ethanol or ethanol and acetaldehyde diluted with nitrogen in a fixed-bed reactor in which 1,3-butadiene is present, can do.

또한, 본 발명에 따른 상기 에탄올 또는 에탄올과 아세트알데히드의 혼합물을 반응은 300 ℃ 내지 400℃ 온도범위에서 이루어지는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 330 ℃ 내지 370℃ 범위 내에서 이루어지는 것이 좋다. 반응의 온도가 300 ℃ 미만인 경우 반응활성이 너무 낮은 문제점이 있으며, 반응의 온도가 400℃ 초과인 경우 부타디엔의 선택도가 낮아지는 문제점이 있다.
The reaction of the ethanol or the mixture of ethanol and acetaldehyde according to the present invention is preferably carried out at a temperature of 300 ° C to 400 ° C, more preferably 330 ° C to 370 ° C. When the reaction temperature is lower than 300 ° C, the reaction activity is too low. When the reaction temperature is higher than 400 ° C, the selectivity of butadiene is lowered.

나아가, 본 발명에 따른 상기 에탄올 또는 에탄올과 아세트알데히드의 혼합물을 반응은 0.1 hr-1 ∼ 10.0 hr-1 범위의 공간 속도(Liquid Hourly Space Velocity)에서 수행되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.5 hr-1 ∼ 5.0 hr-1 범위에서 이루어지는 것이 좋다. 상기 공간 속도가 0.1 hr-1 미만인 경우 촉매층 내에서 머무는 시간인 체류 시간이 낮아 생성물들이 2차 반응으로 전이되는 크래킹 반응 등이 일어나기 쉬운 분위기가 되므로 원하는 선택도가 낮아지고, 생산성이 낮아 공정의 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 공간 속도가 10.0 hr-1 초과인 경우 체류시간이 너무 짧아 메탄 등 분자량이 낮은 성분 등이 생성되기 쉽고, 반응 성능이 너무 낮아지는 문제점이 있다.
Further, the reaction of the ethanol or the mixture of ethanol with acetaldehyde according to the present invention may be carried out in the range of 0.1 hr -1 to 10.0 hr -1 Is preferably performed in a liquid hourly space velocity, more preferably in a range of 0.5 hr -1 to 5.0 hr -1 . If the space velocity is less than 0.1 hr <" 1 >, the atmosphere is likely to cause a cracking reaction in which the products are transferred to the secondary reaction due to low residence time in the catalyst layer, so that the desired selectivity is lowered, If the space velocity exceeds 10.0 hr < -1 & gt ;, the residence time is too short, so that a component having a low molecular weight such as methane tends to be generated and the reaction performance becomes too low.

또한, 상기 혼합물은 에탄올:아세트알데히드의 조성비는 몰비로 1:0.001 ∼ 1:0.7 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1:0.2 ∼ 1:0.5 인 것이 좋다. 상기 혼합물의 에탄올에 대한 아세트알데히드의 몰비가 0.001 미만인 경우 에탄올과 아세트알데히드에 의한 축합반응이 일어나지 못하고, 에탄올에 대한 아세트알데히드의 몰비가 0.7 초과인 경우 아세트알데히드의 탈수반응에 의한 아세트산 등이 생성되는 부반응이 쉽게 일어나기 때문에, 상기 범위를 벗어나는 경우 1,3-부타디엔의 선택도가 낮아지는 문제점이 있다.
The molar ratio of ethanol to acetaldehyde in the mixture is preferably 1: 0.001 to 1: 0.7, more preferably 1: 0.2 to 1: 0.5. When the molar ratio of acetaldehyde to ethanol is less than 0.001, the condensation reaction with ethanol and acetaldehyde does not occur. When the molar ratio of acetaldehyde to ethanol is more than 0.7, acetic acid or the like is produced by dehydration reaction of acetaldehyde Since side reactions are easily caused, there is a problem that the selectivity of 1,3-butadiene is lowered when the amount is outside the above range.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples are illustrative of the present invention and are not intended to be limiting.

<실시예 1> 탄탈륨 산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매 - 1Example 1 SBA-15 Catalyst Supported with Tantalum Oxide-1

규칙적인 메조세공 실리카(OMS) SBA-15는 M. Choi, W. Heo, F. Kleitz, and R. Ryoo, Chem. Commun. (2003) 1340-1341의 방법으로 아래와 같이 제조하였다. 114 g의 증류수와 37 %, 염산(hydrochloric acid) 3.5 g 을 혼합한 용액에 삼중공합체 폴리머인 플로닉(Pluronic), P123을 6.0 g 첨가한 후 35℃ 의 온도 조건하에서 균일한 혼합액이 될 때까지 강하게 교반하였다. 균일하게 혼합된 용액에 테트라에틸 오쏘실리케이트(TetraEthyl OrthoSilicate, TEOS)를 13.0 g 첨가한 후 35℃의 온도 조건하에서 24시간 동안 강하게 교반하였다. 혼합액을 각각 35℃의 온도에서 24시간 동안 숙성시켰다. 여과 후 100℃의 온도에서 12시간 건조한 후 승온 속도를 분당 1 ℃/min으로 설정하고 550℃에서 6시간 동안 소성시켜 규칙적인 메조세공 실리카(OMS), SBA- 15를 제조하였다.
Regular mesoporous silica (OMS) SBA-15 is described by M. Choi, W. Heo, F. Kleitz, and R. Ryoo, Chem. Commun. (2003) 1340-1341. To the solution obtained by mixing 114 g of distilled water, 37% hydrochloric acid and 3.5 g of hydrochloric acid, 6.0 g of Pluronic, P123, which is a triplet polymer, was added, and the mixture was stirred at 35 ° C until it became a homogeneous mixture Strongly stirred. 13.0 g of tetraethyl orthosilicate (TEOS) was added to the homogeneously mixed solution, followed by vigorous stirring for 24 hours at a temperature of 35 ° C. The mixture was aged at a temperature of 35 캜 for 24 hours. After filtration, the dried mesoporous silica (OMS), SBA-15 was prepared by drying at 100 ° C. for 12 hours and then heating at a rate of 1 ° C./min and calcining at 550 ° C. for 6 hours.

