KR102180635B1 - Manganese-doped composite metal oxide catalyst for exhaust gas purification and method for preparing thereof - Google Patents

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KR102180635B1 KR1020190055854A KR20190055854A KR102180635B1 KR 102180635 B1 KR102180635 B1 KR 102180635B1 KR 1020190055854 A KR1020190055854 A KR 1020190055854A KR 20190055854 A KR20190055854 A KR 20190055854A KR 102180635 B1 KR102180635 B1 KR 102180635B1
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Abstract

The present invention relates to a complex metal oxide catalyst doped with manganese for purification of exhaust gas and a method for manufacturing the same, wherein the catalyst has improved hydrocarbon oxidation activity and increased stability, thereby being able to be effectively used for exhaust gas purification. Another object of the present invention is to provide the catalyst for purifying exhaust gas containing at least one selected from a group consisting of copper oxide, cobalt oxide, and cerium oxide, and doped with a transition metal.

Description

배기가스 정화를 위한 망간으로 도핑된 복합 금속산화물 촉매 및 이의 제조방법{Manganese-doped composite metal oxide catalyst for exhaust gas purification and method for preparing thereof}Manganese-doped composite metal oxide catalyst for exhaust gas purification and method for preparing thereof {Manganese-doped composite metal oxide catalyst for exhaust gas purification and method for preparing thereof}

본 발명은 배기가스 정화를 위한 망간으로 도핑된 복합 금속산화물 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CuO-Co3O4-CeO2(CCC) 촉매의 열수 노화에 의해 탄화수소 산화 활성이 개선되고 안정성이 증대된, 망간이 도핑된 복합 금속산화물 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a complex metal oxide catalyst doped with manganese for purification of exhaust gas and a method for preparing the same, and more particularly, the hydrocarbon oxidation activity is increased by hydrothermal aging of the CuO-Co 3 O 4 -CeO 2 (CCC) catalyst. The present invention relates to a manganese-doped composite metal oxide catalyst with improved stability and increased stability, and a method for preparing the same.

자동차 오염 물질에 대한 환경 규제가 강화됨에 따라 연료 소비 및 배기 가스 배출량을 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다. 반응 제어 압축 착화(reactivity-controlled compression ignition; RCCI)와 같은 새로운 연소 기술은 연비를 향상시키고 NOx 및 미립자 물질의 배출을 감소시킬 수 있다. 그러나 배기 가스 온도가 낮아지면 후 처리 촉매가 더 많은 CO와 탄화수소를 생성하게 된다. 따라서 저온에서 작동할 수 있는 보다 우수한 촉매가 매우 필요하다.As environmental regulations on automobile pollutants are strengthened, efforts to reduce fuel consumption and exhaust gas emissions continue. New combustion technologies such as reactivity-controlled compression ignition (RCCI) can improve fuel economy and reduce emissions of NOx and particulate matter. However, as the exhaust gas temperature is lowered, the post-treatment catalyst produces more CO and hydrocarbons. Therefore, there is a great need for better catalysts that can operate at low temperatures.

   백금족 금속(Platinum-group metals; PGMs)은 CO 산화에 대해 우수한 저온 활성을 나타내기 때문에 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalysts; DOC)로 널리 사용되어 왔다. 그러나 CO 산화에 대한 높은 활성은 금속 표면에 CO와 탄화수소가 경쟁적으로 흡착되기 때문에 탄화수소의 존재 하에서 현저하게 저하된다. 또한, 후 처리 섹션은 금속 나노 입자의 심각한 소결을 유발하는 최대 750℃의 고온을 종종 겪는다.Platinum-group metals (PGMs) have been widely used as diesel oxidation catalysts (DOC) because they exhibit excellent low-temperature activity against CO oxidation. However, the high activity against CO oxidation is significantly degraded in the presence of hydrocarbons because CO and hydrocarbons are competitively adsorbed on the metal surface. In addition, the post-treatment section often undergoes high temperatures of up to 750° C. which cause severe sintering of metal nanoparticles.

비 PGM 촉매는 저온에서 훨씬 낮은 가격과 상대적으로 우수한 CO 산화 작용 때문에 많은 관심을 받았다. 특히 CuO-Co3O4-CeO2(CCC)는 우수한 CO 산화 활성 및 탄화수소 억제에 대한 높은 내성으로 인해 자동차 배기 가스 처리를 위한 큰 가능성을 가지고 있다. 이 복합 산화물은 CO 산화 및 C3H6 산화를 위한 활성 사이트가 다르기 때문에 C3H6의 존재 하에서도 분해없이 CO 산화에 대해 높은 활성을 보였다. CO 산화를 위한 활성 사이트가 CuO와 Co3O4 또는 CeO2 사이의 인터페이스인 반면, C3H6 산화를 위한 활성 사이트는 Co3O4이다.Non-PGM catalysts have received a lot of attention due to their much lower cost and relatively good CO oxidation at low temperatures. In particular, CuO-Co 3 O 4 -CeO 2 (CCC) has great potential for automotive exhaust gas treatment due to its excellent CO oxidation activity and high resistance to hydrocarbon inhibition. This composite oxide showed high activity against CO oxidation without decomposition even in the presence of C 3 H 6 because the active sites for CO oxidation and C 3 H 6 oxidation were different. The active site for CO oxidation is the interface between CuO and Co 3 O 4 or CeO 2 , whereas the active site for C 3 H 6 oxidation is Co 3 O 4 .

그러나 CCC 촉매는 CO 산화와 비교하여 현저히 낮은 탄화수소 산화 활성을 나타내며, 예를 들어 C3H6 산화를 위한 CCC 촉매의 활성은 저온에서 열악하다. 또한 CCC 촉매는 열수 노화(hydrothermal aging) 후에 심각한 소결을 겪으므로 심각한 불활성화가 일어난다.However, the CCC catalyst exhibits significantly lower hydrocarbon oxidation activity compared to CO oxidation, and the activity of the CCC catalyst for C 3 H 6 oxidation, for example, is poor at low temperatures. In addition, the CCC catalyst undergoes severe sintering after hydrothermal aging, resulting in severe deactivation.

Co3O4상은 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds; VOC)의 산화에 대해 높은 활성을 갖는 것으로 알려져 있다. 그 활성은 더 많은 표면 활성 산소 종을 생산하는 다른 전이금속 도판트를 도입함으로써 촉진될 수 있다. 특히, Mn은 Mn과 Co 사이의 강한 상호 작용을 통해 다양한 VOCs의 산화를 위한 Co3O4의 활성을 향상시키는 것으로 보고된 바 있다.The Co 3 O 4 phase is known to have high activity against the oxidation of volatile organic compounds (VOC). Its activity can be promoted by introducing other transition metal dopants that produce more surface active oxygen species. In particular, Mn has been reported to improve the activity of Co 3 O 4 for oxidation of various VOCs through strong interaction between Mn and Co.

이에 본 발명자들은 간단한 공침법(co-precipitation method)에 의해 아래에 CCCM으로 표시되는 Mn- 도핑된 CCC 촉매를 합성한 결과 Mn이 Co3O4 상에 선택적으로 도핑되어 C3H6 산화 활성 및 열수 처리 후의 내구성을 향상시키는 것을 확인하였다.Accordingly, the present inventors synthesized the Mn-doped CCC catalyst represented by CCCM below by a simple co-precipitation method, and as a result, Mn is selectively doped on Co 3 O 4 and thus C 3 H 6 oxidation activity and It was confirmed that the durability after hot water treatment was improved.

이에, 본 발명의 목적은 구리(Cu) 함유 화합물, 코발트(Co) 함유 화합물 및 세륨(Ce) 함유 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상; 및 전이금속 함유 화합물의 전구체 용액 제조 단계를 포함하는 배기가스 정화용 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is at least one selected from the group consisting of a copper (Cu)-containing compound, a cobalt (Co)-containing compound, and a cerium (Ce)-containing compound; And it is to provide a method for producing a catalyst for purification of exhaust gas comprising the step of preparing a precursor solution of a transition metal-containing compound.

