KR102205552B1 - Mn-iron oxide based SCR catalyst with enhanced low temperature activity and a method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 지지체의 표면이 망간이 도핑된 산화철 입자로 코팅된 SCR 탈질 촉매 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다. The present invention relates to an SCR denitration catalyst in which the surface of a porous support is coated with iron oxide particles doped with manganese, and a method of preparing the same.

Description

저온 활성이 향상된 망간-산화철 기반 SCR 탈질 촉매 및 이의 제조 방법{Mn-iron oxide based SCR catalyst with enhanced low temperature activity and a method for manufacturing the same}Mn-iron oxide based SCR catalyst with enhanced low temperature activity and a method for manufacturing the same}

본 발명은 다공성 지지체의 표면이 망간이 도핑된 산화철 입자로 코팅된 SCR 탈질 촉매 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다. The present invention relates to an SCR denitration catalyst in which the surface of a porous support is coated with iron oxide particles doped with manganese, and a method of preparing the same.

질소산화물 (Nitric Oxides, NOx)는 공기중에서 질소가 고온에 의해 산화되며 발생하는 물질을 얘기한다. 주로 NO의 형태로 배출되며 대기에 노출된 후에는 NO2의 형태로 주로 존재한다. NOx는 인간을 비롯한 생명체 및 환경에 큰 피해를 미치는 유해물질로서 특히, 대기중 오존과 반응하여 질산을 생성하고 이 후 암모니아와 반응하여 최근 큰 이슈가 되고 있는 초 미세먼지인 질산암모듐을 형성한다. 또한 WHO 산하 국제 암연구국(IARC)에서 1단계 암 유발 인자로 분류되고 있어 이의 감소가 매우 절실하다.Nitric Oxides (NO x ) refers to substances that occur when nitrogen is oxidized in the air by high temperatures. It is mainly discharged in the form of NO, and is mainly present in the form of NO 2 after exposure to the atmosphere. NO x is a harmful substance that causes great damage to humans, living organisms, and the environment. In particular, it reacts with ozone in the atmosphere to produce nitric acid and then reacts with ammonia to form ammonium nitrate, which is a recent issue. do. In addition, it is classified as a stage 1 cancer inducing factor by the International Cancer Research Agency (IARC) under the WHO, so its reduction is very urgent.

질소산화물은 주로 화력발전소, 제조공장, 및 운송수단등과 같이 고온의 연소과정을 동반하는 경우 발생되며 이를 제거하기 위한 방법으로 선택적 촉매 환원법 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 방법이 가장 널리 사용되고 있다. SCR 방법에서 상용화되어 가장 널리 사용되고 있는 것은 V/W/TiO2계의 촉매로서 반응활성이 매우 높고 오랫동안 산업현장에 적용되어 왔다. 그러나 촉매 활성영역이 제한되어 저온에서의 촉매활성이 제한적이고 바나듐이 고온에서 기화시 인체에 유해한 특성을 지니고 있다. 또한 촉매층 제조 비용이 높게 요구되어 이를 극복할 방안이 필요하다.Nitrogen oxides are mainly generated when a high-temperature combustion process is accompanied, such as thermal power plants, manufacturing plants, and transportation means, and the selective catalytic reduction (SCR) method is most widely used as a method for removing them. The most widely used and commercialized in the SCR method is a V/W/TiO 2 type catalyst, which has very high reaction activity and has been applied to industrial sites for a long time. However, since the catalytic active region is limited, the catalytic activity at low temperatures is limited, and when vanadium vaporizes at high temperatures, it has properties that are harmful to the human body. In addition, there is a need for a method to overcome the high demand for the catalyst layer manufacturing cost.

최근 마그헤마이트 산화철을 기반으로 한 SCR 촉매의 개발이 주목받고 있다. 마그헤마이트(γ-Fe2O3)는 철 3가 산화철의 구조중 한 가지로서 스피넬 구조를 지니며 나노입자가 되었을 때 수퍼파라마그네틱한 자기적 성질을 갖는다. 철 3가 산화철 중 SCR 촉매 성능이 우수하고 SO2에 대한 피독이 덜 되는 것으로 보고되었으나 본질적으로 열에 취약한 결정구조를 가지고 있어 응용하는데 제한적이다. 그러나 망간이온이 도핑되었을 때 열적 안정성이 향상되고 저온에서 SCR 촉매 활성이 매우 향상되어 기존 SCR 촉매를 대체하면서도 저온영역에 적용가능한 촉매 주원료이다. 따라서 본 발명에서 개발된 촉매를 비표면적이 크고 기공 크기등의 조절이 용이한 벌집 구조체형 지지체에 도입하여 촉매를 제조하는 것이 매우 중요하다.Recently, the development of an SCR catalyst based on maghemite iron oxide is drawing attention. Maghemite (γ-Fe 2 O 3 ) is one of the structures of iron trivalent iron oxide and has a spinel structure, and when it becomes nanoparticles, it has superparamagnetic magnetic properties. Among the iron trivalent iron oxides, it has been reported that the SCR catalyst performance is excellent and poisoning to SO 2 is less, but the application is limited because it has a crystal structure that is inherently vulnerable to heat. However, when manganese ion is doped, thermal stability is improved and SCR catalyst activity is greatly improved at low temperatures, so it is the main catalyst material applicable to low temperature regions while replacing the existing SCR catalyst. Therefore, it is very important to prepare the catalyst by introducing the catalyst developed in the present invention into a honeycomb structure-type support having a large specific surface area and easy control of pore sizes.

기존 바나듐/텅스텐/이산화티타늄 기반 SCR 촉매는 활성온도 영역이 280℃ ~ 400℃로 제한적이며 바나듐 자체의 독성이 존재하여 활성 온도범위를 확장하며 친환경적이고 인체에 유해하지 않은 촉매의 개발이 필요하다. 또한 최근 상대적으로 저온인 300℃ 이하에서 성능이 향상된 SCR 촉매의 개발이 큰 이슈이다.Existing vanadium/tungsten/titanium dioxide based SCR catalysts have a limited active temperature range of 280°C to 400°C, and vanadium itself has toxicity, so it is necessary to expand the active temperature range and develop eco-friendly and harmless catalysts. In addition, the recent development of an SCR catalyst with improved performance at a relatively low temperature of 300°C or less is a big issue.

따라서, 본 발명에서는 마그헤마이트 산화철 구조에 망간이 도입된 촉매 나노입자를 초음파 코팅방법을 사용하여 벌집구조형 코디어라이트 지지체에 도입하여 촉매 활성이 개선된 SCR 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 저온에서의 SCR 촉매 활성이 향상되고 저비용 무독성 SCR 촉매를 개발하고 제조하는 방법을 제공하는 것을 본 발명이 목적으로 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an SCR catalyst with improved catalytic activity by introducing catalytic nanoparticles in which manganese is introduced into a maghemite iron oxide structure into a honeycomb structured cordierite support using an ultrasonic coating method. In addition, it is an object of the present invention to provide a method for developing and manufacturing a low-cost, non-toxic SCR catalyst with improved SCR catalyst activity at a low temperature.

본 발명의 제1 측면은 SCR 탈질 촉매에 대한 것으로서, 상기 촉매는 벌집 구조형 지지체 및 상기 지지체의 표면의 적어도 일부 또는 전부에 코팅되어 있으며 망간이 도핑된 산화철 입자를 포함하는 것이다.A first aspect of the present invention relates to an SCR denitration catalyst, wherein the catalyst includes a honeycomb structured support and iron oxide particles doped with manganese and coated on at least part or all of the surface of the support.

본 발명의 제2 측면은 상기 제1 측면에 있어서, 상기 산화철 입자는 직경(D50)이 5nm 내지 100nm인 것이다.In the second aspect of the present invention, in the first aspect, the iron oxide particles have a diameter (D 50 ) of 5 nm to 100 nm.

본 발명의 제3 측면은 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 산화철 입자는 입자 100중량% 대비 망간의 함량이 17중량% 내지 40중량% 이며 마그헤마이트 결정 구조를 갖는 것이다.A third aspect of the present invention is to have a maghemite crystal structure according to at least one of the above aspects, wherein the iron oxide particles have a manganese content of 17% by weight to 40% by weight relative to 100% by weight of the particles.