다음으로, 상기 SBA-15 실리카에 탄탈륨산화물의 담지는 Aldrich 社의 염화탄탈륨(TaCl5)을 사용하여, 탄탈륨산화물(Ta2O5)을 과잉함침법(excess impregnation)에 의해서 담지하였다. 탄탈륨산화물의 함량은 전체 촉매 100 중량부에 대하여 2 중량부가 되도록 조절하였다. 제조된 샘플은 120℃에서 10시간 동안 건조한 후 500℃에서 5시간 소성하여 실시예 1의 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매를 제조하였다.
Next, tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) was supported on the SBA-15 silica by excess impregnation using Aldrich's tantalum chloride (TaCl 5 ). The content of tantalum oxide was adjusted to be 2 parts by weight per 100 parts by weight of the total catalyst. The prepared sample was dried at 120 ° C. for 10 hours and then calcined at 500 ° C. for 5 hours to prepare an SBA-15 catalyst carrying the tantalum oxide of Example 1.

<실시예 2> 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매 - 2Example 2 SBA-15 catalyst carrying tantalum oxide-2

SBA-15를 제조할 때, 혼합액을 60 ℃에서 숙성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 실시예 2의 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매를 제조하였다.
When preparing SBA-15, SBA-15 catalyst carrying the tantalum oxide of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the catalyst was aged at 60 ° C.

<실시예 3> 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매 - 3<Example 3> SBA-15 catalyst carrying tantalum oxide-3

SBA-15를 제조할 때, 혼합액을 80 ℃에서 숙성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 실시예 3의 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매를 제조하였다.
SBA-15 catalyst was prepared by carrying out the same procedure as in Example 1 except that the mixed solution was aged at 80 占 폚.

<실시예 4> 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매 - 4<Example 4> SBA-15 catalyst carrying tantalum oxide-4

SBA-15를 제조할 때, 혼합액을 100 ℃에서 숙성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 실시예 4의 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매를 제조하였다.
SBA-15 catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that the mixed solution was aged at 100 ° C.

<실시예 5> 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매 - 5Example 5 SBA-15 Catalyst Supported with Tantalum Oxide-5

SBA-15를 제조할 때, 혼합액을 130 ℃에서 숙성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 실시예 5의 탄탈륨산화물이 담지된 SBA-15 계 촉매를 제조하였다.
When preparing SBA-15, 130 The SBA-15 catalyst carrying the tantalum oxide of Example 5 was prepared by carrying out the same procedure as in Example 1, except that the catalyst was aged at &lt; RTI ID = 0.0 &gt;

<실시예 6> 탄탈륨산화물이 담지된 KIT-6 계 촉매 - 1Example 6 KIT-6 Catalyst Containing Tantalum Oxide-1

규칙적인 메조세공 실리카(OMS) KIT-6는 T-W Kim, F. Kleitz, B. Paul and R. Ryoo, J.Am. Chem. Soc. (2005) 127, 7601-7610의 방법으로 아래와 같이 제조하였다. 610.1 g의 증류수, 35 %, 염산(hydrochloric acid) 33.2 g, 부탄올 (n-butanol) 18.6 g을 혼합한 용액에 삼중공합체 폴리머인 플로닉(Pluronic), P123을 17.0 g 첨가한 후 35℃의 온도 조건하에서 균일한 혼합액이 될 때까지 강하게 교반하였다. 균일하게 혼합된 용액에 테트라에틸 오쏘실리케이트(TetraEthyl OrthoSilicate, TEOS)를 43.6 g 첨가한 후 35℃의 온도 조건하에서 24시간 동안 강하게 교반하였다. 혼합액을 각각 35℃의 온도 조건하에서 24시간 동안 숙성시켰다. 여과 후 100℃의 온도 조건 하에서 12시간 건조시킨 후 승온 속도를 분당 1℃/min으로 설정하고 550℃에서 6시간 동안 소성시켜 규칙적인 메조세공 실리카(OMS), KIT-6를 제조하였다.
Regular mesoporous silica (OMS) KIT-6 is described by TW Kim, F. Kleitz, B. Paul and R. Ryoo, J. Am. Chem. Soc. (2005) 127, 7601-7610. 17.0 g of Pluronic, P123, a triplet polymer, was added to a solution of 610.1 g of distilled water, 35%, hydrochloric acid (33.2 g) and butanol (n-butanol) Under vigorous stirring, the mixture was homogeneously mixed. 43.6 g of tetraethyl orthosilicate (TEOS) was added to the homogeneously mixed solution, followed by vigorous stirring for 24 hours at a temperature of 35 ° C. The mixture was aged at a temperature of 35 ° C for 24 hours. After filtration, the dried mesoporous silica (OMS), KIT-6 was prepared by drying for 12 hours at a temperature of 100 ° C. and then heating at a rate of 1 ° C./min and calcining at 550 ° C. for 6 hours.