본 발명의 다른 목적은 산화구리, 산화코발트 및 산화세륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 전이금속으로 도핑된 것인, 배기가스 정화용 촉매를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a catalyst for purifying exhaust gas comprising at least one selected from the group consisting of copper oxide, cobalt oxide and cerium oxide, and doped with a transition metal.

본 발명의 또 다른 목적은 산화구리, 산화코발트 및 산화세륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 전이금속으로 도핑된 것인, 배기가스 정화용 촉매를 포함하는 배기가스 처리용 시스템을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a system for treating exhaust gas comprising at least one selected from the group consisting of copper oxide, cobalt oxide and cerium oxide, and doped with a transition metal, including a catalyst for purifying exhaust gas. Is to do.

본 발명의 또 다른 목적은 망간으로 도핑된 복합 금속산화물 촉매의 배기가스 정화 용도에 관한 것이다.Another object of the present invention relates to a use of a composite metal oxide catalyst doped with manganese to purify exhaust gas.

본 발명은 배기가스 정화를 위한 망간으로 도핑된 복합 금속산화물 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방법에 의해 탄화수소 산화 활성이 개선되고 안정성이 증대된, 망간이 도핑된 복합 금속산화물 촉매를 제조할 수 있다. The present invention relates to a complex metal oxide catalyst doped with manganese for purification of exhaust gas and a method for preparing the same, and a manganese-doped complex metal oxide catalyst having improved hydrocarbon oxidation activity and increased stability by the method according to the present invention Can be manufactured.

본 발명자들은 CuO-Co3O4-CeO2(CCC) 촉매를 제조함에 있어서 망간 함유 화합물을 이용하여 망간이 도핑된 촉매를 제조하였으며, 이로 인해 C3H6 산화 활성이 증대되고 열수 노화에 의한 상분리가 방지되는 것을 확인하였다. In preparing a CuO-Co 3 O 4 -CeO 2 (CCC) catalyst, the present inventors prepared a manganese-doped catalyst by using a manganese-containing compound, which increases C 3 H 6 oxidation activity and results in hydrothermal aging. It was confirmed that phase separation was prevented.

이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 양태는 구리(Cu) 전구체, 코발트(Co) 전구체 및 세륨(Ce) 전구체, 및 전이금속 전구체를 혼합하는, 전구체 용액 제조 단계를 포함하는 배기가스 정화용 촉매의 제조방법이다.One aspect of the present invention is a method of preparing a catalyst for purification of exhaust gas including a precursor solution preparation step of mixing a copper (Cu) precursor, a cobalt (Co) precursor and a cerium (Ce) precursor, and a transition metal precursor.

상기 구리 전구체는 구리 질산염 3수화물(Cu(NO3)2·3H2O)인 것일 수 있다.The copper precursor may be a copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 ·3H 2 O).

상기 코발트 전구체는 염화 코발트 6수화물(CoCl2·6H2O)인 것일 수 있다.The cobalt precursor may be cobalt chloride hexahydrate (CoCl 2 ·6H 2 O).

상기 세륨 전구체는 세륨 나이트레이트 6수화물(Ce(NO3)2·6H2O)인 것일 수 있다.The cerium precursor may be cerium nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 2 ·6H 2 O).

상기 전이금속은 망간(Mn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있고, 예를 들어, 망간인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 망간 전구체는 질산 망간 수화물(Mn(NO3)2·xH2O, Aldrich)인 것일 수 있다.The transition metal may be one or more selected from the group consisting of manganese (Mn), zinc (Zn), titanium (Ti), iron (Fe), and nickel (Ni), for example, manganese. , But is not limited thereto. The manganese precursor may be manganese nitrate hydrate (Mn(NO 3 ) 2 ·xH 2 O, Aldrich).

상기 전구체 용액은 Cu : Co : Ce : 전이금속을 1 내지 5 : 8 내지 12 : 8 내지 12 : 1 내지 5의 몰비로 함유하는 것일 수 있고, 예를 들어, 1 : 5 : 5 : 1의 몰비로 함유하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The precursor solution may contain Cu: Co: Ce: transition metal in a molar ratio of 1 to 5: 8 to 12: 8 to 12: 1 to 5, for example, a molar ratio of 1: 5: 5: 1 It may be contained as, but is not limited thereto.

상기 방법은 상기 전구체 용액에 NaOH 용액을 적가하여 침전물을 수득하는 수득 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.The method may further include an obtaining step of dropwise adding NaOH solution to the precursor solution to obtain a precipitate.

상기 방법은 수득된 침전물을 200 내지 800℃에서 1 내지 8시간 동안 소성하는 소성 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.The method may be to further include a firing step of firing the obtained precipitate for 1 to 8 hours at 200 to 800 ℃.

상기 소성 단계는 300 내지 800℃, 400 내지 800℃, 500 내지 800℃, 200 내지 700℃, 300 내지 700℃, 400 내지 700℃, 500 내지 700℃, 200 내지 650℃ 또는 300 내지 650℃, 400 내지 650℃, 500 내지 650℃, 예를 들어, 550 내지 650℃인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The firing step is 300 to 800 ℃, 400 to 800 ℃, 500 to 800 ℃, 200 to 700 ℃, 300 to 700 ℃, 400 to 700 ℃, 500 to 700 ℃, 200 to 650 ℃ or 300 to 650 ℃, 400 To 650°C, 500 to 650°C, for example, 550 to 650°C, but is not limited thereto.

상기 소성 단계는 1 내지 8시간, 2 내지 8시간, 3 내지 8시간, 1 내지 6시간, 2 내지 6시간 또는 3 내지 6시간, 예를 들어, 4시간 내지 5시간 동안 수행하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The firing step may be performed for 1 to 8 hours, 2 to 8 hours, 3 to 8 hours, 1 to 6 hours, 2 to 6 hours or 3 to 6 hours, for example, 4 to 5 hours, It is not limited thereto.

본 발명의 다른 양태는 산화구리(CuO), 산화코발트(Co3O4) 및 산화세륨(CeO2)을 포함하고, 전이금속으로 도핑된 것인, 배기가스 정화용 촉매이다.Another aspect of the present invention is a catalyst for purification of exhaust gas containing copper oxide (CuO), cobalt oxide (Co 3 O 4 ) and cerium oxide (CeO 2 ), and doped with a transition metal.

상기 전이금속은 망간, 아연, 티타늄, 철 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있고, 예를 들어, 망간인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The transition metal may be one or more selected from the group consisting of manganese, zinc, titanium, iron, and nickel, and may be, for example, manganese, but is not limited thereto.

상기 전이금속은 산화코발트에 선택적으로 도핑된 것일 수 있다.The transition metal may be selectively doped with cobalt oxide.

본 발명의 또 다른 양태는 산화구리, 산화코발트 및 산화세륨을 포함하고 전이금속으로 도핑된 것인 배기가스 정화용 촉매를 포함하는 배기가스 처리용 시스템이다.Another aspect of the present invention is a system for treating exhaust gas comprising a catalyst for purifying exhaust gas comprising copper oxide, cobalt oxide and cerium oxide and doped with a transition metal.

상기 전이금속은 망간, 아연, 티타늄, 철 및 니켈로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있고, 예를 들어, 망간인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The transition metal may be one or more selected from the group consisting of manganese, zinc, titanium, iron, and nickel, and may be, for example, manganese, but is not limited thereto.

상기 전이금속은 산화코발트에 선택적으로 도핑된 것일 수 있다.The transition metal may be selectively doped with cobalt oxide.

본 발명은 배기가스 정화를 위한 망간으로 도핑된 복합 금속산화물 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 촉매는 탄화수소 산화 활성이 개선되고 안정성이 증대되었으므로, 이를 효과적으로 배기가스 정화에 이용할 수 있다.The present invention relates to a complex metal oxide catalyst doped with manganese for purification of exhaust gas and a method for producing the same, wherein the catalyst has improved hydrocarbon oxidation activity and increased stability, and thus can be effectively used for exhaust gas purification.

