KR102249231B1 - Method for Storing and Releasing Hydrogen Using Palladium Supported Catalysts - Google Patents

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Abstract

본 개시 내용에서는 활성 금속으로서 특정 면을 갖는 팔라듐(Pd) 금속이 메조다공성의 알루미나 지지체에 분산 담지된 촉매를 이용하여 높은 선택적 전환율 및 고효율로 수소를 가역적으로 저장 및 방출시킬 수 있는 기술이 기재된다.In the present disclosure, a technique capable of reversibly storing and releasing hydrogen with high selective conversion and high efficiency using a catalyst in which a palladium (Pd) metal having a specific surface as an active metal is dispersed and supported on a mesoporous alumina support is described. .

Description

팔라듐 담지 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 방법{Method for Storing and Releasing Hydrogen Using Palladium Supported Catalysts}Method for Storing and Releasing Hydrogen Using Palladium Supported Catalysts}

본 개시 내용은 팔라듐(Pd) 담지 촉매를 이용한 수소 저장 및 방출 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 활성 금속으로서 특정 면을 갖는 팔라듐(Pd) 금속이 메조다공성의 알루미나 지지체에 분산 담지된 촉매를 이용하여 높은 선택적 전환율 및 고효율로 수소를 가역적으로 저장 및 방출시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.The present disclosure relates to a hydrogen storage and release technology using a palladium (Pd) supported catalyst. More specifically, the present disclosure is capable of reversibly storing and releasing hydrogen with a high selective conversion rate and high efficiency by using a catalyst in which a palladium (Pd) metal having a specific surface as an active metal is dispersed and supported on a mesoporous alumina support. It's about technology.

화석연료의 매장량 감소, 연소 시 발생하는 오염 물질 및 이산화탄소로 인한 지구 온난화 등의 환경오염 문제가 심각하게 대두됨에 따라 대체 에너지 개발에 대한 전 세계적인 관심 및 수요가 폭발적으로 증가하고 있다.As environmental pollution problems such as reduction of fossil fuel reserves, global warming caused by pollutants generated during combustion and carbon dioxide are seriously raised, global interest and demand for alternative energy development is exploding.

대체 에너지원으로서 풍력, 조력, 지열, 수소 에너지, 태양 에너지 등과 같은 신재생 에너지가 각광받고 있는 바, 상기 열거된 에너지원 각각마다 장단점을 갖고 있다. 이와 관련하여, 신재생 에너지는 시간 및 자연 환경에 따른 에너지원의 불안정성으로 인하여 원활한 수요 및 공급이 곤란하므로, 종래의 화석연료를 효과적으로 대체하기 위하여는 안정적으로 에너지를 공급할 수 있도록 잉여 에너지를 저장하고 공급하는 기술에 대한 개발이 필요하다.As alternative energy sources, renewable energy such as wind power, tidal power, geothermal heat, hydrogen energy, solar energy, and the like are in the spotlight, and each of the energy sources listed above has advantages and disadvantages. In this regard, since renewable energy is difficult to supply and demand smoothly due to instability of energy sources according to time and natural environment, in order to effectively replace conventional fossil fuels, excess energy is stored so that energy can be stably supplied. It is necessary to develop the technology to be supplied.

이러한 관점에서, 수소 에너지는, (i) 단위 질량당 가장 에너지 효율이 높고, (ii) 연소 시 물만 발생할 뿐, 다른 유해한 부산물이 없으며, (iii) 수소의 주된 소스인 물은 자연에 풍부하며 사용 후 물로 전환되므로 재사용 면에서 유리하고, 그리고 (iv) 수소를 연료로 사용하는 분산 전원으로 정밀산업 및 IT 산업경쟁력을 확보하는데 적합하기 때문에 특히 주목받고 있다. 더욱이, 수소는 태양에너지, 풍력 등과 같은 다른 신재생 에너지를 이용하여 생산할 수 있고, 다양한 에너지원뿐만 아니라, 다른 산업분야(예를 들면, 각종 석유화학 분야)에서도 광범위하게 적용될 수 있는 등, 국내외에서 미래의 핵심 에너지원으로 부상하고 있다. From this point of view, hydrogen energy is (i) the most energy efficient per unit mass, (ii) only water is produced during combustion, and there are no other harmful by-products, and (iii) water, the main source of hydrogen, is abundant in nature and used. Since it is converted to water, it is advantageous in terms of reuse, and (iv) it is attracting special attention because it is suitable for securing competitiveness in the precision industry and IT industry as a distributed power source that uses hydrogen as a fuel. Moreover, hydrogen can be produced using other renewable energy such as solar energy and wind power, and can be widely applied not only to various energy sources, but also to other industrial fields (eg, various petrochemical fields). It is emerging as a key energy source in the future.