다음으로, 실시예 1과 동일한 함침 방법에 의해, 상기 제조된 KIT-5 실리카에 탄탈륨산화물을 담지하여, 실시예 6의 탄탈륨산화물이 담지된 KIT-6 계 촉매를 제조하였다.
Next, tantalum oxide was supported on the KIT-5 silica produced by the same impregnation method as in Example 1 to prepare a KIT-6 catalyst carrying tantalum oxide of Example 6.

<실시예 7> 탄탈륨산화물이 담지된 KIT-6 계 촉매 - 2Example 7 KIT-6 Catalyst Containing Tantalum Oxide-2

KIT-6를 제조할 때, 혼합액을 130 ℃에서 숙성시킨 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 방법을 수행하여 실시예 7의 탄탈륨산화물이 담지된 KIT-6 계 촉매를 제조하였다.When preparing KIT-6, 130 The catalyst was prepared in the same manner as in Example 6, except that the catalyst was aged at &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 60 C &lt; / RTI &gt;

<실시예 8> 탄탈륨산화물이 담지된 MMS 계 촉매 Example 8 MMS catalyst carrying tantalum oxide

규칙적인 메조세공 실리카(OMS) MCM-41와 같은 구조를 가지고 있는 메조 다공성 실리카 MMS는 대한민국 특허등록 제0408006호에 의거한 방법으로 아래와 같이 제조하였다. 폴리프로필렌 비이커에 24 중량 % 의 불화수소(HF)용액 32.5g 을 취하고 퓸드 실리카(Fumed silica) 10g 을 25 ml의 증류수에 완전히 녹여 불화실리콘산을 제조하였다. 별도의 비이커에 증류수 600g을 취하여 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(cetyltrimetylammoniumbromide) 30.6g을 녹인 후 상기용액에 첨가한 다음, 60℃ 에서 1시간 동안 교반하였다. 여기에 28중량부의 암모니아수 150 g 을 가하여 60℃에서 1시간 동안 맹렬히 교반한 다음 건조기에서 16시간 동안 70℃를 유지하면서 숙성시켰다. 상기 숙성된 혼합물을 여과하여 침전물을 회수한 후 증류수로 12시간 충분히 세척하였다. 100℃에서 건조된 상기 분말은 600℃에서 4 시간 동안 소성하여 규칙적인 메조세공 실리카(OMS), MMS를 제조하였다.
Mesoporous silica MMS having the same structure as regular mesoporous silica (OMS) MCM-41 was prepared by the method described in Korean Patent Registration No. 0408006 as follows. 32.5 g of 24% by weight hydrogen fluoride (HF) solution was taken in a polypropylene beaker and 10 g of fumed silica was completely dissolved in 25 ml of distilled water to prepare silicon fluoride acid. In a separate beaker, 600 g of distilled water was taken, and 30.6 g of cetyltrimethylammonium bromide was dissolved therein. The solution was then added to the solution, followed by stirring at 60 ° C for 1 hour. Thereto was added 150 g of 28 parts by weight of ammonia water, stirred vigorously at 60 DEG C for 1 hour, and aged while being maintained at 70 DEG C for 16 hours in a drier. The aged mixture was filtered and the precipitate was collected and washed thoroughly with distilled water for 12 hours. The powder dried at 100 ° C was fired at 600 ° C for 4 hours to produce regular mesoporous silica (OMS), MMS.

다음으로, 실시예 1과 동일한 함침 방법에 의해, 상기 제조된 MMS 실리카에 탄탈륨산화물을 담지하여, 실시예 8의 탄탈륨산화물이 담지된 MMS 계 촉매를 제조하였다.
Next, tantalum oxide was supported on the MMS silica by the same impregnation method as in Example 1 to prepare an MMS-based catalyst carrying the tantalum oxide of Example 8.

<실시예 9> 탄탈륨산화물이 담지된 MCM-41 계 촉매 Example 9 MCM-41 Catalyst Containing Tantalum Oxide

규칙적인 메조세공 실리카(OMS) MCM-41는 Jih-Mirn Jehng, Wan-Chen Tung, Chao-His Huang, Israel E. Wachs Microporous and Mesoporous Materials 99 (2007) 299-307에 의거한 방법으로 아래와 같이 제조하였다. 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(cetyltrimetylammoniumbromide, CTAB) 7.8g을 92.2g의 물에 녹인 후 33.9g의 TMSAi(tetramethylammonium silicate) 액에 첨가한 다음, 상온에서에서 2시간 동안 교반하였다. 혼합액을 100℃의 온도 조건하에서 7일 동안 숙성시켰다. 상기 숙성된 혼합물을 여과하여 침전물을 회수한 후 100℃에서 건조하였다. 상기 분말은 650℃에서 6 시간 동안 소성하여 규칙적인 메조세공 실리카(OMS), MCM-41를 제조하였다.Regular mesoporous silica (OMS) MCM-41 is prepared by the method according to Jih-Mirn Jehng, Wan-Chen Tung, Chao-His Huang, Israel E. Wachs Microporous and Mesoporous Materials 99 (2007) 299-307 Respectively. Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) (7.8 g) was dissolved in 92.2 g of water and added to 33.9 g of TMSAi (tetramethylammonium silicate), followed by stirring at room temperature for 2 hours. The mixture was aged at a temperature of 100 캜 for 7 days. The aged mixture was filtered to recover the precipitate and dried at 100 ° C. The powder was calcined at 650 ° C. for 6 hours to produce regular mesoporous silica (OMS), MCM-41.