도 1a는 CuO-Co3O4-CeO2(CCC)에 대한 고각 환형 암시야-스캐닝 TEM(high angle annular dark field-scanning TEM; HAADF-STEM) 이미지와 에너지 분산형 X선 분광기(energy-dispersive X-ray spectroscopy; EDS) 원소 Co 매핑 이미지의 중첩 사진이다.
도 1b는 CCC-a(노화된 CCC)에 대한 HAADF-STEM 이미지와 EDS 원소 Co 매핑 이미지의 중첩 사진이다.
도 1c는 CCCM(Mn 도핑된 CCC)에 대한 HAADF-STEM 이미지와 EDS 원소 Co 매핑 이미지의 중첩 사진이다.
도 1d는 CCCM-a에 대한 HAADF-STEM 이미지와 EDS 원소 Co 매핑 이미지의 중첩 사진이다.
도 2는 CCC, CCCM, CCC-a 및 CCCM-a 촉매의 분말 X선 회절(X-ray diffraction; XRD, Rigaku, Cu Kα radiation) 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 Co K-edge 푸리에 변환(Fourier-transformed; FT) X선 흡수 광역 미세구조(Extended X-Ray Absorption Fine Structure; EXAFS) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 Mn K-edge FT-EXAFS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 촉매의 Co2p의 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS, K-alpha, ThermoVG Scientific) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4b는 촉매의 Ce3d XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4c는 촉매의 Mn2p XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4d는 촉매의 O1의 XPS 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 촉매의 동시 CO 및 C3H6 산화에 있어서의 CO의 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 촉매의 동시 CO 및 C3H6 산화에 있어서의 C3H6의 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5c는 촉매의 CO 산화에 대한 아레니우스(Arrhenius) 플롯을 나타낸 그래프이다.
도 5d는 촉매의 C3H6 산화에 대한 아레니우스 플롯을 나타낸 그래프이다.
도 6은 촉매의 NO 산화 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 Mn의 양에 따른 CCCM 촉매에서의 CO 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7b는 Mn의 양에 따른 CCCM 촉매에서의 C3H6 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7c는 Mn의 양에 따른 노화된 CCCM 촉매에서의 CO 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7d는 Mn의 양에 따른 노화된 CCCM 촉매에서의 C3H6 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 촉매의 동시 CO 및 C3H6 산화에 있어서의 CO 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 8b는 촉매의 동시 CO 및 C3H6 산화에 있어서의 C3H6 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 9a는 동시 CO 및 C3H6 산화에 있어서의 CCC 촉매의 인-시츄(in-situ) DRIFT 스펙트럼 모니터링 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9b는 동시 CO 및 C3H6 산화에 있어서의 CCCM 촉매의 인-시츄 DRIFT 스펙트럼 모니터링 결과를 나타낸 그래프이다.
1A is a high angle annular dark field-scanning TEM (HAADF-STEM) image for CuO-Co 3 O 4 -CeO 2 (CCC) and an energy-dispersive X-ray spectroscopy. X-ray spectroscopy (EDS) is a superimposed photo of the elemental Co mapping image.
1B is a superimposed photograph of a HAADF-STEM image and an EDS element Co mapping image for CCC-a (aging CCC).
1C is a superimposed photograph of a HAADF-STEM image and an EDS element Co mapping image for CCCM (Mn-doped CCC).
1D is a superimposed photograph of a HAADF-STEM image and an EDS element Co mapping image for CCCM-a.
2 is a graph showing a powder X-ray diffraction (XRD, Rigaku, Cu Kα radiation) pattern of the CCC, CCCM, CCC-a and CCCM-a catalysts.
3A is a graph showing a Co K-edge Fourier-transformed (FT) X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectrum.
3B is a graph showing the Mn K-edge FT-EXAFS spectrum.
Figure 4a is a graph showing the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-alpha, ThermoVG Scientific) spectrum of the catalyst Co2p.
4B is a graph showing the Ce3d XPS spectrum of the catalyst.
4c is a graph showing the Mn2p XPS spectrum of the catalyst.
4D is a graph showing the XPS spectrum of O1 of the catalyst.
5A is a graph showing the results of oxidation of CO in simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation of the catalyst.
5B is a graph showing the result of oxidation of C 3 H 6 in simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation of the catalyst.
5C is a graph showing an Arrhenius plot for CO oxidation of a catalyst.
5D is a graph showing an Arrhenius plot for C 3 H 6 oxidation of a catalyst.
6 is a graph showing the NO oxidation result of the catalyst.
7A is a graph showing the result of CO oxidation in the CCCM catalyst according to the amount of Mn.
7B is a graph showing the result of C 3 H 6 oxidation in the CCCM catalyst according to the amount of Mn.
7C is a graph showing the result of CO oxidation in the aged CCCM catalyst according to the amount of Mn.
7D is a graph showing the C 3 H 6 oxidation result in the aged CCCM catalyst according to the amount of Mn.
8A is a graph showing the CO conversion rate in simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation of the catalyst.
8B is a graph showing the conversion rate of C 3 H 6 in simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation of the catalyst.
9A is a graph showing an in-situ DRIFT spectrum monitoring result of a CCC catalyst in simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation.
9B is a graph showing the results of in-situ DRIFT spectrum monitoring of the CCCM catalyst in simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by the following examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량)%, 고체/액체는 (중량/부피)%, 그리고 액체/액체는 (부피/부피)%이다.Throughout this specification, "%" used to indicate the concentration of a specific substance is (weight/weight)% for solids/solids, (weight/volume)% for solids/liquids, and Liquid/liquid is (vol/vol)%.

실시예 1: CCCM 촉매의 합성Example 1: Synthesis of CCCM catalyst

CuO-Co3O4-CeO2(CCC) 촉매는 공침법(co-precipitation)으로 합성되었다.The CuO-Co 3 O 4 -CeO 2 (CCC) catalyst was synthesized by co-precipitation.

구리 질산염 3수화물(Cu(NO3)2·3H2O, Aldrich), 염화 코발트 6수화물(CoCl2·6H2O, Aldrich) 및 세륨 나이트레이트 6수화물(Ce(NO3)2·6H2O, Aldrich)을 25 ml의 탈이온수(deionized water)에 Cu:Co:Ce = 1:5:5의 몰비로 반응시켜 제조할 수 있다. 그 후, 격렬하게 교반하면서 25 ml의 NaOH 용액(0.375 M)을 상기 용액에 적가하였다. 1시간 후, 침전물을 탈이온수 및 에탄올로 세척하고, 50℃의 진공 오븐에서 밤새 건조시켰다. 얻어진 케이크(cake)를 세라믹 모르타르에서 미세 분말로 파쇄하고, 공기 중 600℃에서 4시간 동안 소성하였다.Copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 ·3H 2 O, Aldrich), cobalt chloride hexahydrate (CoCl 2 ·6H 2 O, Aldrich) and cerium nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 2 ·6H 2 O , Aldrich) in 25 ml of deionized water can be prepared by reacting Cu:Co:Ce = 1:5:5 in a molar ratio. Then, 25 ml of NaOH solution (0.375 M) was added dropwise to the solution with vigorous stirring. After 1 hour, the precipitate was washed with deionized water and ethanol, and dried in a vacuum oven at 50° C. overnight. The obtained cake was crushed into fine powder in a ceramic mortar, and fired at 600° C. in air for 4 hours.