본 발명의 제4 측면은 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 망간이 도핑된 산화철 입자에서 망간은 산화수가 2 내지 4인 것이며 Mn2 +, Mn3 + 및 Mn4 + 중 적어도 어느 하나의 형태로 존재하는 것이다.The fourth aspect of the present invention is in at least any one of the aforementioned aspects, in the manganese-doped iron oxide particles, manganese has an oxidation number of 2 to 4, and at least one of Mn 2 + , Mn 3 + and Mn 4 + It exists in form.

본 발명의 제5 측면은 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 벌집 구조형 지지체는 코디어라이트, 실리카, 티타니아 중 적어도 하나 이상을 포함하는 세라믹 재료를 포함하며, 비표면적이 15 내지 150m2/g인 것이다.The fifth aspect of the present invention is according to at least one of the aforementioned aspects, wherein the honeycomb structural support includes a ceramic material including at least one of cordierite, silica, and titania, and has a specific surface area of 15 to 150 m 2 / is g.

본 발명의 제6 측면은 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 벌집 구조형 지지체의 표면은 유기산 및 무기산 중 하나 이상으로 표면처리된 것이다.A sixth aspect of the present invention is in at least one of the above aspects, wherein the surface of the honeycomb structured support is surface-treated with at least one of an organic acid and an inorganic acid.

본 발명의 제7 측면은 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 무기산은 질산, 황산 및 염산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이다. The seventh aspect of the present invention is to include at least one selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid, and hydrochloric acid in at least one of the above-described aspects.

본 발명의 제8 측면은 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 무기산은 염산인 것이다.In an eighth aspect of the present invention, in at least any one of the above aspects, the inorganic acid is hydrochloric acid.

본 발명의 제9 측면은 SCR 탈질 촉매를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 상기 방법은 (S10) 벌집 구조형 지지체를 준비하는 단계; (S20) 상기 지지체를 유기산 및 무기산 중 선택된 1종 이상으로 표면 처리하는 단계; (S30) 망간이 도핑된 산화철 입자를 포함하는 분산액을 준비하는 단계; (S40) 상기 표면 처리된 지지체의 표면을 상기 분산액으로 코팅하는 단계; 및 (S50) 상기 분산액으로 코팅된 지지체를 건조 및 소결하는 단계;를 포함한다. A ninth aspect of the present invention relates to a method of preparing an SCR denitrification catalyst, the method comprising the steps of (S10) preparing a honeycomb structure type support; (S20) surface-treating the support with at least one selected from an organic acid and an inorganic acid; (S30) preparing a dispersion containing iron oxide particles doped with manganese; (S40) coating the surface of the surface-treated support with the dispersion; And (S50) drying and sintering the support coated with the dispersion.

본 발명의 제10 측면은, 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 망간이 도핑된 산화철 입자는 하기 (S31) 내지 (S34) 포함하는 방법에 의해 수득되는 것이다: A tenth aspect of the present invention, in at least any one of the aforementioned aspects, the manganese-doped iron oxide particles are obtained by a method comprising the following (S31) to (S34):

(S31) 철 및 망간 이온을 포함하는 금속 이온 수용액을 준비하는 단계;(S31) preparing an aqueous metal ion solution containing iron and manganese ions;

(S32) 상기 금속 이온 수용액에 유기 화합물을 첨가하는 단계;(S32) adding an organic compound to the aqueous metal ion solution;

(S33) 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 형성하는 단계; 및 (S33) forming a manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF); And

(S34) 형성된 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 열분해하여 마그헤마이트계 산화철 나노 입자 또는 망간 헤마타이트계 산화철 나노입자를 수득하는 단계.(S34) pyrolyzing the formed manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF) to obtain maghemite-based iron oxide nanoparticles or manganese hematite-based iron oxide nanoparticles.

본 발명의 제11 측면은, 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 제조방법의 모든 단계가 산소 분위기, 대기 분위기 또는 산소가 포함된 대기 분위기 하에서 수행되는 것이다. In an eleventh aspect of the present invention, in at least one of the aforementioned aspects, all steps of the manufacturing method are performed in an oxygen atmosphere, an atmospheric atmosphere, or an atmospheric atmosphere containing oxygen.

본 발명의 제12 측면은, 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 수용액 중 금속 이온은 0.1 몰/리터 내지 1.0몰/리터의 농도로 포함되는 것이다.In a twelfth aspect of the present invention, in at least one of the aforementioned aspects, the metal ions in the aqueous solution are contained in a concentration of 0.1 mol/liter to 1.0 mol/liter.

본 발명의 제12 측면은, 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 수용액 중 망간 이온 농도 및 철 이온 농도는 동일한 것이다.In a twelfth aspect of the present invention, in at least one of the aforementioned aspects, the concentration of manganese ions and concentration of iron ions in the aqueous solution are the same.

본 발명의 제14 측면은, 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 유기 화합물은 유기산을 포함하는 것이다.In a fourteenth aspect of the present invention, in at least any one of the aforementioned aspects, the organic compound contains an organic acid.

본 발명의 제15 측면은, 전술한 측면 중 적어도 어느 하나에 있어서, 상기 소결이 320℃ 내지 400℃ 온도 범위에서 수행되고, 최종 수득된 생성물이 망간 마그헤마이트계 산화철 나노입자인 것이다.A fifteenth aspect of the present invention is that in at least one of the above aspects, the sintering is performed at a temperature ranging from 320°C to 400°C, and the finally obtained product is manganese maghemite-based iron oxide nanoparticles.

본 발명의 망간이 도입된 산화철 촉매는 가격이 매우 낮은 금속으로 비용의 절감이 가능하며 따라서, 대량생산에도 매우 용이하다. 또한, 금속들 중에서 가장 생체 및 환경 친화적인 금속으로 안정성이 확보될 수 있다. The iron oxide catalyst into which manganese of the present invention is introduced is a metal with a very low cost, and thus it is possible to reduce cost and, therefore, it is very easy to mass-produce. In addition, stability can be secured as the most bio- and environmentally friendly metal among metals.

한편, 초음파를 사용하여 촉매층을 지지체에 도입하여 촉매층의 코팅이 신속하게 이루어질 수 있으며 입자의 분산이 촉진되어 균일한 촉매층을 형성할 수 있다. On the other hand, by introducing the catalyst layer to the support by using ultrasonic waves, the coating of the catalyst layer can be made quickly, and dispersion of particles is promoted to form a uniform catalyst layer.

마지막으로 본 발명의 산화철 기반 촉매는 친환경적이고 가격이 저렴한 SCR 질소 산화물 저감 촉매로서 종래 기술에 비해 개선된 효과를 나타낸다. Lastly, the iron oxide-based catalyst of the present invention is an environmentally friendly and inexpensive SCR nitrogen oxide reduction catalyst, and exhibits improved effects compared to the prior art.

도 1은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 망간 도핑된 산화철 입자가 코팅된 SCR 탈질 촉매를 나타낸 이미지이다.
도 2는 실시예 2-1 및 2-2에서 수득된 SCR 촉매의 질소 저감 효과를 나타낸 것이다.
도 3은 망간 도핑된 산화철 입자의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4(a)는 실시예 1에서 제조된 FeMn-MOF의 SEM 이미지이고, 도 4(b)는 상기 FeMn-MOF의 TEM 이미지이며, 도 4(c)는 상기 FeMn-MOF의 EDS 맵핑 이미지이다.
도 5는 실시예 1 및 2에서 제조된 FeMn-320 및 FeMn-400의 XRD (Powder X-ray diffraction) 그래프이다.
도 6은 제조예 1에서 수득된 FeMn-MOF의 TGA(Thermogravimetric analysis) 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 수득된 MnFe-320 및 MnFe-400의 XPS 그래프이다.
도 8a는 실시예 1에서 수득된 MnFe-320의, 도 8b는 실시예 2에서 수득된 MnFe-400의 TEM 이미지이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 실시예 1-1 및 1-2에서 수득된 생성물의 질소 흡탈착 분석 그래프이다.
도 10a 및 10b는 각각 실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 수득된 산화철 입자의 자기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 수득된 산화철 입자를 STEM을 이용하여 나타낸 EDS 맵핑 이미지이다.
도 12는 제조예 1에서 수득된 FeMn-MOF에서 포함된 각 성분의 함량을 나타낸 것이다.
1 is an image showing an SCR denitration catalyst coated with manganese-doped iron oxide particles prepared in Example 2 of the present invention.
2 shows the nitrogen reduction effect of the SCR catalysts obtained in Examples 2-1 and 2-2.
3 is a schematic diagram schematically showing a manufacturing process of manganese-doped iron oxide particles.
Figure 4 (a) is a SEM image of the FeMn-MOF prepared in Example 1, Figure 4 (b) is a TEM image of the FeMn-MOF, Figure 4 (c) is an EDS mapping image of the FeMn-MOF .
5 is an XRD (Powder X-ray diffraction) graph of FeMn-320 and FeMn-400 prepared in Examples 1 and 2.
6 is a TGA (Thermogravimetric analysis) graph of FeMn-MOF obtained in Preparation Example 1.
7A and 7B are XPS graphs of MnFe-320 and MnFe-400 obtained in Example 1-1 and Example 1-2.
8A is a TEM image of MnFe-320 obtained in Example 1, and FIG. 8B is a TEM image of MnFe-400 obtained in Example 2.
9A and 9B are graphs of nitrogen adsorption and desorption analysis of the products obtained in Examples 1-1 and 1-2, respectively.
10A and 10B are graphs showing magnetic properties of iron oxide particles obtained in Examples 1-1 and 1-2, respectively.
11A and 11B are EDS mapping images showing iron oxide particles obtained in Examples 1-1 and 1-2, respectively, using STEM.
12 shows the content of each component contained in FeMn-MOF obtained in Preparation Example 1.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.Objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments associated with the accompanying drawings. In addition, the present invention may be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in describing the present invention, detailed descriptions of related known technologies that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