다음으로, 실시예 1과 동일한 함침 방법에 의해, 상기 제조된 MCM-41 실리카에 탄탈륨산화물을 담지하여, 실시예 9의 탄탈륨산화물이 담지된 MCM-41 계 촉매를 제조하였다.
Next, tantalum oxide was supported on the prepared MCM-41 silica by the same impregnation method as in Example 1 to prepare an MCM-41 based catalyst carrying the tantalum oxide of Example 9.

<실시예 10> 탄탈륨산화물이 담지된 MCM-48 계 촉매 <Example 10> MCM-48 catalyst carrying tantalum oxide

규칙적인 메조세공 실리카(OMS) MCM-48은 Lingzhi Wang, Jinlong Zhang,Feng Chen, and Masakazu Anpo J. Phys. Chem. C, Vol. 111, No. 37, 2007 13648-13651에 의거한 방법으로 아래와 같이 제조하였다. 10 ml TEOS와 56 ml의 물을 30분 동안 교반을 한 후, 1.88g의 NaF을 상기 혼합액에 넣어 하얀 실리케이트 겔(white silicate gel)이 형성될 때까지 교반을 한다. 상기 겔에 세틸트리메틸 암모늄 브로마이드(cetyltrimetylammoniumbromide) 1.63g을 넣은 후 강력하게 교반 (vigorous stirring)을 한다. 상온에서 혼합물을 1시간 동안 교반후, 100℃의 온도 조건하에서 72시간 동안 숙성시켰다. 상기 숙성된 혼합물을 여과하여 침전물을 회수한 후 100℃에서 건조하였다. 상기 분말은 550℃에서 6 시간 동안 소성하여 규칙적인 메조세공 실리카(OMS), MCM-48를 제조하였다.Regular mesoporous silica (OMS) MCM-48 was synthesized by Lingzhi Wang, Jinlong Zhang, Feng Chen, and Masakazu Anpo J. Phys. Chem. C, Vol. 111, No. 37, 2007 13648-13651. 10 ml of TEOS and 56 ml of water were stirred for 30 minutes, and then 1.88 g of NaF was added to the mixed solution and stirred until a white silicate gel was formed. 1.63 g of cetyltrimethylammonium bromide is added to the gel, followed by vigorous stirring. The mixture was stirred at room temperature for 1 hour and then aged at a temperature of 100 DEG C for 72 hours. The aged mixture was filtered to recover the precipitate and dried at 100 ° C. The powder was calcined at 550 ° C. for 6 hours to produce regular mesoporous silica (OMS), MCM-48.

다음으로, 실시예 1과 동일한 함침 방법에 의해, 상기 제조된 MCM-48 실리카에 탄탈륨산화물을 담지하여, 실시예 10의 탄탈륨산화물이 담지된 MCM-48 계 촉매를 제조하였다.
Next, tantalum oxide was supported on the prepared MCM-48 silica by the same impregnation method as in Example 1 to prepare an MCM-48 based catalyst carrying the tantalum oxide of Example 10.

<비교예 1> 탄탈륨산화물이 담지된 실리카겔 계 촉매의 제조 - 1&Lt; Comparative Example 1 > Production of tantalum oxide-supported silica gel catalyst-1

Aldrich 실리카겔(Grade 62)을 담체로 사용한 것만 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 1의 탄탈륨산화물이 담지된 실리카겔 계 촉매를 제조하였다.
A silica gel catalyst supported on tantalum oxide of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that Aldrich silica gel (Grade 62) was used as a carrier.

<비교예 2> 탄탈륨산화물 담지된 실리카겔 계 촉매 - 2&Lt; Comparative Example 2 > Silica gel-based catalyst carrying tantalum oxide-2

Davisil 실리카겔(Grade 643)을 담체로 사용한 것만 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 2의 탄탈륨산화물이 담지된 실리카겔 계 촉매를 제조하였다.
A silica gel catalyst supporting tantalum oxide of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1 except that Davisil silica gel (Grade 643) was used as a carrier.

<비교예 3> 탄탈륨산화물이 담지된 실리카겔 계 촉매 - 3&Lt; Comparative Example 3 > Silica gel-based catalyst carrying tantalum oxide-3

Merck 실리카겔(Silicagel 60)을 담체로 사용한 것만 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 비교예 3의 탄탈륨산화물이 담지된 실리카겔 계 촉매를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that Merck silica gel (Silicagel 60) was used as a carrier to prepare a silica gel catalyst supporting tantalum oxide of Comparative Example 3.

상기 제조한 실시예 1 ∼ 10 및 비교예 1 ∼ 3의 촉매에 사용된 실리카 담체들의 물성을 비교하여 하기 표 1에 나타내고, 실시예 1 ∼ 10의 촉매 및 비교예 1 ∼ 3의 촉매의 세공 크기 분포를 도 1에 나타내었다.
The physical properties of the silica supports used in the catalysts of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 were compared and shown in Table 1 below. The catalysts of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 had pore sizes The distribution is shown in Fig.