Mn 도핑된 CuO-Co3O4-CeO2(CCCM) 촉매는 상기 CCC 촉매의 제조방법과 동일하게 합성하되, 질산 망간 수화물(Mn(NO3)2·xH2O, Aldrich)을 Mn 전구체로 하여 Cu:Co:Ce:Mn = 1:5:5:1의 몰비로 반응시켜 합성하였다.The Mn-doped CuO-Co 3 O 4 -CeO 2 (CCCM) catalyst was synthesized in the same manner as the method for preparing the CCC catalyst, but manganese nitrate hydrate (Mn(NO 3 ) 2 ·xH 2 O, Aldrich) was used as the Mn precursor. Then, it was synthesized by reacting at a molar ratio of Cu:Co:Ce:Mn = 1:5:5:1.

비교를 위해 Co3O4, CeO2 및 MnO2의 단일 금속 산화물도 합성하였다. CCC 및 CCCM 촉매는 10% H2O가 함유된 분당 144.5 ml의 공기를 흐르게 하면서 750℃에서 25시간 동안 열수 처리하여 노화된 촉매를 준비하였다. 노화된 CCC 및 CCCM 촉매는 각각 CCC-a 및 CCCM-a로 표시하였다.For comparison, a single metal oxide of Co 3 O 4 , CeO 2 and MnO 2 was also synthesized. The CCC and CCCM catalysts were subjected to hot water treatment at 750° C. for 25 hours while flowing 144.5 ml of air per minute containing 10% H 2 O to prepare an aged catalyst. Aged CCC and CCCM catalysts were denoted as CCC-a and CCCM-a, respectively.

실시예 2: CCCM 촉매의 형태 및 원소 분포의 확인Example 2: Confirmation of form and elemental distribution of CCCM catalyst

투과 전자 현미경(Transmission electron microscopy; TEM) 이미지는 300 kV의 전압을 갖는 TEM(Tecnai G2 F30 S-Twin; FEI)을 사용하여 얻어졌다. 200kV의 전압을 갖는 TEM(Talos F200X; FEI)을 사용하여 에너지 분산형 X선 분광기(energy-dispersive X-ray spectroscopy; EDS) 매핑 및 고각 환형 암시야-스캐닝 TEM(high angle annular dark field-scanning TEM; HAADF-STEM) 이미지를 얻었다. 이들 이미지를 얻어 촉매의 형태 및 원소 분포를 결정하였다.Transmission electron microscopy (TEM) images were obtained using a TEM (Tecnai G2 F30 S-Twin; FEI) with a voltage of 300 kV. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping and high angle annular dark field-scanning TEM (high angle annular dark field-scanning TEM) using a TEM (Talos F200X; FEI) with a voltage of 200 kV. ; HAADF-STEM) image was obtained. These images were obtained to determine the morphology and elemental distribution of the catalyst.

제조된 촉매의 실제 금속 함량을 표 1에 나타내었다. a촉매의 실제 금속 함량은 유도 결합 플라스마-발광 분광법(inductively coupled plasma-optical emission spectrometry; ICP-OES 720, 애질런트)에 의해 측정되었다.Table 1 shows the actual metal content of the prepared catalyst. a The actual metal content of the catalyst was measured by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES 720, Agilent).

촉매catalyst Cu (중량%)a Cu (% by weight) a Co (중량%)a Co (% by weight) a Ce (중량%)a Ce (% by weight) a Mn (중량%)a Mn (% by weight) a CCCCCC 4.64.6 26.826.8 59.259.2 -- CCCMCCCM 4.64.6 27.727.7 57.157.1 2.42.4 CCC-aCCC-a 4.84.8 26.626.6 54.054.0 -- CCCM-aCCCM-a 4.44.4 25.125.1 53.253.2 2.62.6

원소 분포는 모든 Cu, Co 및 Ce가 준비된 CCC 촉매에 균일하게 분포되어 있음을 보여주지만 Co 도메인은 750℃에서 10% H2O가 포함된 공기를 25시간 동안 흘려 열수 노화(CCC-a, CCCM-a)시킨 후 상분리 정도를 확인하였다.Elemental distribution shows that all Cu, Co, and Ce are uniformly distributed in the prepared CCC catalyst, but the Co domain is hydrothermal aging (CCC-a, CCCM) by flowing air containing 10% H 2 O at 750℃ for 25 hours. After -a), the degree of phase separation was confirmed.

도 1a 내지 1d에서 확인할 수 있듯이, 노화에 의한 Co의 상분리는 CCC-a 촉매에서 명확하게 관찰되었지만 CCCM-a 촉매에서는 상분리가 훨씬 적게 관찰되었다. 이로부터 망간 도핑에 의해 촉매의 내구성이 증가하였음을 알 수 있다. Mn 도핑에 의해, 750℃에서 25시간 동안 열수 노화시킨 후에도 촉매의 Co3O4 상의 소결 및 상분리를 방지하였다.As can be seen in FIGS. 1A to 1D, phase separation of Co by aging was clearly observed in the CCC-a catalyst, but much less phase separation was observed in the CCCM-a catalyst. From this, it can be seen that the durability of the catalyst is increased by manganese doping. Even after hot water aging at 750° C. for 25 hours by Mn doping, sintering and phase separation of the catalyst on Co 3 O 4 were prevented.

실시예 3: 촉매의 조직 특성 및 결정질 구조 확인Example 3: Confirmation of the structure characteristics and crystalline structure of the catalyst

결정 구조는 X선 회절(X-ray diffraction; XRD, Rigaku, Cu Kα radiation)에 의해 관찰되었다.The crystal structure was observed by X-ray diffraction (XRD, Rigaku, Cu Kα radiation).

도 2에서 확인할 수 있듯이, CCC 촉매의 XRD 데이터는 CuO 또는 다른 불순물이 없는 Co3O4 스피넬(spinel) 구조와 CeO2 면심 입방 형석(face-centered cubic fluorite) 구조가 관찰되었음을 보여준다.As can be seen in Figure 2, the XRD data of the CCC catalyst shows that CuO or other impurities-free Co 3 O 4 spinel (spinel) structure and CeO 2 face-centered cubic fluorite (face-centered cubic fluorite) structure was observed.

Cu는 CeO2 및 Co3O4상에서 미세하게 분포한다. CCCM 촉매는 거의 동일한 XRD 패턴을 나타내지만, Co3O4 피크에서만 회절각도가 낮아지는 약간의 변화가 관찰되어 Co3O4 격자 셀의 팽창을 나타낸다. CeO2 피크는 변화가 없었다. 이 차이는 열수 노화 후에 더욱 분명해졌다.Cu is finely distributed on CeO 2 and Co 3 O 4 . The CCCM catalyst showed almost the same XRD pattern, but a slight change in which the diffraction angle was lowered was observed only in the Co 3 O 4 peak, indicating the expansion of the Co 3 O 4 lattice cell. CeO 2 peak did not change. This difference became more evident after hydrothermal aging.

Mn의 존재는 더 많은 표면 활성 산소를 갖는 Co3O4상의 격자 팽창을 유도하는 것으로서, Co3O4 격자 셀 확장은 Mn 양이온(Mn3+, r = 0.79 Å)이 더 큰 Ce 양이온(Ce4+, r = 1.01 Å)을 대체하지 않고 더 작은 Co 양이온(Co3+, r = 0.75 Å)을 유리하게 대체한다.The presence of Mn induces lattice expansion on Co 3 O 4 with more surface active oxygen, and Co 3 O 4 lattice cell expansion is the result of the larger Ce cations (Ce cations (Mn 3+ , r = 0.79 Å)). 4+ , r = 1.01 Å), but advantageously replaces the smaller Co cations (Co 3+ , r = 0.75 Å).

촉매 중의 Co3O4와 CeO2의 결정자 크기와 격자 파라미터는 표 2와 같이 평가되었다(aCo3O4 및 CeO2의 결정자(crystallite) 크기는 각각 Co3O4(311) 및 CeO2(111) 반사로부터 셰러(Scherrer) 방정식을 사용하여 추정되었다; bCo3O4 및 CeO2의 격자 파라미터는 각각 Co3O4(311) 및 CeO2(111) 반사로부터 브래그 법칙(Bragg's law)을 사용하여 추정되었다.).The crystallite size and lattice parameters of Co 3 O 4 and CeO 2 in the catalyst were evaluated as shown in Table 2 ( a Co 3 O 4 and CeO 2 crystallite sizes were Co 3 O 4 (311) and CeO 2 ( 111) from the reflection was estimated using syereo (Scherrer) equation; b Co 3 O 4 and the lattice parameter of CeO 2 is Co 3 O 4 (311) and a CeO 2 (111) Bragg's law (Bragg's law) from the reflection, respectively Was estimated using).