본 발명은 저온에서 질소 산화물의 저감 촉매 활성이 증가된 SCR 탈질 촉매 및 이의 제조에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 상기 SCR 탈질 촉매는 벌집 구조형 지지체 및 상기 지지체의 표면의 적어도 일부 또는 전부에 코팅되어 있으며 망간이 도핑된 산화철 입자를 포함한다. The present invention relates to an SCR denitration catalyst having an increased catalytic activity for reducing nitrogen oxides at low temperature and its preparation. In the present invention, the SCR denitration catalyst includes a honeycomb structured support and iron oxide particles doped with manganese and coated on at least part or all of the surface of the support.

상기 벌집 구조형 지지체는 한쪽이 개방되거나 양쪽이 모두 개방된 다각 기둥의 셀(cell)들을 포함하는 입체 구조이며, 상기 셀들은 빈 공간으로 유지되어 액체나 기체가 흐르거나 담지될 수 있는 3차원 입자 구조를 갖는 것이다. 상기 다각 기둥은 변이 3개 이상의 다각형의 폐곡선의 표면 형상을 가질 수 있는 것으로서 단지 6각형의 구조에 한정되는 것은 아니다. The honeycomb structured support is a three-dimensional structure including cells of a polygonal column with one open or both open, and the cells are maintained in an empty space, and a three-dimensional particle structure in which liquid or gas can flow or be supported. To have. The polygonal pillar may have a surface shape of a polygonal closed curve having three or more sides, and is not limited to a hexagonal structure.

상기 지지체는 후술하는 산화철 입자로 표면의 전부 또는 적어도 일부가 코팅되거나 피복되는 것으로 산화철 입자의 도입량을 높이기 위해 지지체 표면은 다공성인 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 지지체는 비표면적이 15 내지 150m2/g일 수 있다. The support is coated or covered with all or at least part of the surface with iron oxide particles to be described later, and the support surface is preferably porous in order to increase the amount of iron oxide particles introduced. In one embodiment of the present invention, the support may have a specific surface area of 15 to 150 m 2 /g.

본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 지지체는 점토질 재료를 포함할 수 있으며 이러한 점토질 재료를 압출 성형하여 제조된 것일 수 있다. 상기 지지체는 예를 들어 코어디라이트, 실리카 및 타이타니아 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 세라컴과 같은 시판중인 세라믹 허니컴 제품을 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the support may include a clay material, and may be manufactured by extrusion molding such a clay material. The support may include, for example, at least one or more of coredilite, silica, and titania. In addition, in a specific embodiment of the present invention, a commercially available ceramic honeycomb product such as Ceracom may be used.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 벌집 구조형 지지체는, 이에 한정되는 것은 아니나 셀의 직경은 최대 길이를 기준으로 100mm 내지 200mm일 수 있으며, 셀의 높이(또는 깊이)는 50mm 내지 150mm일 수 있으나 이에 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 각 기둥들이 집합된 전체 벌집 구조형 지지체의 경우 적용되는 탈질 공정에 따라 적절한 크기를 가질 수 있으며 특정 수지 범위로 한정되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the honeycomb structural support is, but is not limited thereto, the diameter of the cell may be 100mm to 200mm based on the maximum length, the height (or depth) of the cell may be 50mm to 150mm. It is not particularly limited thereto. In addition, in the case of the whole honeycomb structure type support in which each of the pillars is assembled, it may have an appropriate size according to the applied denitrification process, and is not limited to a specific resin range.

한편, 상기 산화철 입자는 상기 지지체의 표면을 전부 또는 적어도 일부 피복하는 것으로서, 물리적 또는 화학적인 결합에 의해 상기 표면에 코팅되어 있는 것이다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 지지체는 표면적의 약 80% 이상 또는 90% 이상 또는 99% 이상 상기 산화철 입자로 코팅되어 있을 수 있다. Meanwhile, the iron oxide particles cover all or at least part of the surface of the support, and are coated on the surface by physical or chemical bonding. In one embodiment of the present invention, the support may be coated with the iron oxide particles of about 80% or more, 90% or more, or 99% or more of the surface area.

본 발명에 있어서, 상기 산화철 입자는 망간이 도핑된 것으로서 마그헤마이트 결정 구조를 갖는 것이며, 이때 상기 입자는 직경(D50)이 약 5nm 내지 100nm의 범위를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 10nm 이상일 수 있으며 30nm 이하일 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 직경은 예를 들어, 5nm 내지 70nm, 더욱 바람직하게는 5nm 내지 30nm의 입자 직경을 갖는다. 상기 입자 직경은 상기 산화철 입자의 제조시 소결 온도에 따른 것으로 소결 온도가 낮을수록 입자 직경이 작으며 마그헤마이트 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. 이에 따라 저온에서 높은 질소 저감 효율을 나타낼 수 있다. In the present invention, the iron oxide particles are doped with manganese and have a maghemite crystal structure, wherein the particles may have a diameter (D50) of about 5 nm to 100 nm, and may be 10 nm or more within the range. And may be 30 nm or less. In one embodiment of the present invention, the diameter has a particle diameter of, for example, 5 nm to 70 nm, more preferably 5 nm to 30 nm. The particle diameter is according to the sintering temperature when the iron oxide particles are manufactured, and the lower the sintering temperature is, the smaller the particle diameter is, and the maghemite structure can be stably maintained. Accordingly, high nitrogen reduction efficiency can be exhibited at low temperatures.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 망간 도핑된 산화철 입자는 입자 100중량% 대비 망간의 함량이 17중량% 내지 40중량% 또는 20중량% 내지 40중량% 또는 30 중량% 내지 40 중량%가 포함될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 산화철 입자는 비표면적이 40m2/g내지 70m2/g으로 높아 촉매적 활성이 높을 것으로 예상된다. 또한, 상기 산화철 입자에서 망간의 산화수는 2 내지 4를 가질 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 3의 산화수를 갖는다. 즉, 상기 입자에서 망간은 Mn2 +,Mn3 +및 Mn4 +의 형태로 존재할 수 있으며, 바람직하게는 Mn2 +및 Mn3+중 적어도 어느 하나의 형태로 존재한다. In one embodiment of the present invention, the manganese-doped iron oxide particles contain 17% to 40% by weight or 20% to 40% by weight or 30% to 40% by weight of manganese relative to 100% by weight of the particles. I can. In addition, the iron oxide particles according to the present invention are expected to have high specific surface area of 40m 2 /g to 70m 2 /g, and thus have high catalytic activity. In addition, the oxidation number of manganese in the iron oxide particles may have 2 to 4, preferably 2 to 3. That is, in the particles, manganese may exist in the form of Mn 2 + , Mn 3 + and Mn 4 + , preferably in at least one of Mn 2 + and Mn 3+ .

첨부된 도 8a를 참조하면 상기 본 발명에 따른 망간 도핑된 산화철 입자가 Mn2 +및 Mn3 +중 적어도 어느 하나의 형태로 유지되고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 10a 및 도 10b에서도 이러한 특징을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8A, it can be seen that the manganese-doped iron oxide particles according to the present invention are maintained in at least one of Mn 2 + and Mn 3 + . In addition, this characteristic can be confirmed in FIGS. 10A and 10B.