구분division 실리카종류Silica type Ta2O5 함량 (%)Ta 2 O 5 content (%) 실리카의 표면적 (m2/g)The surface area of silica (m 2 / g) 세공부피
(cm3/g)
Pore volume
(cm &lt; 3 &gt; / g)
평균세공크기 (nm)Average pore size (nm)
실시예 1Example 1 SBA-15 (35)SBA-15 (35) 22 560.8560.8 0.460.46 3.33.3 실시예 2Example 2 SBA-15 (60)SBA-15 (60) 22 696.3696.3 0.470.47 3.33.3 실시예 3Example 3 SBA-15 (80)SBA-15 (80) 22 767.3767.3 0.560.56 3.43.4 실시예 4Example 4 SBA-15 (100)SBA-15 (100) 22 688.0688.0 0.770.77 5.55.5 실시예 5Example 5 SBA-15 (130)SBA-15 (130) 22 582.6582.6 1.481.48 7.67.6 실시예 6Example 6 KIT-6 (35)KIT-6 (35) 22 514.7514.7 0.640.64 5.05.0 실시예 7Example 7 KIT-6 (130)KIT-6 (130) 22 558.6558.6 1.271.27 9.19.1 실시예 8Example 8 MMSMMS 22 797.7797.7 0.850.85 3.43.4 실시예 9Example 9 MCM-41MCM-41 22 980.0980.0 0.850.85 3.23.2 실시예 10Example 10 MCM-48MCM-48 22 1187.11187.1 0.760.76 2.52.5 비교예 1Comparative Example 1 Aldrich 실리카겔
(Grade 62)
Aldrich silica gel
(Grade 62)
22 268.4268.4 1.161.16 11.311.3
비교예 2Comparative Example 2 Davisil 실리카겔
(Grade 643)
Davisil silica gel
(Grade 643)
22 257.0257.0 1.161.16 11.211.2
비교예 3Comparative Example 3 Merck 실리카겔
(Silicagel 60)
Merck silica gel
(Silicagel 60)
22 451.8451.8 0.790.79 5.05.0

<실험예 1> 촉매의 반응 성능 및 촉매 수명 측정&Lt; Experimental Example 1 > Measurement of catalyst performance and catalyst life

본 발명의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매의 우수한 반응 성능 및 촉매 수명을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 ∼ 10 및 비교예 1 ∼ 3에 의해 제조된 촉매를 이용하여 에탄올과 아세트알데히드 혼합물을 반응시키고, 1 시간 및 50 시간 후의 촉매 전환율 및 1,3-부타디엔의 선택도를 계산하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
In order to confirm the excellent reaction performance and catalyst lifetime of the regular mesoporous silica-based catalyst of the present invention, a mixture of ethanol and acetaldehyde was reacted using the catalysts prepared in Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 , 1 hour and 50 hours, and the selectivity of 1,3-butadiene were calculated. The results are shown in Table 2.

실시예 1 ∼ 10 및 비교예 1 ∼ 3의 촉매의 반응 성능 및 촉매 수명을 분석하기 위하여 각 촉매들을 0.2 g씩 정확히 측량하여 1/2 인치 고정층 반응기에 각각 넣고 반응온도 350℃, 상압 조건에서 반응시켰다. 반응물로는 에탄올과 아세트알데히드 혼합물(에탄올/아세트알데하이드 몰비 2.75)을 0.011cc/min 유량으로 주입하고, 4.4cc/min 유량의 질소로 희석하여 반응물 기준 공간속도(Liquid Hourly Space Velocity; LHSV) 1.0 h-1 조건에서 반응시켰다..
In order to analyze the reaction performance and catalyst life of the catalysts of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3, each catalyst was precisely weighed in an amount of 0.2 g, placed in a 1/2-inch fixed bed reactor, . As a reactant, a mixture of ethanol and acetaldehyde (ethanol / acetaldehyde molar ratio of 2.75) was injected at a flow rate of 0.011 cc / min and diluted with nitrogen at a flow rate of 4.4 cc / min to obtain a liquid hourly space velocity (LHSV) of 1.0 h -1 . &Lt; / RTI &gt;

반응물과 생성물은 HP Plot Q 컬럼과 C4 이성질체를 정밀하게 분리하기 위해 GS Alumina 컬럼을 사용하여 GC로 분석하였다.
Reactants and products were analyzed by GC using a GS Alumina column to precisely separate the HP Plot Q column and the C4 isomer.

촉매 catalyst 전환율(%)Conversion Rate (%) 1,3-부타디엔 선택도(%)Selectivity of 1,3-butadiene (%) 1hr1hr 50hr50hr 1hr1hr 50hr50hr 실시예 1 Example 1 31.231.2 31.931.9 77.877.8 76.576.5 실시예 2 Example 2 38.238.2 35.535.5 75.275.2 75.075.0 실시예 3 Example 3 34.734.7 29.029.0 72.972.9 76.076.0 실시예 4 Example 4 45.345.3 44.144.1 79.179.1 79.079.0 실시예 5 Example 5 47.647.6 43.743.7 79.779.7 79.779.7 실시예 6 Example 6 38.938.9 38.238.2 77.877.8 78.578.5 실시예 7 Example 7 36.536.5 29.829.8 77.377.3 72.872.8 실시예 8Example 8 44.444.4 43.343.3 78.278.2 77.677.6 실시예 9Example 9 44.544.5 43.243.2 77.577.5 77.577.5 실시예 10Example 10 43.443.4 36.636.6 76.876.8 72.172.1 비교예 1Comparative Example 1 33.733.7 25.625.6 71.871.8 65.865.8 비교예 2Comparative Example 2 31.231.2 23.423.4 70.370.3 65.365.3 비교예 3Comparative Example 3 35.435.4 25.325.3 77.177.1 70.270.2