촉매catalyst SBET (m2/g)S BET (m 2 /g) d Co (nm)a d Co (nm) a d Ce (nm)a d Ce (nm) a a Co (Å)b a Co (Å) b a Ce (Å)b a Ce (Å) b CCCCCC 7272 2222 77 8.08948.0894 5.41645.4164 CCCMCCCM 8888 1616 55 8.10018.1001 5.41835.4183 CCC-aCCC-a 1212 6060 2727 8.08738.0873 5.41835.4183 CCCM-aCCCM-a 1515 3838 2828 8.11718.1171 5.41645.4164

열수 노화는 CCC에서 CuO 상을 나타냈지만 CCCM에서는 CuO 상이 더 적었다. Mn-Co 고용체의 형성은 Co3O4 나노 입자의 성장을 억제할 수 있다. Co3O4 상은 Mn의 존재하에서 열수 노화(hydrothermal aging) 후에 더 적은 양으로 소결되었다.Hydrothermal aging showed the CuO phase in CCC, but the CuO phase was less in CCCM. The formation of a Mn-Co solid solution can inhibit the growth of Co 3 O 4 nanoparticles. The Co 3 O 4 phase was sintered to a smaller amount after hydrothermal aging in the presence of Mn.

실시예 4: 촉매의 EXAFS 스펙트럼 확인을 통한 Mn의 위치 확인Example 4: Confirmation of the location of Mn by confirming the EXAFS spectrum of the catalyst

포항방사광가속기(Pohang Light Source; PLS)의 8C XAFS 빔라인에서 확장된 X선 흡수 미세 구조(X-ray absorption fine structure; EXAFS) 측정을 수행하였다.X-ray absorption fine structure (EXAFS) measurements were performed on an 8C XAFS beamline of a Pohang Light Source (PLS).

도 3a는 촉매의 Co K-edge 푸리에 변환(Fourier-transformed; FT) X선 흡수 광역 미세구조(Extended X-Ray Absorption Fine Structure; EXAFS) 스펙트럼을 보여준다. 1.5 Å의 첫 번째 피크는 8면체 Co-O의 원자 간 거리에 상응한다. 반면 2.5 Å 및 3.0 Å의 피크는 8면체 Co 원자에서 8면체 또는 4면체에서 인접한 Co 원자까지의 원자 거리에 해당한다. CCCM 촉매의 8면체 Co 배위 피크의 크기는 CCC 촉매의 것보다 훨씬 약하며, Mn 도핑으로 인해 Co 8면체 피크가 낮아졌다.FIG. 3A shows the Co K-edge Fourier-transformed (FT) X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectrum of the catalyst. The first peak of 1.5 Å corresponds to the interatomic distance of the octahedral Co-O. On the other hand, the peaks of 2.5 Å and 3.0 Å correspond to the atomic distances from an octahedral Co atom to an octahedral or tetrahedral to an adjacent Co atom. The size of the octahedral Co coordination peak of the CCCM catalyst was much weaker than that of the CCC catalyst, and the Co octahedral peak was lowered due to Mn doping.

도 3b의 Mn K-edge FT-EXAFS 스펙트럼은 CCCM 촉매가 순수한 MnO2보다 1.5 Å에서 더 큰 8면체 Mn-O 피크를 가짐을 보여준다. 2.5 Å에서 8면체 Mn-Mn에 대한 피크가 CCCM 촉매에서 나타나지 않는 동안 2.1 Å에서 새로운 피크가 관찰되었다. 새로운 피크는 8면체 Mn-Co와 국부적인 왜곡의 상호 작용에 기인하는 것으로 보인다.The Mn K-edge FT-EXAFS spectrum of FIG. 3B shows that the CCCM catalyst has a larger octahedral Mn-O peak at 1.5 Å than that of pure MnO 2 . A new peak was observed at 2.1 Å while the peak for octahedral Mn-Mn at 2.5 Å did not appear in the CCCM catalyst. The new peak appears to be due to the interaction of octahedral Mn-Co with local distortion.

결과적으로 EXAFS 결과는 도핑된 Mn이 Co3O4 스피넬 구조에서 8면체 Co 사이트를 차지함으로써 Co3O4에 선택적으로 도핑된다는 것을 제시한다.As a result, EXAFS results suggest that the doped Mn is selectively doped to Co 3 O 4 by occupying the octahedral Co site in the Co 3 O 4 spinel structure.

실시예 5: 촉매의 화학적 상태 확인Example 5: Checking the chemical state of the catalyst

촉매의 표면 화학적 상태는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS, K-alpha, ThermoVG Scientific)으로 조사하였고, 결합 에너지는 284.8 eV에서의 C 1s 신호의 최대 강도를 기준으로 하여 추정하였다. 대응 정량 결과가 표 3에 열거되어 있다(a피크 면적비는 O 1s 스펙트럼의 피크 분해 결과로부터 얻어졌다.).The surface chemical state of the catalyst was investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-alpha, ThermoVG Scientific), and the binding energy was estimated based on the maximum intensity of the C 1s signal at 284.8 eV. The corresponding quantification results are listed in Table 3 ( a peak area ratio was obtained from the peak decomposition results of the O 1s spectrum).

촉매catalyst Cu 2p3/2 (eV)Cu 2p 3/2 (eV) Co 2p3/2 (eV)Co 2p 3/2 (eV) Ce 3d5/2 (eV)Ce 3d 5/2 (eV) Mn 2p3/2 (eV)Mn 2p 3/2 (eV) Oα/Oβa O α /Oβ a CCCCCC 933.3933.3 779.1779.1 882.0882.0 -- 0.480.48 CCCMCCCM 933.3933.3 779.6779.6 882.1882.1 641.7641.7 0.670.67 CCC-aCCC-a 932.6932.6 779.2779.2 882.0882.0 -- 0.340.34 CCCM-aCCCM-a 932.6932.6 779.8779.8 882.1882.1 641.6641.6 0.720.72

도 4a, 4b 및 표 3에서 확인할 수 있듯이, Mn- 도핑 후에 Cu 및 Ce 피크는 이동되지 않았지만, Co 피크는 Co2p3/2의 경우 제조된 CCC 촉매의 779.1 eV에서 제조된 CCC 촉매의 779.6 eV로 이동되었다. 수열 노화 후에도 동일한 경향이 관찰되었다.As can be seen in Figures 4a, 4b and Table 3, the Cu and Ce peaks did not move after Mn- doping, but the Co peak was from 779.1 eV of the prepared CCC catalyst in the case of Co2p 3/2 to 779.6 eV of the prepared CCC catalyst. Moved. The same trend was observed even after hydrothermal aging.

이러한 변화는 CCCM 촉매에서 Co3+/Co2+의 비율이 감소함을 나타낸다. Co3O4의 스피넬 구조에서 Co2+ 이온과 Co3+ 이온은 각각 4면체와 8면체의 위치에 존재한다. Co3+ 농도의 감소는 8면체 자리의 Co3+가 Mn으로 대체됨을 시사한다.This change indicates that the ratio of Co 3+ /Co 2+ in the CCCM catalyst decreases. In the spinel structure of Co 3 O 4 , Co 2+ ions and Co 3+ ions exist at positions of tetrahedral and octahedron, respectively. Reduction of Co 3+ concentrations suggest that the octahedral digit Co 3+ is replaced by Mn.