일반적으로 수소 에너지의 연구 개발은 크게 수소의 제조 분야, 운반(수송) 분야, 및 저장 분야로 구분되는데, 수소는 질량 대비 에너지 저장 능력이 우수한 반면, 체적 대비 에너지 저장 능력은 낮기 때문에 수소를 효율적으로 저장하는 기술이 수소 에너지의 실용화에 가장 큰 장애 요인으로 작용하고 있다. 예를 들면, 77 K 조건에서 10 중량% 이상의 질량 저장밀도를 갖는 물질이 알려졌으나, 이러한 물질들의 부피저장 밀도는 40 g/L로서 실제 수소 저장 물질로 사용하기 위하여는 체적 저장밀도가 낮은 편이다. 따라서, 최대한 가볍고 부피가 작은 저장 매체에 가급적 많은 량의 수소를 저장하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In general, the research and development of hydrogen energy is largely divided into the field of manufacturing hydrogen, the field of transport (transport), and the field of storage. While hydrogen has an excellent energy storage capacity compared to mass, while its energy storage capacity compared to volume is low, hydrogen can be efficiently used. The storage technology is acting as the biggest obstacle to the practical use of hydrogen energy. For example, a material having a mass storage density of 10% by weight or more under 77 K condition is known, but the volume storage density of these materials is 40 g/L, which is relatively low in volume storage density for use as an actual hydrogen storage material. . Therefore, research on a technology for storing as much hydrogen as possible in a storage medium that is as light as possible and small in volume is actively being conducted.

이와 관련하여, 각국은 수년간 많은 연구 개발비를 투자하였고, 지금까지 연구 개발된 수소의 효율적인 저장 방법은 700 bar의 압력을 이용해 수소를 압축하는 CGH2 방법 및 영하 253 ℃에서 액화시켜 액체 수소를 보관하는 LH2 방법이 있다. 그러나 이러한 가압 또는 액화 방식은 낮은 온도를 유지해야 하며, 액상 수소의 밀도 역시 71.2 kg/㎥으로 낮은 수준이다.In this regard, countries have invested a lot of R&D expenditures over the years, and the efficient storage methods for hydrogen that have been researched and developed so far are the CGH2 method that compresses hydrogen using a pressure of 700 bar, and LH2 that stores liquid hydrogen by liquefying it at -253 ℃ There is a way. However, this pressurization or liquefaction method must maintain a low temperature, and the density of liquid hydrogen is also low at 71.2 kg/㎥.

이에 대한 대안으로서 수소 저장능을 갖는 물질, 예를 들면 무기-유기 골격구조체(Metal-organic frameworks; MOFs), 탄소나노튜브, 제올라이트, 활성탄 등의 다공성 유기 또는 무기 나노소재, 메탈하이드라이드 등이 수소 에너지를 효과적으로 저장하는 물질로서 관심을 받고 있다(Nature, 427, 523 (2004); J. Am. Chem. Soc., 127, 14904 (2005); 일본특허공개번호 제2008-95172호, 제2011-131120호 등). 그러나, MOFs, 다공성 나노 소재의 물리적 흡수에 의한 상온 기상 수소 저장 기술의 경우, 에너지 저장 밀도가 상대적으로 낮고, 수소의 저장 및 탈착 시 요구되는 에너지가 비교적 크기 때문에 소형화 및 모듈화가 곤란하다.As an alternative to this, materials having hydrogen storage capacity, such as metal-organic frameworks (MOFs), carbon nanotubes, zeolites, porous organic or inorganic nanomaterials such as activated carbon, metal hydrides, etc. It is attracting attention as a material that effectively stores energy (Nature, 427, 523 (2004); J. Am. Chem. Soc., 127, 14904 (2005); Japanese Patent Publication No. 2008-95172, 2011- 131120, etc.). However, in the case of a room temperature gaseous hydrogen storage technology by physical absorption of MOFs and porous nanomaterials, the energy storage density is relatively low, and the energy required for storage and desorption of hydrogen is relatively large, making miniaturization and modularization difficult.