표 2에 나타낸 바와 같이 동일한 함량의 탄탈륨산화물을 ,다양한 종류의 규칙적인 메조세공 실리카 및 기존 실리카에 담지한 촉매의 촉매 전환율 및 1,3-부타디엔 선택도를 비교한 결과, 실시예 1 ∼ 10의 규칙적인 메조세공 실리카들에 담지된 탄탈륨산화물 촉매들의 경우 종류별로 다소의 차이는 있으나 모두 기존 실리카겔 촉매보다 우수한 전환율 및 1,3-부타디엔 선택도, 특히 초기 1,3-부타디엔 선택도가 80% 정도를 보이며 우수한 반응 활성을 나타냈다.
As shown in Table 2, the catalytic conversion and the 1,3-butadiene selectivity of tantalum oxide having the same contents as those of the catalysts loaded on various types of regular mesoporous silica and conventional silica were compared. As a result, Although the tantalum oxide catalysts supported on the regular mesoporous silica are somewhat different from each other, all of them have a higher conversion and 1,3-butadiene selectivity than the conventional silica gel catalyst, especially the initial 1,3-butadiene selectivity is about 80% And showed excellent reaction activity.

또한, 본 발명의 실시예 2 ∼ 9의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매들은 반응 50 시간 경과 후 촉매 전환율이 최소 0.7%, 최대 6.8% 감소했으며, 실시예 1의 경우 오히려 촉매 전환율이 0.7% 증가했다. 나아가, 실시예 1,2,4,7,8,10의 촉매는 반응 50 시간 경과 후 1,3-부타디엔 선택도는 최소 0.1%, 최대 4.7% 감소했으며, 실시예 3, 6의 촉매의 경우 오히려 1,3-부타디엔의 선택도가 증가했다. 즉, 본 발명의 실시예 1 ∼ 9의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매는 반응 시간 경과 후 활성 저하 정도가 개선되었을 뿐만 아니라 반응 시간 경과 전 보다 오히려 향상될 수 있음을 알 수 있다.
In addition, the regular mesoporous silica-based catalysts of Examples 2 to 9 of the present invention showed a reduction in catalyst conversion of at least 0.7% and a maximum of 6.8% after 50 hours of reaction, and a catalyst conversion rate of 0.7% . Furthermore, the catalysts of Examples 1, 2, 4, 7, 8, and 10 showed a decrease of at least 0.1% and a maximum of 4.7% in 1,3-butadiene selectivity after 50 hours of reaction, Rather, the selectivity of 1,3-butadiene increased. That is, it can be seen that the regular mesoporous silica-based catalysts of Examples 1 to 9 of the present invention not only improved the degree of deactivation after the reaction time but also could be improved rather than before the reaction time.

한편, 비교예 1 ∼ 3의 Aldrich, Davisil 또는 Merck 실리카겔을 담체로 사용한 경우에는, 실시예 1 ∼ 10에 비해 낮은 전환율과 1,3-부타디엔 선택도를 보일 뿐만 아니라 50 시간 후, 전환율이 최대 10.1%, 1,3-부타디엔 선택도가 최대 6.9% 감소함으로써, 빠른 활성저하가 일어남을 알 수 있었다.
On the other hand, when Aldrich, Davisil or Merck silica gel of Comparative Examples 1 to 3 was used as a carrier, not only the conversion rate and the 1,3-butadiene selectivity were lower than those of Examples 1 to 10 but also the conversion rate was 10.1 %, And the selectivity of 1,3-butadiene was decreased by 6.9% at the maximum.

이로부터, 실시예 1 ∼ 10 의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매는 비교예 1 - 3의 기존의 불규칙적인 세공 실리카계 촉매보다 전환율 및 1,3-부타디엔의 선택도가 우수하여 촉매의 성능 및 1,3-부타디엔 합성 수율이 높음을 알 수 있는데, 상기 결과는 본 발명의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매의 높은 표면적에 의한 고분산 활성점에 기인한다.
From this, it can be seen that the regular mesoporous silica-based catalysts of Examples 1 to 10 are superior to the conventional irregular pore-silica catalysts of Comparative Examples 1 to 3 in conversion and 1,3-butadiene selectivity, , And 3-butadiene synthesis yield is high, which is attributed to the high surface area-active high dispersion activity point of the regular mesoporous silica-based catalysts of the present invention.