도 4c의 Mn 피크는 MnO2의 642.2 eV에서 CCCM 촉매의 641.7 eV로 Mn 피크가 이동한 것을 나타내며, 표면 Mn이 부분적으로 감소하였고 CCCM 촉매에서 Mn3+/Mn4+의 비율이 증가했음을 나타낸다. 이것은 8면체 자리의 Co3+가 Mn으로 대체된 것으로 볼 수 있다.The Mn peak in FIG. 4C indicates that the Mn peak shifted from 642.2 eV of MnO 2 to 641.7 eV of the CCCM catalyst, and the surface Mn partially decreased and the ratio of Mn 3+ /Mn 4+ increased in the CCCM catalyst. It can be seen that Co 3+ in the octahedral site has been replaced by Mn.

도 4d에서 보는 바와 같이 O 1s 피크는 Oα와 Oβ로 분해되었다. 529-530 eV 부근의 Oα 피크는 결함 산소(defective oxygen) 또는 표면의 화학흡착된 산소에 할당되었으며, 531-532 eV 부근의 Oβ 피크는 격자 산소(lattice oxygen)에 할당되었다. Mn 도핑 후 Oα/Oβ의 피크 면적비는 0.48에서 0.67로 증가하여 CCCM 촉매에서 결함 또는 화학흡착된 산소종이 더 많이 생성되었음을 나타낸다.As shown in Figure 4d, the O 1s peak was decomposed into O α and O β . The O α peak around 529-530 eV was assigned to defective oxygen or chemically adsorbed oxygen on the surface, and the O β peak around 531-532 eV was assigned to lattice oxygen. After Mn doping, the peak area ratio of O α /O β increased from 0.48 to 0.67, indicating that more defects or chemisorbed oxygen species were produced in the CCCM catalyst.

열수 노화 후, 그 차이는 더 분명해졌다. 그 비율은 CCC-a의 0.34에서 CCCM-a의 0.72로 증가하였다. 결함 산소는 Mn과 Co 양이온 간의 정전 균형을 유지하기 위해 불균일 전하와 격자 왜곡(lattice distortion)으로부터 생성될 수 있다. 분명히, Mn이 도핑된 CCCM 촉매는 더 많은 표면 활성 산소 종을 보유하고 있다.After hydrothermal aging, the difference became more apparent. The ratio increased from 0.34 of CCC-a to 0.72 of CCCM-a. Defective oxygen can be generated from non-uniform charge and lattice distortion to maintain an electrostatic balance between Mn and Co cations. Obviously, Mn-doped CCCM catalysts have more surface active oxygen species.

실시예 6: CO와 CExample 6: CO and C 33 HH 66 의 동시 산화에서의 촉매의 활성 및 내구성Activity and durability of the catalyst in the simultaneous oxidation of

대기압 조건하에서 50 mg의 촉매를 갖는 석영 고정층 반응기(quartz fixed-bed reactor)를 사용하여 동시 CO 및 C3H6 산화를 수행하였다. 촉매를 1시간 동안 He 흐름하에 100℃에서 전처리한 다음, 샘플을 실온으로 냉각시켰다. 반응은 0.4% CO, 0.1% C3H6, 10% O2 및 나머지 He로 이루어진 가스 스트림으로 240℃에서 수행하였다. 총 유량은 100 ml min-1(공간 속도(space velocity; SV) = 120,000 ml g-1h-1)이었다. 샘플을 각 온도로 유지하여 연속 공급 스트림에서 정상 상태에 도달시켰다.Simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation was carried out using a quartz fixed-bed reactor with 50 mg of catalyst under atmospheric pressure conditions. The catalyst was pretreated at 100° C. under He flow for 1 hour, then the sample was cooled to room temperature. The reaction was carried out at 240° C. with a gas stream consisting of 0.4% CO, 0.1% C 3 H 6 , 10% O 2 and the balance He. The total flow rate was 100 ml min -1 (space velocity (SV) = 120,000 ml g -1 h -1 ). The samples were held at each temperature to reach a steady state in a continuous feed stream.

생성된 가스는 충진된 컬럼(bed carboxen 1000, 75035, SUPELCO, 15 ft x 1/8 in. x 2.1 mm / 모세관 컬럼, GS-GASPRO, Agilent Technologies, 30 m x 0.32 mm) 및 열 전도도 검출기(thermal conductivity detector; TCD)/화염 이온화 검출기(flame ionization detector; FID)가 장착된 온-라인(on-line) 가스 크로마토그래피(GC, Younglin GC 6500)를 이용하여 모니터링하였다.The generated gas was filled with a column (bed carboxen 1000, 75035, SUPELCO, 15 ft x 1/8 in.x 2.1 mm / capillary column, GS-GASPRO, Agilent Technologies, 30 mx 0.32 mm) and a thermal conductivity detector detector (TCD)/flame ionization detector (FID) equipped with on-line gas chromatography (GC, Younglin GC 6500).

도 5a에서 확인할 수 있듯이, CCC 촉매와 CCCM 촉매는 155℃에서 100% CO 전환율을 달성함으로써 동일한 높은 활성을 보였다. CCC 촉매상의 CO 산화는 CuO와 Co3O4 또는 CeO2 사이의 계면 부위에서 약화된 금속-산소 결합으로부터 산소를 추출함으로써 주로 발생하는 것으로 보고되었다. Mn 도핑은 CO 산화를 위한 활성 사이트를 변화시키지는 않았다.As can be seen in Figure 5a, the CCC catalyst and the CCCM catalyst showed the same high activity by achieving 100% CO conversion at 155 ℃. It has been reported that CO oxidation on the CCC catalyst mainly occurs by extracting oxygen from weakened metal-oxygen bonds at the interface site between CuO and Co 3 O 4 or CeO 2 . Mn doping did not change the active site for CO oxidation.

CCCM 촉매는 CCC 촉매와 같이 CO 산화에 대한 C3H6 저해 효과에 대해 높은 내성을 보였다. 열수 노화 후, 100% CO 전환이 달성된 온도는 CCC-a 촉매의 경우 235℃로 상당히 증가한 반면, CCCM-a 촉매의 경우 온도는 185℃로 증가하였다. CCC 촉매는 CeO2와 상호 작용하는 고도로 분산된 Cu 부위로 인해 저온 소등(light-off)을 보인 반면, Co3O4 단계로 인해 높은 CO 전환을 유지할 수 있다고 보고되었다.The CCCM catalyst showed high resistance to the C 3 H 6 inhibitory effect on CO oxidation like the CCC catalyst. After hydrothermal aging, the temperature at which 100% CO conversion was achieved increased significantly to 235°C for the CCC-a catalyst, while the temperature increased to 185°C for the CCCM-a catalyst. It has been reported that the CCC catalyst showed low temperature light-off due to the highly dispersed Cu sites interacting with CeO 2 , while maintaining high CO conversion due to the Co 3 O 4 step.

CCCM-a 촉매의 Co3O4 미결정은 수열 노화 후 응집이 적어 계면 부위가 더 많이 보존되었다. 이것은 CCCM-a 촉매에 대해 100% CO 전환율을 갖는 온도인 T100 CO를 낮추었다. 촉매의 NO 산화 결과에 있어서도 CCC 및 CCCM 촉매는 거의 동일한 NO 전환율을 보인 반면, CCCM-a는 CCC-a 촉매보다 우수한 활성을 나타냈다.Co 3 O 4 microcrystals of the CCCM-a catalyst had less aggregation after hydrothermal aging, and more interfacial sites were preserved. This lowered the T100 CO, the temperature with 100% CO conversion for the CCCM-a catalyst. In the NO oxidation result of the catalyst, CCC and CCCM catalyst showed almost the same NO conversion rate, whereas CCCM-a showed better activity than CCC-a catalyst.

C3H6 산화는 CCC 촉매에서 Co3O4 상에 발생하는 것으로 알려져 있다.C 3 H 6 oxidation is known to occur on Co 3 O 4 in the CCC catalyst.