일반적으로 산화철만으로는 300℃ 이하의 온도에서 질소 저감 효과가 낮은 것으로 알려져 있다. 그러나 본 발명의 망간 도핑된 산화철 입자는 300℃ 이하의 온도에서도 높은 수준의 질소 저감 효과가 나타나는 것으로 확인되고 있으며, 이것은 산화철 입자에 망간, 특히 2가 및 3가의 망간이 도핑되어 나타나는 효과로 볼 수 있다. In general, iron oxide alone is known to have a low nitrogen reduction effect at temperatures below 300°C. However, it has been confirmed that the manganese-doped iron oxide particles of the present invention exhibit a high level of nitrogen reduction effect even at a temperature of 300°C or less, and this can be seen as the effect of doping the iron oxide particles with manganese, especially divalent and trivalent manganese. have.

한편, 본 발명에 따른 SCR 탈질 촉매는 아래와 같은 방법으로 제조될 수 있다. On the other hand, the SCR denitration catalyst according to the present invention can be prepared by the following method.

우선, 벌집 구조형 지지체를 준비한다. 상기 벌집 구조형 지지체는 전술한 바와 같이 압출 성형의 방법으로 적절한 크기로 준비될 수 있으며, 또는 시판용 제품으로 준비될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 벌집 구조형 지지체는 코어디라이트, 실리카, 티타이타 등 세라믹 재료를 포함하는 시판용 허니컴 제품일 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 지지체는 비표면적이 약 15 내지 150m2일 수 있다. 이와 같이 벌집 구조형 지지체가 준비되면 이의 표면을 산(acid)을 이용하여 전처리한다. 상기 산(acid)는 유기산 및 무기산 중 선택된 1종 이상인 것으로서, 바람직하게는 무기산을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 무기산은 염산, 질산 및 황산 중 1종 이상이 포함될 수 있으며, 바람직하게는 질산 및/또는 염산이며, 가장 바람직하게는 염산인 것이다. First, a honeycomb structural support is prepared. The honeycomb structured support may be prepared in an appropriate size by extrusion molding as described above, or may be prepared as a commercial product. In one embodiment of the present invention, the honeycomb structure type support may be a commercial honeycomb product including a ceramic material such as coredlite, silica, and titanium. In one embodiment of the present invention, the support may have a specific surface area of about 15 to 150 m 2 . When the honeycomb structure type support is prepared as described above, its surface is pretreated using acid. The acid is one or more selected from organic acids and inorganic acids, and preferably inorganic acids may be used. In one embodiment of the present invention, the inorganic acid may include at least one of hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid, preferably nitric acid and/or hydrochloric acid, and most preferably hydrochloric acid.

상기 전처리는 다음과 같은 방법으로 수행될 수 있다. 산 용액을 준비하고 상기 산 용액에 상기 지지체를 담가 상기 지지체가 산 용액을 흡수하도록 한다. 이를 위해 지지체를 산 용액에 담근 후 용액 중에 소정 시간, 예를 들어 약 30분 내지 2시간 정도 정치시킨다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 산 용액은 전술한 유기산이나 무기산의 수용액인 것으로서 pH가 약 1 내지 3인 것이다. 이후 산 용액에서 상기 지지체를 취출하고 건조시킨다. 상기 건조는 상온에서 자연 건조될 수 될 수 있다. 또는 산 용액의 제거를 촉진하기 위해서 약 40℃ 이상의 고온 조건에서 건조를 진행할 수 있다. 건조 온도의 상한은 지지체의 물리 화학적 변화를 유발하지 않는 범위로 제어될 수 있으며 예를 들어 약 100℃ 이하로 조절될 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 지지체를 산 용액에서 취출한 후 이를 물로 수세하는 단계를 더 수행할 수 있다. 다음으로 건조된 지지체를 고온에서 소결시킨다. 소결에 의해 수분 및 남아있는 유기물을 제거하고 열적 안정성을 높일 수 있다. 상기 소결은 약 400℃ 내지 700℃의 온도 범위로 제어될 수 있으며 수 시간동안 유지될 수 있다. 한편, 상기 소결시 승온 속도는 설정 소결 온도까지 약 10℃/분 미만으로 천천히 승온되는 것이 바람직하다. 이후소결이완료되면이를상온까지냉각시킨다. 상기 냉각은 자연냉각, 송풍냉각, 열풍 냉각, 냉풍 냉각 등 공지의 냉각 방법 중 적절한 방법을 선택하여 수행될 수 있으며, 예를 들어 상기 냉각은 소결 결과물을 실온에 수 시간 방치하는 자연 냉각의 방법이 적용될 수 있다. The pretreatment may be performed in the following manner. An acid solution is prepared and the support is immersed in the acid solution to allow the support to absorb the acid solution. To this end, the support is immersed in an acid solution and then allowed to stand in the solution for a predetermined time, for example, about 30 minutes to 2 hours. In one embodiment of the present invention, the acid solution is an aqueous solution of the aforementioned organic acid or inorganic acid, and has a pH of about 1 to 3. Thereafter, the support is taken out from the acid solution and dried. The drying may be naturally dried at room temperature. Alternatively, drying may be performed under a high temperature condition of about 40° C. or higher in order to promote removal of the acid solution. The upper limit of the drying temperature may be controlled to a range that does not cause a physicochemical change of the support, for example, may be adjusted to about 100°C or less. On the other hand, in one embodiment of the present invention, the step of washing the support with water after taking out the support from the acid solution may be further performed. Next, the dried support is sintered at high temperature. By sintering, moisture and remaining organic matter can be removed and thermal stability can be improved. The sintering may be controlled in a temperature range of about 400° C. to 700° C. and maintained for several hours. On the other hand, it is preferable that the temperature increase rate during sintering is slowly increased to less than about 10° C./min to the set sintering temperature. After sintering is completed, it is cooled to room temperature. The cooling may be performed by selecting an appropriate method among known cooling methods such as natural cooling, air cooling, hot air cooling, and cold air cooling.For example, the cooling is a natural cooling method in which the sintered product is left at room temperature for several hours. Can be applied.

다음으로 망간이 도핑된 산화철 입자를 적절한 용매에 분산시켜 코팅액을 준비한다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 용매는 상기 산화철 입자의 물리 화학적 성질에 영향을 미치지 않는 것이면 특별한 용매로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 증류수가 용매로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 코팅액은 산화철 입자가 코팅액 중 약 10wt% 미만, 또는 약 5wt% 미만의 함량을 갖도록 준비될 수 있다. 한편, 본 발명에 있어서, 상기 지지체의 전처리와 상기 코팅액의 준비는 전술한 순서로 한정되는 것은 아니며 코팅액의 준비가 먼저 수행되거나 지지체의 전처리와 코팅액의 준비는 동시에 수행될 수 있다. Next, a coating solution is prepared by dispersing the iron oxide particles doped with manganese in an appropriate solvent. In an embodiment of the present invention, the solvent is not limited to a special solvent as long as it does not affect the physicochemical properties of the iron oxide particles, and for example, distilled water may be used as the solvent. In one embodiment of the present invention, the coating solution may be prepared such that the iron oxide particles have a content of less than about 10 wt%, or less than about 5 wt% of the coating solution. Meanwhile, in the present invention, the pretreatment of the support and the preparation of the coating solution are not limited to the above-described order, and the preparation of the coating solution may be performed first, or the pretreatment of the support and the preparation of the coating solution may be performed simultaneously.