또한, 50 시간 후의 전환율 및 1,3-부타디엔의 선택도가 감소되는 비율이 비교예 1 ∼ 3의 촉매보다 현저히 낮으므로 촉매의 수명 또한 개선되었음을 알 수 있는데, 상기 결과는, 본 발명에 따른 촉매가 규칙적인 메조세공을 갖는 실리카를 담체로 사용함으로써, 반응물과 생성물의 확산과 물질전달이 용이할 뿐만 아니라 편중되지 않아 활성점 전체가 골고루 균일하게 반응에 참여할 수 있고, 미세세공에 의한 세공 막힘 현상을 억제함으로써, 촉매의 활성 저하 현상이 줄어든 것에 기인한다. Further, it can be seen that the conversion rate after 50 hours and the rate at which the selectivity of 1,3-butadiene is reduced are significantly lower than those of the catalysts of Comparative Examples 1 to 3, and the lifetime of the catalyst is also improved. By using silica having regular mesopores as a carrier, diffusion and mass transfer of reactants and products can be easily performed, and the reaction can be uniformly performed evenly throughout the active sites, and pore clogging due to fine pores , The phenomenon of deactivation of the catalyst is reduced.

종래, 에탄올 및 아세트알데히드로부터 1,3-부타디엔 제조방법은 1,3-부타디엔의 선택도가 낮고, 짧은 촉매 수명으로 재생 공정이 필수인데, 상기 실험 결과로부터 본 발명의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매는 선택도 및 1,3-부타디엔 합성 수율이 우수할 뿐만 아니라, 촉매 활성 저하 현상 개선되어 재생주기가 길어져 공정 운전 효율을 높일 수 있는 효과가 있음을 보여주므로, 종래 1,3-부타디엔의 제조방법의 문제점을 해결할 수 있다.
Conventionally, in the process for producing 1,3-butadiene from ethanol and acetaldehyde, the selectivity of 1,3-butadiene is low and the regeneration process is required for a short catalyst life. From the above experimental results, Butadiene is not only excellent in selectivity and 1,3-butadiene synthesis yield but also exhibits an effect of improving the process operation efficiency by improving the catalyst activity degradation phenomenon and increasing the regeneration cycle. Thus, Can be solved.

<실험예 2> 촉매의 재생 능력 평가&Lt; Experimental Example 2 >

본 발명의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매의 반응 후 비활성화된 촉매의 재생 능력을 비교하기 위하여, 반응 후 비활성화된 실시예 1 ∼ 10 및 비교예 1 ∼ 3의 촉매에 대하여 500℃ 공기 분위기에서 5시간 동안 재생하고, 상기 실험예 1과 동일한 조건에서 에탄올과 아세트알데히드를 반응시켜, 촉매 성능을 비교하였고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
In order to compare the regeneration ability of the regular mesoporous silica-based catalyst of the present invention after the reaction, the catalysts of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3, which were inactivated after the reaction, And ethanol and acetaldehyde were reacted under the same conditions as Experimental Example 1 to compare the catalyst performance. The results are shown in Table 3 below.

구분

division

재생 전 초기Initial before reproduction 재생 후 초기Initial after playback

전환율
(%)

Conversion Rate
(%)
1,3-
부타디엔
선택도
(%)
1,3-
butadiene
Selectivity
(%)

전환율
(%)

Conversion Rate
(%)
1,3-
부타디엔
선택도(%)
1,3-
butadiene
Selectivity (%)
실시예 1Example 1 31.231.2 77.877.8 33.433.4 77.577.5 실시예 2Example 2 38.238.2 75.275.2 38.238.2 75.075.0 실시예 3Example 3 34.734.7 72.972.9 34.334.3 73.173.1 실시예 4Example 4 45.345.3 79.179.1 44.844.8 78.878.8 실시예 5Example 5 47.647.6 79.779.7 47.147.1 79.379.3 실시예 6Example 6 38.938.9 77.877.8 38.438.4 77.277.2 실시예 7Example 7 36.536.5 77.377.3 35.935.9 76.976.9 실시예 8Example 8 44.444.4 78.278.2 44.044.0 77.877.8 실시예 9 Example 9 44.544.5 77.577.5 43.943.9 77.277.2 실시예 10Example 10 43.443.4 76.876.8 43.543.5 76.276.2 비교예 1Comparative Example 1 33.733.7 71.871.8 29.329.3 65.965.9 비교예 2Comparative Example 2 31.231.2 70.370.3 28.628.6 65.265.2 비교예 3Comparative Example 3 35.435.4 77.177.1 31.231.2 70.670.6

그 결과, 상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ∼ 10의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매는 촉매 재생 전에 비해, 촉매 재생 후에 촉매 전환율이 최대 0.6% 감소했고, 실시예 1의 경우 오히려 2.2% 증가하고, 실시예 10의 경우 0.1%증가했다. 또한, 촉매 재생 후에 1,3-부타디엔 선택도도 최대 0.6% 밖에 감소하지 않았으며, 실시예 3의 경우 오히려 0.2% 증가했다.
As a result, as shown in Table 3, the regular mesoporous silica-based catalysts of Examples 1 to 10 of the present invention exhibited a maximum reduction of the catalyst conversion rate by 0.6% after regeneration of the catalyst, It increased by 2.2%, and in Example 10 it increased by 0.1%. Also, the selectivity of 1,3-butadiene after catalyst regeneration was reduced by only 0.6%, and in Example 3, it was increased by 0.2%.