도 5b에서 알 수 있듯이, 제조된 CCCM 촉매는 T100 C3H6이 285℃로, T100 C3H6이 325℃인 CCC 촉매보다 더 우수한 활성을 보였다. 수열 노화 후, CCC-a 촉매는 T100 C3H6이 425℃로 훨씬 높은 반면, CCCM-a 촉매의 T100 C3H6는 355℃였다.As can be seen from FIG. 5B, the prepared CCCM catalyst showed more excellent activity than the CCC catalyst having T100 C 3 H 6 at 285°C and T100 C 3 H 6 at 325°C. After hydrothermal aging, the T100 C 3 H 6 of the CCC-a catalyst was much higher at 425° C., while the T100 C 3 H 6 of the CCCM-a catalyst was 355° C.

금속 산화물상의 C3H6의 완전한 산화는 표면에서 O2 흡착에 의해 생성된 친전자성 산소와의 반응을 통해 일어나는 초기 C-H 결합 절단을 필요로 한다. 금속 산화물상의 표면 격자 산소는 일반적으로 C3H6 산화에서 더 적은 역할을 한다고 보고되었다.Complete oxidation of C 3 H 6 on metal oxides requires initial CH bond cleavage that occurs through reaction with electrophilic oxygen generated by O 2 adsorption on the surface. It has been reported that the surface lattice oxygen on the metal oxide generally plays a lesser role in the C 3 H 6 oxidation.

XPS O 1s 및 O2-TPD 결과에서 볼 수 있듯이 CCCM 촉매는 화학흡착된 O2 및 O 종과 같은 표면 활성 산소가 더 많다. CCCM 촉매의 표면 활성 산소가 많을수록 C3H6의 산화 활성이 높아진다.As can be seen from the XPS O 1s and O 2 -TPD results, the CCCM catalyst has more surface active oxygen such as chemisorbed O 2 and O species. The more surface active oxygen of the CCCM catalyst, the higher the oxidation activity of C 3 H 6 .

도 5c 및 5d에서 확인할 수 있듯이, 아레니우스(Arrhenius) 그래프와 명백한 활성화 에너지가 CO 및 C3H6 산화에 대해 얻어졌다. 숙성된 촉매의 활성화 에너지는 Mn 도핑 후 CO 산화에서 42.8 kJ mol-1로부터 36.7 kJ mol-1로 감소하였고, C3H6 산화에서는 49.6 kJ mol-1로부터 41.6 kJ mol-1로 감소하였다.As can be seen in Figures 5c and 5d, Arrhenius graphs and apparent activation energies were obtained for CO and C 3 H 6 oxidation. The activation energy of the aged catalyst decreased from 42.8 kJ mol -1 to 36.7 kJ mol -1 in CO oxidation after Mn doping, and decreased from 49.6 kJ mol -1 to 41.6 kJ mol -1 in C 3 H 6 oxidation.

제조된 촉매와 노화된 촉매의 장기 내구성은 240℃에서 CO와 C3H6의 동시 산화 반응을 시험함으로써 그 전환율로써 확인하였다.The long-term durability of the prepared catalyst and the aged catalyst was confirmed by the conversion rate by testing the simultaneous oxidation reaction of CO and C 3 H 6 at 240°C.

실시예 7: NO 전환율 및 CO 전환율Example 7: NO conversion and CO conversion

NO 산화 또한 0.4% CO, 0.1% C3H6, 0.05% NO, 10% O2 및 나머지 Ar로 구성된 가스 흐름을 사용하여 수행되었다. NOx를 포함하는 생성물 가스는 가스 셀(내부 용적 0.2 L)을 갖는 120,000 ml g-1h-1에서 FT-IR 분광계(Nicolet iS10, Thermo Scientific)를 사용하여 모니터링되었다.NO oxidation was also carried out using a gas flow consisting of 0.4% CO, 0.1% C 3 H 6 , 0.05% NO, 10% O 2 and the balance Ar. Product gas containing NOx was monitored using an FT-IR spectrometer (Nicolet iS10, Thermo Scientific) at 120,000 ml g -1 h -1 with a gas cell (internal volume 0.2 L).

도 6에서 확인할 수 있듯이, CCC 및 CCCM 촉매는 거의 동일한 NO 전환율을 보인 반면, CCCM-a는 CCC-a 촉매보다 우수한 활성을 나타냈다.As can be seen in FIG. 6, the CCC and CCCM catalysts showed almost the same NO conversion rate, whereas CCCM-a showed superior activity than the CCC-a catalyst.

도 7a 내지 7d에서 확인할 수 있듯이, CCCM 촉매에서의 Mn의 양의 영향을 조사한 결과, Cu:Co:Ce:Mn = 1:5:5:X의 비율을 X = 0, 0.5, 1, 1.5 및 2로 변화시키면 X = 1인 경우의 CCCM 촉매가 가장 우수한 CO 및 C3H6 산화 활성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Figures 7a to 7d, as a result of investigating the effect of the amount of Mn in the CCCM catalyst, the ratio of Cu:Co:Ce:Mn = 1:5:5:X is X = 0, 0.5, 1, 1.5 and When changed to 2, it was confirmed that the CCCM catalyst in the case of X = 1 exhibited the best CO and C 3 H 6 oxidation activity.

도 8a 및 8b에서 확인할 수 있듯이, Mn 도핑 후 CO 전환율은 86.3%에서 100.0%로 증가하였고, 모든 촉매의 CO 전환율은 CCC-a를 제외하고 100 %였다. C3H6 전환율은 17.1%에서 50.9%로 증가하였다. Mn 도핑된 CCCM 촉매는 장기 반응 후의 경우에도 CCC에 비해 활성 및 내구성이 더욱 현저하게 향상되었다.As can be seen in Figures 8a and 8b, after Mn doping, the CO conversion rate increased from 86.3% to 100.0%, and the CO conversion rate of all catalysts was 100% except for CCC-a. The C 3 H 6 conversion rate increased from 17.1% to 50.9%. The Mn-doped CCCM catalyst further markedly improved the activity and durability compared to CCC even after a long-term reaction.

실시예 8: 촉매 반응 중 형성된 표면 종의 확인Example 8: Identification of surface species formed during catalytic reaction

상승된 온도에서 반응 중 형성된 표면 종(surface species)을 조사하기 위해 동시 CO 및 C3H6 산화를 위한 인-시튜(in-situ) DRIFT 분석이 수행되었다.In-situ DRIFT analysis for simultaneous CO and C 3 H 6 oxidation was performed to investigate the surface species formed during the reaction at elevated temperatures.

CO 및 C3H6 산화는 FT-IR 분광기(Nicolet iS-50; Thermo Scientific)를 사용하여 확산 반사율 적외선 푸리에-변환 분광기(diffuse reflectance infrared Fourier-transform spectroscopy; DRIFTS)로 현장(in-situ) 모니터링하였다.CO and C 3 H 6 oxidation is monitored in-situ with a diffuse reflectance infrared Fourier-transform spectroscopy (DRIFTS) using an FT-IR spectroscopy (Nicolet iS-50; Thermo Scientific). I did.

구체적으로, 촉매 4 mg을 KBr 196 mg으로 분쇄하고, 혼합 분말을 DRIFTS 셀에 넣었다. 셀을 100℃에서 1시간 동안 Ar로 퍼징하고, 실온으로 냉각시켰다. 반응 동안 중간 종(intermediate species)의 형성을 모니터하기 위하여, CO 및 C3H6 산화는 셀 온도를 50℃까지 상승시키면서 0.8% CO, 0.2% C3H6, 10.0% O2 및 나머지 Ar로 이루어진 입구 기체 흐름으로 수행되었다.Specifically, 4 mg of the catalyst was pulverized with 196 mg of KBr, and the mixed powder was placed in a DRIFTS cell. The cell was purged with Ar at 100° C. for 1 hour and cooled to room temperature. In order to monitor the formation of intermediate species during the reaction, CO and C 3 H 6 oxidation was performed with 0.8% CO, 0.2% C 3 H 6 , 10.0% O 2 and remaining Ar while raising the cell temperature to 50°C. It was carried out with the inlet gas flow that was made.