코팅액이 준비되면 상기 코팅액에 준비된 지지체를 침지시키고 여기에 초음파를 인가하여 산화철 입자들이 지지체의 표면에 부착되도록 한다. 초음파의 인가 시간이나 강도는 특별히 한정되는 것은 아니며 소망하는 투입된 산화철 입자들 대부분이 지지체에 표면에 부착되는데 충분하도록 적절한 수준으로 제어될 수 있다. 이후 상기 코팅액에서 지지체를 취출하고 건조시켜 용매를 제거한다. 이후 건조된 지지체를 고온 소결 한다. 상기 소결은 200℃ 내지 400℃, 바람직하게는 200℃ 내지 350℃의 온도 범위로 제어될 수 있으며 수 시간동안 유지될 수 있다. 소결 온도가 상기 범위를 초과하는 경우에는 촉매의 결정 구조가 변형될 수 있다. 한편, 상기 소결시 승온 속도는 설정 소결 온도까지 약 10℃/분 미만으로 천천히 승온되는 것이 바람직하다. 승온 속도가 상기 범위를 초과하는 경우에는 코팅된 촉매의 손실이 발생할 수 있어 바람직하지 않다. 이후 소결이 완료되면 이를 상온까지 냉각시킨다. 상기 냉각은 자연냉각, 송풍냉각, 열풍 냉각, 냉풍 냉각 등 공지의 냉각 방법 중 적절한 방법을 선택하여 수행될 수 있으며, 예를 들어 상기 냉각은 소결 결과물을 실온에 수 시간 방치하는 자연 냉각의 방법이 적용될 수 있다. When the coating solution is prepared, the prepared support is immersed in the coating solution, and ultrasonic waves are applied thereto so that the iron oxide particles adhere to the surface of the support. The application time or intensity of the ultrasonic wave is not particularly limited, and may be controlled to an appropriate level so that most of the desired injected iron oxide particles adhere to the surface of the support. Thereafter, the support is removed from the coating solution and dried to remove the solvent. After that, the dried support is sintered at high temperature. The sintering may be controlled in a temperature range of 200°C to 400°C, preferably 200°C to 350°C and maintained for several hours. When the sintering temperature exceeds the above range, the crystal structure of the catalyst may be deformed. On the other hand, it is preferable that the temperature increase rate during sintering is slowly increased to less than about 10° C./min to the set sintering temperature. If the temperature increase rate exceeds the above range, loss of the coated catalyst may occur, which is not preferable. After sintering is completed, it is cooled to room temperature. The cooling may be performed by selecting an appropriate method among known cooling methods such as natural cooling, air cooling, hot air cooling, and cold air cooling.For example, the cooling is a natural cooling method in which the sintered product is left at room temperature for several hours. Can be applied.

다음으로 상기 지지체에 코팅되는 산화철 입자를 제조하는 방법에 대해 설명한다. Next, a method of preparing iron oxide particles coated on the support will be described.

본 발명의 일 양태에 있어서, 상기 망간이 도핑된 산화철 입자의 제조 방법은 (S31) 철 이온 및 망간 이온을 포함하는 금속 이온 수용액을 준비하는 단계; (S32) 상기 금속 이온 수용액에 유기 화합물을 첨가하는 단계; (S33) 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 형성하는 단계; 및 (S34) 열분해하여 마그헤마이트 결정 구조를 갖는 산화철 나노 입자를 수득하는 소결 단계;를 포함한다. In one aspect of the present invention, the method of manufacturing the iron oxide particles doped with manganese comprises the steps of (S31) preparing an aqueous metal ion solution containing iron ions and manganese ions; (S32) adding an organic compound to the aqueous metal ion solution; (S33) forming a manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF); And (S34) a sintering step of pyrolyzing to obtain iron oxide nanoparticles having a maghemite crystal structure.

특히, 본 발명의 제조방법은 염산이나 질산의 첨가 없이 또한 pH 조절 없이 FeMn-MOF가 제조되고, 산소 분위기 하에서 모든 공정이 수행되는 것을 특징으로 한다. 이하, 각 단계를 보다 상세히 살펴본다. In particular, the manufacturing method of the present invention is characterized in that FeMn-MOF is prepared without addition of hydrochloric acid or nitric acid and without pH adjustment, and all processes are performed in an oxygen atmosphere. Hereinafter, each step will be described in more detail.

우선, 철 이온 및 망간의 이온을 포함하는 금속 이온 수용액을 준비한다(S31). First, a metal ion aqueous solution containing iron ions and manganese ions is prepared (S31).

상기 금속 이온 수용액은 금속염, 금속의 염화물, 질화물, 브롬화물, 황화물 등의 형태인 철 및 망간 금속을 수용액에 용해시키는 방법으로 준비될 수 있다. 이의 비제한적인 예로는 철의 경우 Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(III) bromide, Iron(III) trifluoromethanesulfonate 등이 있으며, 망간의 경우는 Manganese(II) nitrate hexahydrate, Manganese(II) acetate hexahydrate 등이 있으나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니다. 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 금속 이온 수용액은 물에 FeCl3.6H2O와 MnCl2.4H2O를 용해시켜 준비될 수 있다. The metal ion aqueous solution may be prepared by dissolving iron and manganese metals in the form of metal salts, metal chlorides, nitrides, bromides, and sulfides in the aqueous solution. Non-limiting examples thereof include Iron(III) nitrate nonahydrate, Iron(III) bromide, and Iron(III) trifluoromethanesulfonate for iron, and Manganese(II) nitrate hexahydrate, Manganese(II) acetate hexahydrate, etc. for manganese. However, it is not particularly limited thereto. In one embodiment of the invention, the aqueous metal ion solution may be prepared by dissolving FeCl 3 .6H 2 O and MnCl 2 .4H 2 O in water.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 수용액 중 금속 이온의 농도는 망간과 철 각각에 대해 0.1몰/리터 내지 1.0몰/리터, 바람직하게는 0.2몰/리터 내지 0.5몰/리터의 범위로 포함될 수 있으며, 이때 상기 수용액 중 망간과 철은 서로 동일한 몰수로 포함된다. 예들 들어, 상기 수용액 중 물이 4L인 경우 FeCl3.6H2O1몰 기준으로 MnCl2.4H2O197g내지 1 몰수를 사용하거나 또는 FeCl3.6H2O와 MnCl2.4H2O를 동일한 몰수로 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the concentration of metal ions in the aqueous solution may be included in a range of 0.1 mol/liter to 1.0 mol/liter, preferably 0.2 mol/liter to 0.5 mol/liter for each of manganese and iron. In this case, manganese and iron in the aqueous solution are contained in the same number of moles. For example, if the water in the aqueous solution is 4L Using MnCl 2 .4H 2 O197g to 1 molar amount with FeCl 3 .6H 2 O1 moles relative to the 3 .6H 2 O with or FeCl 2 .4H 2 O can be used MnCl the same molar amount.

다음으로, 전술한 단계에서 수득된 금속 이온 수용액에 유기 화합물을 첨가한다(S32). 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 유기 화합물은 유기산을 포함할 수 있다. 상기 유기산은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 소듐 푸마레이트(Sodium fumarate), fumaric acid, terephtalic acid 및 sodium terephthalate 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 유기산으로 소듐 푸마레이트(Sodium fumarate)를 사용할 수 있다. 본 단계에서 금속 이온 수용액에 유기산을 첨가함으로써 유기산, 망간 이온 및 철 이온이 결합하여 FeMn-MOF 전구체를 형성하며 침전된다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 유기산은 수용액에 투입된 금속 이온과 동일 몰수 또는 이보다 과량으로 투입될 수 있다. 즉, 투입된 망간 이온 및 철 이온의 농도(몰수)와 동량으로 투입되거나 이보다 과량으로 투입될 수 있다. 예를 들어, 소듐 푸마레이트는 FeCl3.6H2O1몰에 대하여, 320g 또는 2몰의 양으로 첨가될 수 있다.Next, an organic compound is added to the aqueous metal ion solution obtained in the above step (S32). In one embodiment of the present invention, the organic compound may include an organic acid. The organic acid is not particularly limited, but may include, for example, at least one selected from sodium fumarate, fumaric acid, terephtalic acid, and sodium terephthalate. In one embodiment of the present invention, sodium fumarate may be used as the organic acid. In this step, by adding an organic acid to the aqueous metal ion solution, the organic acid, manganese ions, and iron ions are combined to form a FeMn-MOF precursor and precipitated. In one embodiment of the present invention, the organic acid may be added in an amount equal to or in excess of the metal ions added to the aqueous solution. That is, the same amount as the concentration (number of moles) of the manganese ions and iron ions added or may be added in an excessive amount. For example, sodium fumarate may be added in an amount of 320 g or 2 mol based on FeCl 3 .6H 2 O1 mol.

이후, 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 형성한다(S33).Thereafter, a manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF) is formed (S33).

상기 (S32) 에서 수득한 수용액을 60℃ 내지 80℃ 온도범위에서 6 시간 내지 12시간 시간동안 교반한다. 이 과정을 통해 망간/철 금속 유기 골격체(FeMn-MOF)가 형성된다. 상기 수용액을 원심분리하고 탈이온수, 아세톤으로 세척하여 수용액으로부터 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 수득한다.The aqueous solution obtained in (S32) is stirred at a temperature range of 60°C to 80°C for 6 to 12 hours. Through this process, a manganese/iron metal organic framework (FeMn-MOF) is formed. The aqueous solution was centrifuged and washed with deionized water and acetone to obtain a manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF) from the aqueous solution.