최근에는 유기물, 구체적으로 액체 유기 수소 운반체 (LOHC; Liquid Organic Hydrogen Carrier)를 이용한 가역적 촉매 수소화/탈수소화 반응에 의한 수소 저장 기술이 개발된 바 있다(미국특허번호 제7,901,491호 등). LOHC 기술은 미국 에너지부 (DOE)의 권고안인 5 중량% 이상의 수소를 저장할 수 있으며, 낮은 압력 범위에서 운전할 수 있고, 저장 물질을 용이하게 재생할 수 있는 등의 장점을 갖고 있고, 또한 액상 화석 연료의 장점인 취급성 및 높은 에너지 밀도로 인하여 기존의 액체 연료 수송 및 저장 인프라를 이용한 효율적인 수송 및 저장이 가능한 실용적인 수소 저장 시스템을 제공할 수 있다(Energ. Rev., 6 (2002) 141, Energy Environ. Sci., 8 (2015) 1035-1045).Recently, a hydrogen storage technology by reversible catalytic hydrogenation/dehydrogenation reaction using organic substances, specifically, a liquid organic hydrogen carrier (LOHC), has been developed (US Patent No. 7,901,491, etc.). LOHC technology has advantages such as being able to store more than 5% by weight of hydrogen, which is recommended by the US Department of Energy (DOE), can operate in a low pressure range, and can easily recycle the storage material. Due to its advantage of handling and high energy density, it is possible to provide a practical hydrogen storage system capable of efficient transport and storage using the existing liquid fuel transport and storage infrastructure (Energ. Rev., 6 (2002) 141, Energy Environ. Sci., 8 (2015) 1035-1045).

LOHC 물질로서 파이-공액 기재 형태의 화합물을 이용하는 기술이 알려져 있으나(예를 들면, 미국특허번호 제7,351,395호 등), 파이-공액으로 인한 일률적인 반응성 확보 곤란성, 대부분 고체상으로 존재하므로 혼합물 형태로 사용된다. 이러한 문제점을 완화하고자, 수소 저장 물질로서 벤질톨루엔과 디벤질톨루엔을 사용하는 기술도 알려져 있다(예를 들면, 국내특허공개번호 제2015-97558호 등). 상기 수소 운반체는 상온에서 액상으로 존재하며, 280 ℃ 이상의 비점을 갖기 때문에 활용 측면에서 제약은 없으나, 탄화수소 구조의 한계로 인하여 수소화 및 탈수소화 반응 효율을 높이는데 한계가 있다. Although the technique of using a pi-conjugated base type compound as a LOHC material is known (for example, U.S. Patent No. 7,351,395, etc.), it is difficult to secure uniform reactivity due to pi-conjugation. do. In order to alleviate this problem, a technique of using benzyl toluene and dibenzyl toluene as hydrogen storage materials is also known (for example, Korean Patent Publication No. 2015-97558, etc.). The hydrogen carrier exists in a liquid state at room temperature and has a boiling point of 280° C. or higher, so there is no restriction in terms of utilization, but there is a limitation in enhancing the hydrogenation and dehydrogenation reaction efficiency due to the limitation of the hydrocarbon structure.

한편, LOHC를 이용한 수소 저장/방출 시스템을 상용화하기 위하여는 수소 저장 물질의 개발 이외에도 다양한 기술 요인을 고려해야 한다. 이중 촉매에 있어서는, (1) 저온에서의 효과적인 탈수소화 반응 효율, 및 (2) 촉매의 안정성(재사용 가능성)이 고려되어야 한다. On the other hand, in order to commercialize a hydrogen storage/release system using LOHC, various technical factors must be considered in addition to the development of a hydrogen storage material. In the case of a double catalyst, (1) effective dehydrogenation reaction efficiency at low temperature, and (2) stability (reusability) of the catalyst must be considered.

상술한 요건 중 요건 (1)의 경우, 피리딘계 고리 화합물을 수소 운반체로 활용하는 방식으로 구현할 수 있는 바, 카르복시계 화합물에 비하여 낮은 온도에서 탈수소화 반응을 수행할 수 있다(ChemSusChem, 7 (2014) 229-235).Among the above-described requirements, requirement (1) can be implemented by using a pyridine-based cyclic compound as a hydrogen carrier, and thus dehydrogenation can be performed at a lower temperature than a carboxylic compound (ChemSusChem, 7 (2014)). ) 229-235).