IR 스펙트럼은 각각의 온도에서 10분 동안 반응 가스에 노출된 후에 수집되었다. 검은 색과 파란색으로 표시된 숫자는 각각 CO와 C3H6에서 유도된 피크 위치를 나타낸다.IR spectra were collected after exposure to the reaction gas for 10 minutes at each temperature. The numbers in black and blue indicate the peak positions derived from CO and C 3 H 6 , respectively.

도 9a에서 확인할 수 있듯이, CCC 촉매의 DRIFT 스펙트럼에서, 저온에서 검은 색으로 표시된 밴드는 중탄산염(bicarbonate)(1,465 및 1,114 cm-1), 이염화탄당(bidentate carbonate)(1,608 및 1,260 cm-1) 및 단일자리탄산염(unidentate carbonate)(1,396 cm-1)인 CO 산화에서 유래한 탄산염 종에 지정된다.As can be seen in FIG. 9A, in the DRIFT spectrum of the CCC catalyst, the bands indicated in black at low temperature are bicarbonate (1,465 and 1,114 cm -1 ), carbon dichloride (1,608 and 1,260 cm -1 ) And unidentate carbonate (1,396 cm -1 ), a carbonate species derived from the oxidation of CO.

C3H6 산화에 기인한 밴드는 포름산염(formate)(1,453, 1,412 및 1,370 cm-1), 아세테이트(acetate)(1,582 및 1,490 cm-1) 및 아세톤(acetone)(1,678 cm-1)이다. 이들 종은 산화 코발트 표면에서 C3H6 산화의 중간체로 제시되었다.The bands due to C 3 H 6 oxidation are formate (1,453, 1,412 and 1,370 cm -1 ), acetate (1,582 and 1,490 cm -1 ) and acetone (1,678 cm -1 ). . These species have been suggested as intermediates of C 3 H 6 oxidation on the surface of cobalt oxide.

도 9b에서 확인할 수 있듯이, CCCM 촉매의 DRIFT 스펙트럼에서, 촉매가 동일한 표면 반응 메커니즘을 따르는 경향이 거의 동일했다. 노화된 촉매는 표면적이 훨씬 작기 때문에 강도가 훨씬 약하다는 점을 제외하고는 유사한 거동을 나타내었다.As can be seen in FIG. 9B, in the DRIFT spectrum of the CCCM catalyst, the tendency of the catalyst to follow the same surface reaction mechanism was almost the same. The aged catalyst exhibited a similar behavior except that the strength was much weaker because of the much smaller surface area.

결과적으로 망간 도핑 전과 비교하여, 망간 도핑 이후에도 유사한 반응 중간체를 형성하기 때문에, 동일한 표면 반응 메커니즘을 따른다는 것을 알 수 있다.As a result, it can be seen that a similar reaction intermediate is formed even after manganese doping compared to before manganese doping, so that the same surface reaction mechanism is followed.

Claims (14)

구리(Cu) 전구체, 코발트(Co) 전구체 및 세륨(Ce) 전구체, 및 전이금속 전구체를 혼합하는, 전구체 용액 제조 단계를 포함하는 배기가스 정화용 촉매의 제조방법으로,
상기 전구체 용액은 구리 : 코발트 : 세륨 : 전이금속을 1 내지 5 : 8 내지 12 : 8 내지 12 : 1 내지 5의 몰비로 함유하는 것인, 제조방법.
A method for preparing a catalyst for purifying exhaust gas comprising a precursor solution preparation step of mixing a copper (Cu) precursor, a cobalt (Co) precursor and a cerium (Ce) precursor, and a transition metal precursor,
The precursor solution containing copper: cobalt: cerium: transition metal in a molar ratio of 1 to 5: 8 to 12: 8 to 12: 1 to 5.
제1항에 있어서, 상기 구리 전구체는 구리 질산염 3수화물(Cu(NO3)2·3H2O)인 것인, 배기가스 정화용 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the copper precursor is a copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 ·3H 2 O). 제1항에 있어서, 상기 코발트 전구체는 염화 코발트 6수화물(CoCl2·6H2O)인 것인, 배기가스 정화용 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the cobalt precursor is cobalt chloride hexahydrate (CoCl 2 ·6H 2 O). 제1항에 있어서, 상기 세륨 전구체는 세륨 나이트레이트 6수화물(Ce(NO3)2·6H2O)인 것인, 배기가스 정화용 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the cerium precursor is cerium nitrate hexahydrate (Ce(NO 3 ) 2 ·6H 2 O). 제1항에 있어서, 상기 전이금속은 망간(Mn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 배기가스 정화용 촉매의 제조방법.The catalyst according to claim 1, wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of manganese (Mn), zinc (Zn), titanium (Ti), iron (Fe) and nickel (Ni). Method of manufacturing. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 전구체 용액에 NaOH 용액을 적가하여 침전물을 수득하는 수득 단계를 더 포함하는 것인, 배기가스 정화용 촉매의 제조방법.The method of claim 1, wherein the method further comprises an obtaining step of obtaining a precipitate by dropwise adding a NaOH solution to the precursor solution. 제1항에 있어서, 수득된 침전물을 200 내지 800℃에서 1 내지 8시간 동안 소성하는 소성 단계를 더 포함하는 것인, 배기가스 정화용 촉매의 제조방법.The method of claim 1, further comprising a firing step of firing the obtained precipitate at 200 to 800° C. for 1 to 8 hours. 산화구리(CuO), 산화코발트(Co3O4) 및 산화세륨(CeO2)을 포함하고, 전이금속으로 도핑된 것인, 배기가스 정화용 촉매로,
상기 촉매는 구리 : 코발트 : 세륨 : 전이금속을 1 내지 5 : 8 내지 12 : 8 내지 12 : 1 내지 5의 몰비로 함유하는 것인, 촉매.
Copper oxide (CuO), cobalt oxide (Co 3 O 4 ) and cerium oxide (CeO 2 ), and doped with a transition metal, as a catalyst for purification of exhaust gas,
The catalyst contains copper: cobalt: cerium: transition metal in a molar ratio of 1 to 5: 8 to 12: 8 to 12: 1 to 5.
제9항에 있어서, 상기 전이금속은 망간(Mn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 배기가스 정화용 촉매.The catalyst according to claim 9, wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of manganese (Mn), zinc (Zn), titanium (Ti), iron (Fe) and nickel (Ni). . 제9항에 있어서, 상기 전이금속은 산화코발트에 선택적으로 도핑된 것인, 배기가스 정화용 촉매.The catalyst according to claim 9, wherein the transition metal is selectively doped with cobalt oxide. 산화구리(CuO), 산화코발트(Co3O4) 및 산화세륨(CeO2)을 포함하고 전이금속으로 도핑된 것인 배기가스 정화용 촉매를 포함하는 배기가스 처리용 시스템으로,
상기 촉매는 구리 : 코발트 : 세륨 : 전이금속을 1 내지 5 : 8 내지 12 : 8 내지 12 : 1 내지 5의 몰비로 함유하는 것인, 시스템.
A system for treating exhaust gas comprising a catalyst for purifying exhaust gas containing copper oxide (CuO), cobalt oxide (Co 3 O 4 ) and cerium oxide (CeO 2 ) and doped with a transition metal,
The catalyst contains copper: cobalt: cerium: transition metal in a molar ratio of 1 to 5: 8 to 12: 8 to 12: 1 to 5.
제12항에 있어서, 상기 전이금속은 망간(Mn), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 철(Fe) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 배기가스 처리용 시스템.The method of claim 12, wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of manganese (Mn), zinc (Zn), titanium (Ti), iron (Fe), and nickel (Ni). system. 제12항에 있어서, 상기 전이금속은 산화코발트에 선택적으로 도핑된 것인, 배기가스 처리용 시스템.The system of claim 12, wherein the transition metal is selectively doped with cobalt oxide.
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