이후, 수득된 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 고온 소결하는 방법으로 열분해 하여 망간 마그헤마이트 산화철 나노입자 또는 망간 헤마타이트 산화철 나노입자를 수득한다(S34). 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 소결은 수득하고자 하는 입자의 성질에 따라 온도 조건이 상이할 수 있으며 바람직하게는 상기 소결은 약 320℃ 내지 약 400℃의 온도 범위에서 수행된다. Thereafter, the obtained manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF) is pyrolyzed by a method of sintering at a high temperature to obtain manganese maghemite iron oxide nanoparticles or manganese hematite iron oxide nanoparticles (S34). In one embodiment of the present invention, the sintering may have different temperature conditions depending on the properties of the particles to be obtained. Preferably, the sintering is performed at a temperature range of about 320°C to about 400°C.

본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 산화철 입자는 상기에서 수득된 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 5℃/min의 승온 속도로 320℃ 내지 400℃ 온도 범위까지 승온시킨 후 각 온도 범위에서 약 30분 내지 1시간 동안 유지하여 수득될 수 있다. 한편, 상기 소결은 대기 분위기 또는 산소 분위기 또는 산소를 포함하는 대기 분위기에서 수행될 수 있다. 소결 기체에 산소가 포함되는 경우, 산소의 농도는 소결이 진행되는 동안 소결 기체 100 vol% 중 1 vol% 내지 20 vol% 의 범위로 유지될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the iron oxide particles are each temperature range after heating the metal-organic framework (FeMn-MOF) obtained above to a temperature range of 320°C to 400°C at a heating rate of 5°C/min. It can be obtained by holding for about 30 minutes to 1 hour. Meanwhile, the sintering may be performed in an atmospheric atmosphere, an oxygen atmosphere, or an atmospheric atmosphere containing oxygen. When oxygen is included in the sintering gas, the concentration of oxygen may be maintained in the range of 1 vol% to 20 vol% of 100 vol% of the sintering gas during sintering.

한편, 본 발명에 따른 산화철 입자는 헤마타이트는 수퍼파라 마그네틱 및 페로-파라 마그네틱이 혼합된 자기적 성질을 띄고 있다.On the other hand, the iron oxide particles according to the present invention have a magnetic property in which the hematite is a mixture of a superpara magnetic and a ferro-para magnetic.

이하, 본 발명을 하기 실시예/비교예에 의해 보다 상세히 설명하지만, 하기 실시예/비교예는 본 발명의 보다 쉬운 이해를 위한 예시에 불과하며, 본 발명에 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by the following Examples/Comparative Examples, but the following Examples/Comparative Examples are only examples for easier understanding of the present invention, and are not limited thereto.

실시예 Example

제조예 1: 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)의 합성 Preparation Example 1: Synthesis of metal-organic skeleton (FeMn-MOF)

뚜껑이 있는 유리병에 40 mL의 증류수를 넣고 1.35g(5 mmol)의 FeCl3.6H2O와 0.99g(5mmol)의 MnCl2.4H2O를 첨가하여 녹였다. 이후 소듐 푸마레이트(1.6g, 10 mmol)을 40 mL 의 증류수에 녹여 서서히 첨가하였다. 이 후 60 ℃에서 6시간동안 교반하여 철/망간 이종금속 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 합성하였다. 40 mL of distilled water was added to a glass bottle with a lid, and 1.35 g (5 mmol) of FeCl 3 .6H 2 O and 0.99 g (5 mmol) of MnCl 2 .4H 2 O were added to dissolve. Thereafter, sodium fumarate (1.6g, 10 mmol) was dissolved in 40 mL of distilled water and slowly added. After that, the mixture was stirred at 60° C. for 6 hours to synthesize an iron/manganese dissimilar metal-organic skeleton (FeMn-MOF).

실시예 1-1: 망간 Example 1-1: Manganese 도핑된Doped 산화철 입자의 제조 1( Preparation of iron oxide particles 1 ( FeMnFeMn -320)-320)

이 후 세라믹 보트에 상기 제조예에서 수득된 철/망간 금속-유기 골격체를 넣고 5 ℃/min의 속도로 승온하며 320 ℃에서 공기 조건하에서 약 1 시간 소결하여 망간 도핑된 산화철 입자를 제조하였으며, 소결 온도에 따라‘FeMn-320’으로 명명하였다. 상기 ‘FeMn-320’은 마그헤마이트 결정 구조를 갖는 것으로 확인되었으며, 입자의 직경은 약 5nm 내지 2nm의 범위를 나타내었다. Thereafter, the iron/manganese metal-organic skeleton obtained in Preparation Example was put in a ceramic boat, heated at a rate of 5° C./min, and sintered at 320° C. for about 1 hour under air conditions to prepare manganese-doped iron oxide particles, It was named'FeMn-320' according to the sintering temperature. The'FeMn-320' was confirmed to have a maghemite crystal structure, and the diameter of the particles was in the range of about 5 nm to 2 nm.

실시예 1-2: 망간 Example 1-2: Manganese 도핑된Doped 산화철 입자의 제조 2 ( Preparation of iron oxide particles 2 ( FeMnFeMn -400)-400)

소결 온도를 400 ℃로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 망간 도핑된 산화철 입자를 제조하였으며, 소결 온도에 따라 이를 ‘FeMn-400’으로 명명하였다. 상기 ‘FeMn-400’은 마그헤마이트 결정 구조를 갖는 것으로 확인되었으며, 입자의 직경은 약 10nm 내지 30nm의 범위를 나타내었다.Manganese-doped iron oxide particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the sintering temperature was set to 400°C, and it was named “FeMn-400” according to the sintering temperature. The'FeMn-400' was found to have a maghemite crystal structure, and the diameter of the particles was in the range of about 10 nm to 30 nm.

실시예 2:벌집 구조형 지지체(코디어라이트, 세라컴)를 36%의 염산 수용액에 약 1시간 침지시켰다. 이 후 지지체를 꺼내고 증류수를 이용하여 염산을 세척한 후 60℃의 오븐에 두어 12시간 건조하였다. 이 후 소결로에 넣어 5℃/min의 속도로 승온하며 500℃에서 1시간 소결하여 전처리된 지지체를 준비하였다. 한편, 실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 수득한 망간 도핑된 산화철 입자를 1wt% 의 비율로 증류수에 분산시켰다. 실시예 1-1의 입자를 사용하여 제조된 촉매를 실시예 2-1로 하였으며, 실시예 1-2의 입자를 사용하여 제조된 촉매를 실시예 2-2로 하였다. 여기에서 상기 준비된 지지체를 침지하고 약 20분간 초음파 처리하였다. 상기 초음파 처리된 지지체를 꺼내어 통풍이 잘되는 곳에 두어 상온에서 12시간 자연 건조시켰다. 다음으로 상기 지지체를 소결로에 넣고 5℃/min의 속도로 승온하며 350℃에서 1시간 소결을 진행하였으며, 그 결과 망간 도핑된 산화철 입자가 코팅된 촉매를 수득하였다.Example 2: A honeycomb structural support (cordierite, Ceracom) was immersed in a 36% aqueous hydrochloric acid solution for about 1 hour. Thereafter, the support was taken out, washed with hydrochloric acid using distilled water, and then placed in an oven at 60° C. and dried for 12 hours. Then, it was put in a sintering furnace and heated at a rate of 5°C/min, and sintered at 500°C for 1 hour to prepare a pretreated support. On the other hand, the manganese-doped iron oxide particles obtained in Examples 1-1 and 1-2 were dispersed in distilled water at a ratio of 1 wt%. The catalyst prepared using the particles of Example 1-1 was referred to as Example 2-1, and the catalyst prepared using the particles of Example 1-2 was referred to as Example 2-2. Here, the prepared support was immersed and sonicated for about 20 minutes. The sonicated support was taken out, placed in a well-ventilated place, and naturally dried at room temperature for 12 hours. Next, the support was put into a sintering furnace, and the temperature was raised at a rate of 5°C/min, and sintering was performed at 350°C for 1 hour. As a result, a catalyst coated with manganese-doped iron oxide particles was obtained.