요건 (2)의 경우, 수소화 반응(수소 저장 반응)은 대표적인 발열 반응인 반면, 탈수소화 반응은 대표적인 흡열 반응이기 때문에 수소화 반응에서 보다 탈수소화 반응에서 촉매 안정성이 우선적으로 중요한 고려 요소이다. 따라서, 열적 안정성, 물리적 강도 및 장기 안정성 면에서 양호한 알루미나를 지지체로 사용할 수 있다. 특히, 감마-알루미나(γ-Al2O3)는 차량 및 석유 분야용 촉매 또는 촉매 지지체로서 광범위하게 사용된 바 있다. 그러나, LOHC의 수소화/탈수소화 반응에 금속-담지 다공성 알루미나 지지체 촉매를 사용한다 해도, 활성 금속의 분산도가 높지 않기 때문에 여전히 불충분한 탈수소화 활성을 나타낼 수 있다.In the case of requirement (2), the hydrogenation reaction (hydrogen storage reaction) is a typical exothermic reaction, whereas the dehydrogenation reaction is a typical endothermic reaction, so catalyst stability is a priority factor in the dehydrogenation reaction than in the hydrogenation reaction. Therefore, alumina, which is good in terms of thermal stability, physical strength, and long-term stability, can be used as a support. In particular, gamma-alumina (γ-Al 2 O 3 ) has been widely used as a catalyst or catalyst support for vehicles and petroleum fields. However, even if a metal-supported porous alumina support catalyst is used in the hydrogenation/dehydrogenation reaction of LOHC, it may still exhibit insufficient dehydrogenation activity because the dispersibility of the active metal is not high.

또한, 금속(구체적으로 팔라듐)-담지 알루미나 촉매는 전형적으로 함침법에 따라 제조되고 있는 바, 알루미나 지지체를 합성하고, 이에 금속을 담지하는 복수의 단계를 수반하기 때문에 촉매 제조에 장시간이 소요되어 상용화 측면에서 불리하다. 특히, 알루미나 고유의 특성으로 인하여 촉매 안정성을 어느 정도 확보할 수 있으나, 추가적으로 개선된 성능을 달성하는데 한계가 있다. In addition, a metal (specifically, palladium)-supported alumina catalyst is typically manufactured according to an impregnation method.Since it involves a plurality of steps of synthesizing an alumina support and supporting the metal, it takes a long time to prepare the catalyst and is commercialized. It is disadvantageous in terms of In particular, the catalyst stability can be secured to some extent due to the inherent characteristics of alumina, but there is a limit to achieving additionally improved performance.

따라서, 종래 기술에 비하여 장기간에 걸쳐 양호한 수소화/탈수소화 성능을 나타내는 LOHC 기반의 수소 저장/방출 시스템이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for a LOHC-based hydrogen storage/release system that exhibits good hydrogenation/dehydrogenation performance over a long period of time compared to the prior art.

따라서, 본 개시 내용의 일 구체예에서는 액체 유기 수소 운반체를 이용한 수소 저장 및 방출에 수반되는 촉매 반응에 있어서 반응 효율, 장기 안정성, 재생 가능성 등을 개선할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.Accordingly, in one embodiment of the present disclosure, it is intended to provide a method for improving reaction efficiency, long-term stability, regeneration potential, and the like in a catalytic reaction accompanying storage and release of hydrogen using a liquid organic hydrogen carrier.

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 액체 유기 수소 운반체를 이용한 수소 저장/방출에 수반되는 수소화/탈수소화 활성을 개선할 수 있는 촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.According to another embodiment of the present disclosure, to provide a catalyst capable of improving the hydrogenation/dehydrogenation activity associated with storage/release of hydrogen using a liquid organic hydrogen carrier, and a method for preparing the same.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면, According to the first aspect of this disclosure,

N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체를 촉매의 존재 하에서 수소를 저장하는 수소화 단계; 및 A hydrogenation step of storing hydrogen on a liquid organic hydrogen carrier having an N-heterocycle in the presence of a catalyst; And