반면에, 비교예 1 ∼ 3의 촉매의 경우, 본 발명의 실시예 1 ∼ 10의 촉매보다는 낮지만 재생 전, 비교적 우수한 반응 활성과 1,3-부타디엔 선택도를 보였으나 촉매 재생 후에는 촉매 전환율이 최대 4.4 %, 1,3-부타디엔 선택도가 최대 6.5% 감소하여, 재생 후에는 재생 전 촉매의 동일한 성능을 회복하지 못했다.
On the other hand, the catalysts of Comparative Examples 1 to 3 exhibited comparatively excellent reaction activity and 1,3-butadiene selectivity although they were lower than those of Examples 1 to 10 of the present invention. However, after catalyst regeneration, Up to 4.4%, 1,3-butadiene selectivity was reduced by up to 6.5%, and the same performance of the pre-regeneration catalyst was not recovered after regeneration.

상기 결과로부터, 본 발명의 실시예 1 ∼ 10의 촉매는 재생 전에도 80%에 가까운 우수한 1,3-부타디엔 선택도를 보일 뿐만 아니라, 촉매의 재생 후에도 안정적으로 반응 활성과 1,3-부타디엔 선택도가 회복됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 규칙적인 메조세공 실리카계 촉매는 재생 능력이 종래 일반적인 실리카계 촉매보다 개선될 뿐만 아니라 오히려 재생 후, 촉매의 성능이 향상되는 효과가 있으므로 1,3-부타디엔의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.From the above results, it can be seen that the catalysts of Examples 1 to 10 of the present invention exhibit excellent 1,3-butadiene selectivity close to 80% even before regeneration, and also exhibit stable reaction activity and 1,3-butadiene selectivity Is recovered. Therefore, the regular mesoporous silica-based catalyst of the present invention not only improves the regenerating ability over the conventional silica-based catalyst but also has an effect of improving the catalyst performance after regeneration, so that it is useful for the production of 1,3-butadiene .

Claims (10)

표면적이 582.6 ~ 688.0 m2/g이고, 세공 평균 크기가 5.5 ~ 7.6 nm인 규칙적인 메조세공 실리카(Ordered Mesoporous Silica, OMS)에 전이금속 산화물이 담지된 1,3-부타디엔 제조용 촉매.
Catalyst for the production of 1,3-butadiene having a transition metal oxide supported on regular mesoporous silica (OMS) having a surface area of 582.6 to 688.0 m 2 / g and an average pore size of 5.5 to 7.6 nm.
제1항에 있어서, 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 KIT(Korea Advanced
Institute of Science and Technology), MMS(Mesoporous Molecular Sieve), MCM(Mobil Composition of Matter), SBA(Santa Barbara) 및 TUD(Technische Universiteit Delft) 시리즈로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조용 촉매.
The method of claim 1, wherein the regular mesoporous silica is a KIT (Korea Advanced
(MMS), Mobil Composition of Matter (MCM), SBA (Santa Barbara), and TUD (Technische Universiteit Delft) series. Catalyst for the production of 3-butadiene.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 전이금속 산화물은 그룹 Ⅲ, Ⅳ 및 Ⅴ족 전이금속 산화물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조용 촉매.
The catalyst for producing 1,3-butadiene according to claim 1, wherein the transition metal oxide is at least one selected from the group consisting of Group III, IV and V transition metal oxides.
제1항에 있어서, 상기 전이금속 산화물은 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 아연 산화물 및 나이오븀 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조용 촉매.
The catalyst for producing 1,3-butadiene according to claim 1, wherein the transition metal oxide is at least one selected from the group consisting of hafnium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, zinc oxide and niobium oxide.
제1항에 있어서, 상기 전이금속 산화물의 함량은 전체 촉매 100 중량부에 대하여 0.1 ∼ 10 중량부인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조용 촉매.
The catalyst for producing 1,3-butadiene according to claim 1, wherein the content of the transition metal oxide is 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the total catalyst.
표면적이 582.6 ~ 688.0 m2/g이고, 세공 평균 크기가 5.5 ~ 7.6 nm인 규칙적인 메조세공 실리카를 준비하는 단계(단계 1); 및
단계 1의 상기 규칙적인 메조세공 실리카에 전이금속 산화물을 함침시키는 단계(단계 2);를 포함하는 제1항의 1,3-부타디엔 제조용 촉매 제조방법.
Preparing a regular mesoporous silica having a surface area of 582.6 to 688.0 m &lt; 2 &gt; / g and an average pore size of 5.5 to 7.6 nm (step 1); And
Impregnating the regular mesoporous silica of step 1 with a transition metal oxide (step 2).
촉매를 이용하여 에탄올 또는 에탄올과 아세트알데히드의 혼합물을 반응시키는 단계를 포함하는 1,3-부타디엔 제조방법에 있어서,
상기 촉매는 제1항의 1,3-부타디엔 제조용 촉매인 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조방법.
Reacting a mixture of ethanol or an acetaldehyde with a catalyst using a catalyst,
Wherein the catalyst is the catalyst for the production of 1,3-butadiene according to claim 1.
제9항에 있어서, 상기 반응은 300 ℃ ∼ 400 ℃ 범위의 온도에서, 0.1 hr-1 ∼10.0 hr-1 범위의 공간 속도로, 에탄올:아세트알데히드의 조성비는 몰비로 1:0.001 ∼ 1:0.7 인 혼합물을 반응시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 1,3-부타디엔 제조방법.
10. The method of claim 9, wherein the reaction is at a temperature of 300 ℃ ~ 400 ℃ range, 0.1 hr -1 hr -1 range of ~10.0 Wherein the composition ratio of ethanol: acetaldehyde is 1: 0.001 to 1: 0.7 in terms of molar ratio.
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