<평가예 1> <Evaluation Example 1>

FeMnFeMn -MOF, -MOF, FeMnFeMn -320 및 -320 and FeMnFeMn -400의 구조 및 물성 분석-400 structure and property analysis

제조예 및 실시예 1 및 2의 FeMn-MOF, FeMn-320 및 FeMn-400의 합성여부및망간의도핑여부는푸리에변환적외선분석(Fouried Transform Infrared, FT-IR) 및 에너지 분산 분광 분석(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)를 이용하여 분석하였다. The synthesis of FeMn-MOF, FeMn-320 and FeMn-400 of Preparation Examples and Examples 1 and 2 and doping of manganese were determined by Fouried Transform Infrared (FT-IR) and Energy Dispersive Spectroscopy Spectroscopy, EDS) was used.

또한, X-선 분말 회절(Powder X-ray diffraction, XRD) 분석을 이용하여 제조한 물질의 결정형태와 결정크기를 분석하였다. In addition, the crystal form and crystal size of the prepared material were analyzed by using powder X-ray diffraction (XRD) analysis.

투과전자현미경 분석(High Resolution Transmission electron Microscopy, HR-TEM), (Scanning Transmission electron Microscopy, STEM)과 전계방출주사 전자현미경 분석(Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM)의 이미지 분석을 통하여 FeMn-MOF, FeMn-320 및 FeMn-400의 형태 및 입자크기를 분석하였다. FeMn- through image analysis of High Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM), (Scanning Transmission electron Microscopy, STEM) and Field-Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM). The shape and particle size of MOF, FeMn-320 and FeMn-400 were analyzed.

또한, 질소 흡탈착 곡선 분석을 통한 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 방법을 통하여 제조된 물질의 비표면적을 확인하였고 Vibrating Sample Magnetometer (VSM)을 이용하여 물질의 자기적 특징을 측정하였다.In addition, the specific surface area of the prepared material was confirmed through the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method through nitrogen adsorption and desorption curve analysis, and the magnetic properties of the material were measured using a Vibrating Sample Magnetometer (VSM).

전계방사주사현미경Field Radiation Scanning Microscope (FE-(FE- SEMSEM ) 분석) analysis

제조예에서 합성된 FeMn-MOF의 거시구조를 관찰하였다. 도 4(a) 내지 도 4(c)의 이미지를 통해 약 200 ~ 300 nm 크기의 다이아몬드형 입자가 생성됨을 확인하였다.The macrostructure of the FeMn-MOF synthesized in Preparation Example was observed. It was confirmed that diamond-shaped particles having a size of about 200 to 300 nm were generated through the images of FIGS. 4(a) to 4(c).

(2) X-선 분말 회절(Powder X-ray diffraction, XRD)(2) X-ray powder diffraction (XRD)

X-선 회절 분석법을 이용하여 이원계 금속-유기 골격체가 무정형 상태이고 소결을 통해 생성된 금속 산화물이 산화적 기반의 결정구조를 형성함을 확인할 수 있다. 도 5(a)를 통해 철/망간 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)가 결정성을 많이 갖지 않는 것을 확인할 수 있으며 도 5(b)를 통해 320 ℃에서 소결 후 결정구조를 확인할 수 있고 마그헤마이트의 주요 피크들이 일치하는 것을 통해 산화철 구조중의 하나인 마그헤마이트 결정 구조를 형성함을 알 수 있다. Using the X-ray diffraction analysis method, it can be confirmed that the binary metal-organic skeleton is in an amorphous state and the metal oxide generated through sintering forms an oxidative-based crystal structure. It can be seen that the iron/manganese metal-organic framework (FeMn-MOF) does not have much crystallinity through FIG. 5(a), and the crystal structure after sintering at 320° C. can be confirmed through FIG. 5(b). It can be seen that the major peaks of hemite coincide to form a maghemite crystal structure, one of the iron oxide structures.

(3) 열무게 분석(TGA)(3) Thermal weight analysis (TGA)

제조예에서 수득된 FeMn-MOF에 대해 공기 중에서 TGA를 수행하였다. 100 ℃ 미만에서 물이 제거되고 2단계 공정을 통해 440 ℃보다 높은 온도에서 유기 빌딩 블록이 열분해됨이 도 6에 도시된 FeMn-MOF의 TGA 곡선으로부터 확인되었다.The FeMn-MOF obtained in Preparation Example was subjected to TGA in air. It was confirmed from the TGA curve of FeMn-MOF shown in FIG. 6 that water was removed below 100° C. and the organic building blocks were pyrolyzed at a temperature higher than 440° C. through a two-step process.

(4) X-선 광전자 분광분석(XPS)(4) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

X-선 광전자 분광분석을 이용하여 제조된 FeMn-MOF(제조예), 망간이 도입된 마그헤마이트(실시예 1-1 및 1-2)를 분석하였다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 망간을 분석하였을 때 MnFe-MOF(제조예)에서 망간이 환원됨을 확인 하였고 소결 후 실시예 1-1 및 1-2의 산화철 입자 구조에서 640.47 eV에 해당하는 망간 2가와 642.13 eV에 해당하는 망간 3가의 피크가 존재하는 것을 확인하였다. 철에 해당하는 피크를 분석하였을 때 MnFe-MOF(제조예)의 경우 환원된 철2가의 피크가 709.01 eV에서 관찰되었다. 소결 후 실시예 1-1 및 1-2의 산화철 입자 구조에서 소결온도가 증가할 수록 710.7 eV의 철 3가가 우세해짐을 확인하였다.FeMn-MOF (Preparation Example) prepared using X-ray photoelectron spectroscopy, and maghemite into which manganese was introduced (Examples 1-1 and 1-2) were analyzed. 7A and 7B, when manganese was analyzed, it was confirmed that manganese was reduced in MnFe-MOF (Preparation Example), and manganese corresponding to 640.47 eV in the iron oxide particle structures of Examples 1-1 and 1-2 after sintering was confirmed. It was confirmed that the bivalent and manganese trivalent peaks corresponding to 642.13 eV exist. When the peak corresponding to iron was analyzed, in the case of MnFe-MOF (Preparation Example), a peak of reduced iron divalent was observed at 709.01 eV. After sintering, in the iron oxide particle structures of Examples 1-1 and 1-2, it was confirmed that the iron trivalent of 710.7 eV became dominant as the sintering temperature increased.

(5) 투과전자현미경(TEM) 분석(5) Transmission electron microscope (TEM) analysis

FE-SEM에서 관찰하기 힘든 작은 입자를 관찰하기 위하여 TEM을 이용하여 실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 수득된 입자들을 관찰하였다. 도 8(a) 및 도 9(b)를 통해 약 100 nm 이하의 입자들이 생성된 것을 확인하였다. In order to observe small particles that are difficult to observe in FE-SEM, the particles obtained in Examples 1-1 and 1-2 were observed using TEM. It was confirmed that particles of about 100 nm or less were generated through FIGS. 8(a) and 9(b).

(6) 질소(N2)흡착/탈착 분석(6) Nitrogen (N 2 ) adsorption/desorption analysis

수득된 입자의 비표면적을 확인하기 위하여 질소 흡착/탈착 분석을 실시하였고 BET 방법을 이용하여 비표면적을 측정하였다. 분석결과, 도 9(a)(실시예 1-1) 및 도 9(b)(실시예 1-2)로부터 각각 62.0993 m2/g,45.1486m2으로 측정되었다.In order to confirm the specific surface area of the obtained particles, nitrogen adsorption/desorption analysis was performed, and the specific surface area was measured using the BET method. The results, Fig. 9 (a) (Example 1-1) and each was measured in 62.0993 m 2 /g,45.1486m 2 from Figure 9 (b) (Example 1-2).

(7) Vibrating Sample Magnetometer (VSM)(7) Vibrating Sample Magnetometer (VSM)

수득된 산화철 입자의 자기적 성질을 측정하였다. 도 10(a) 및 10(b)를 보면 실시예 1-1 및 1-2에서 수득된 입자들은 약 36 emu/g의 자성을 갖는 것을 분석되었으며 전부 수퍼파라 마그네틱한 성질을 보여주고 있다.The magnetic properties of the obtained iron oxide particles were measured. 10(a) and 10(b), the particles obtained in Examples 1-1 and 1-2 were analyzed to have a magnetism of about 36 emu/g, and all of them show superpara magnetic properties.

(8) 에너지 분광 분석(Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)(8) Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)

망간 이온이 산화철 입자에 도입되었는지 여부를 알아보기 위해 에너지 분산 분광 맵핑을 통하여 분석하였다. 도 11의 (a) 및 (b)의 Scanning transmission electron microscopy(STEM) 및 Energy dispersive spectroscopy(EDS)의 이미지를 통하여 소결을 통해 얻어진 산화철 입자에 망간이 도입되었음을 확인하였다.In order to determine whether manganese ions were introduced into the iron oxide particles, energy dispersion spectral mapping was used. It was confirmed that manganese was introduced into the iron oxide particles obtained through sintering through the images of Scanning transmission electron microscopy (STEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) of FIGS. 11 (a) and (b).

<평가예 2><Evaluation Example 2>

실시예 2-1 및 실시예 2-2에서 수득된 촉매에 대해서 질소 산화물의 저감 능력을 평가하였다. The catalysts obtained in Example 2-1 and Example 2-2 were evaluated for their ability to reduce nitrogen oxides.

[NO] = [NH3]=400ppm,3vol% O2 그리고 N2를 이동가스로 주입하였고 총 가스흐름은 1,000 mL/min, 공간속도는 30,000 h-1로 하였다. 질소 산화물 저감율은 아래 식 1을 이용하여 산출하였다. 각 50℃ 간격으로 질소 산화물 저감 성능을 측정한 결과 150℃ 내지 300℃ 사이에서 85% 이상의 저감 능력을 나타내었으며, 특히, 200℃ 및 250℃에서 95%이상의 저감 능력을 나타내었다. 도 2는 이의 평가 결과를 정리하여 나타낸 그래프이다.[NO] = [NH 3 ]=400ppm, 3vol% O 2 and N 2 were injected as moving gas, and the total gas flow was 1,000 mL/min, and the space velocity was 30,000 h -1 . The nitrogen oxide reduction rate was calculated using Equation 1 below. As a result of measuring the nitrogen oxide reduction performance at 50° C. intervals, a reduction capacity of 85% or more was shown between 150° C. and 300° C., and in particular, a reduction capacity of 95% or more at 200° C. and 250° C. 2 is a graph summarizing the evaluation results thereof.

Claims (15)

벌집 구조형 지지체 및 망간이 도핑된 산화철 입자를 포함하며, 상기 망간이 도핑된 산화철 입자가 상기 지지체의 표면의 적어도 일부 또는 전부에 코팅되어 있으며, 상기 망간이 도핑된 산화철 입자는 상기 입자 100중량% 대비 망간의 함량이 17중량% 내지 40중량%이며, 상기 망간이 도핑된 산화철 입자에서 망간은 산화수가 2 내지 4인 것이며, M2+, M3+ 및 M4+ 중 적어도 어느 하나의 형태로 존재하며, 상기 망간이 도핑된 산화철 입자는 망간 마그헤마이트계 산화철 나노 입자인 것인 SCR 탈질 촉매.
It includes a honeycomb structured support and iron oxide particles doped with manganese, the iron oxide particles doped with manganese are coated on at least part or all of the surface of the support, and the iron oxide particles doped with manganese are 100% by weight of the particles. The content of manganese is 17% to 40% by weight, and in the manganese-doped iron oxide particles, manganese has an oxidation number of 2 to 4, and is present in at least one of M 2+ , M 3+ and M 4+ And the manganese-doped iron oxide particles are manganese maghemite-based iron oxide nanoparticles.
제1항에 있어서,
상기 망간이 도핑된 산화철 입자는 직경(D50)이 5nm 내지 100nm인 것인 SCR 탈질 촉매.
The method of claim 1,
The manganese-doped iron oxide particles have a diameter (D 50 ) of 5 nm to 100 nm.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 벌집 구조형 지지체는 코디어라이트, 실리카, 티타니아 중 적어도 하나 이상을 포함하는 세라믹 재료를 포함하며, 비표면적이 15 내지 150m2/g인 SCR 탈질 촉매.
The method of claim 1,
The honeycomb structured support includes a ceramic material including at least one of cordierite, silica, and titania, and has a specific surface area of 15 to 150 m 2 /g.
제1항에 있어서,
상기 벌집 구조형 지지체의 표면은 유기산 및 무기산 중 하나 이상으로 표면처리된 것인 SCR 탈질 촉매.
The method of claim 1,
The surface of the honeycomb structure type support is surface-treated with at least one of an organic acid and an inorganic acid SCR denitration catalyst.
제6항에 있어서,
상기 무기산은 질산, 황산 및 염산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 SCR 탈질 촉매.
The method of claim 6,
The inorganic acid is an SCR denitration catalyst containing at least one selected from the group consisting of nitric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid.
제7항에 있어서,
상기 무기산은 염산인 것인 SCR 탈질 촉매.
The method of claim 7,
SCR denitration catalyst that the inorganic acid is hydrochloric acid.
제1항에 따른 SCR 탈질 촉매를 제조하는 방법이며,
상기 방법은
(S10) 벌집 구조형 지지체를 준비하는 단계;
(S20) 상기 지지체를 유기산 및 무기산 중 선택된 1종 이상으로 표면 처리하는 단계;
(S30) 망간이 도핑된 산화철 입자를 포함하는 분산액을 준비하는 단계;
(S40) 상기 표면 처리된 지지체의 표면을 상기 분산액으로 코팅하는 단계; 및
(S50) 상기 분산액으로 코팅된 지지체를 건조 및 소결하는 단계;
를 포함하는 것인 SCR 탈질 촉매의 제조 방법.
It is a method of manufacturing the SCR denitration catalyst according to claim 1,
The above method is
(S10) preparing a honeycomb structural support;
(S20) surface-treating the support with at least one selected from an organic acid and an inorganic acid;
(S30) preparing a dispersion containing iron oxide particles doped with manganese;
(S40) coating the surface of the surface-treated support with the dispersion; And
(S50) drying and sintering the support coated with the dispersion;
Method for producing an SCR denitration catalyst comprising a.
제9항에 있어서,
상기 망간이 도핑된 산화철 입자는 하기 (S31) 내지 (S34) 포함하는 방법에 의해 수득되는 것인 SCR 탈질 촉매의 제조 방법.
(S31) 철 및 망간 이온을 포함하는 금속 이온 수용액을 준비하는 단계;
(S32) 상기 금속 이온 수용액에 유기 화합물을 첨가하는 단계;
(S33) 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 형성하는 단계; 및
(S34) 형성된 망간/철 금속-유기 골격체(FeMn-MOF)를 열분해(소결)하여 망간 마그헤마이트계 산화철 나노 입자 또는 망간 헤마타이트계 산화철 나노입자를 수득하는 단계.
The method of claim 9,
The manganese-doped iron oxide particles are obtained by a method comprising the following (S31) to (S34).
(S31) preparing an aqueous metal ion solution containing iron and manganese ions;
(S32) adding an organic compound to the aqueous metal ion solution;
(S33) forming a manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF); And
(S34) Pyrolysis (sintering) the formed manganese/iron metal-organic framework (FeMn-MOF) to obtain manganese maghemite-based iron oxide nanoparticles or manganese hematite-based iron oxide nanoparticles.
제10항에 있어서,
상기 제조방법의 모든 단계가 산소 분위기, 대기 분위기 또는 산소가 포함된 대기 분위기 하에서 수행되는 것인 SCR 탈질 촉매의 제조 방법.
The method of claim 10,
All steps of the manufacturing method are carried out under an oxygen atmosphere, an atmospheric atmosphere, or an atmospheric atmosphere containing oxygen.
제10항에 있어서,
상기 수용액 중 금속 이온은 0.1 몰/리터 내지 1.0몰/리터의 농도로 포함되는 것인 SCR 탈질 촉매의 제조 방법.
The method of claim 10,
The method of manufacturing an SCR denitration catalyst, wherein the metal ions in the aqueous solution are contained in a concentration of 0.1 mol/liter to 1.0 mol/liter.
제10항에 있어서,
상기 수용액 중 망간 이온 농도 및 철 이온 농도는 동일한 것인 SCR 탈질 촉매의 제조 방법.
The method of claim 10,
The manganese ion concentration and the iron ion concentration in the aqueous solution is the same as the SCR denitrification catalyst manufacturing method.
제10항에 있어서,
상기 유기 화합물은 유기산을 포함하는 것인 SCR 탈질 촉매의 제조 방법.
The method of claim 10,
The organic compound is a method of producing an SCR denitration catalyst containing an organic acid.
제10항에 있어서,
상기 열분해(소결)가 320 ℃ 내지 400 ℃ 온도 범위에서 수행되고, 최종 수득된 생성물이 망간 마그헤마이트계 산화철 나노입자인 것인 SCR 탈질 촉매의 제조 방법.
The method of claim 10,
The pyrolysis (sintering) is carried out at a temperature range of 320° C. to 400° C., and the final product is manganese maghemite-based iron oxide nanoparticles.
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