상기 수소화된 액체 유기 수소 운반체로부터 촉매의 존재 하에서 수소를 방출시키는 탈수소화 단계를 포함하며,A dehydrogenation step of releasing hydrogen from the hydrogenated liquid organic hydrogen carrier in the presence of a catalyst,

상기 수소화 단계 및 상기 탈수소화 단계 중 적어도 하나에 사용되는 촉매는, The catalyst used in at least one of the hydrogenation step and the dehydrogenation step,

메조다공성 알루미나-함유 지지체, 및 Mesoporous alumina-containing support, and

상기 메조다공성 알루미나-함유 지지체에 활성 금속으로서 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐을 포함하고,Including palladium having a (111) facet as an active metal in the mesoporous alumina-containing support,

상기 수소화 단계 및 탈수소화 단계가 교대로 수행됨에 따라 수소를 저장하거나 수소를 방출하는 방법이 제공된다. A method of storing hydrogen or releasing hydrogen is provided as the hydrogenation step and the dehydrogenation step are alternately performed.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면,According to the second aspect of this disclosure,

a) 적어도 하나의 알루미나 전구체, 적어도 하나의 팔라듐 전구체 및 염기 성분을 포함하는 혼합물에 외부 에너지를 가하면서 용매의 부존재 조건 하에서 고상 반응을 수행하여 겔 형태의 촉매 고형물을 형성하는 단계; 및a) applying external energy to a mixture containing at least one alumina precursor, at least one palladium precursor, and a base component while performing a solid-phase reaction in the absence of a solvent to form a gel-like catalyst solid; And

b) 상기 촉매 고형물을 산소-함유 분위기 및 300 내지 800 ℃의 온도 조건 하에서 열 처리하여 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐 결정을 메조다공성 알루미나-함유 지지체에 담지시키는 단계;b) thermally treating the catalyst solid material under an oxygen-containing atmosphere and a temperature condition of 300 to 800° C. to support palladium crystals having (111) facets on a mesoporous alumina-containing support;

를 포함하는, 액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 촉매의 제조방법이 제공된다.A method for producing a catalyst for hydrogenation/dehydrogenation of a liquid organic hydrogen carrier is provided.

본 개시 내용의 제3 면에 따르면, According to the third aspect of this disclosure,

수소화/탈수소화 촉매로서,As a hydrogenation/dehydrogenation catalyst,

메조다공성 알루미나 지지체, 및 Mesoporous alumina support, and

상기 메조다공성 알루미나-함유 지지체에 활성 금속으로서 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐;Palladium having a (111) facet as an active metal on the mesoporous alumina-containing support;

을 포함하며, Including,

촉매 전체 중량을 기준으로 팔라듐 함량은 0.1 내지 10 중량%이고, 그리고The palladium content is 0.1 to 10% by weight, based on the total weight of the catalyst, and

상기 촉매는 하기 물성을 나타내는 촉매가 제공된다:The catalyst is provided with a catalyst exhibiting the following physical properties:

(i) 적어도 300 ㎡/g의 BET 비표면적, (ii) 적어도 30%의 팔라듐 분산도, (iii) 3.5 nm 이하의 팔라듐 입자 사이즈, 그리고 (iv) CO-DRIFT(chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) 스펙트럼 분석에 의한 CO 흡착 밴드 피크를 기준으로 (C+D)/B으로 표시되는 상대 흡착 밴드 강도 비(relative adsorption band intensity ratio)가 1.5 내지 10의 범위(여기서, B는 Pd (100) 면에 다중 결합된 1978 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이고, C는 Pd (111) 면에 단일 결합된 1918 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이며, 그리고 D는 Pd (111) 면에 3중 결합된 1860 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크임). (i) BET specific surface area of at least 300 m2/g, (ii) palladium dispersion of at least 30%, (iii) palladium particle size of 3.5 nm or less, and (iv) chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform (CO-DRIFT) Based on the CO adsorption band peak by spectral analysis, the relative adsorption band intensity ratio expressed as (C+D)/B is in the range of 1.5 to 10 (where B is in the Pd (100) plane). Is the CO adsorption band peak at 1978 cm -1 with multiple bonds , C is the CO adsorption band peak at 1918 cm -1 single bonded to the Pd (111) plane, and D is the triple bond at the Pd (111) plane. Is the CO adsorption band peak at 1860 cm -1 ).

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 팔라듐-담지 알루미나 촉매에 있어서 (111) 면을 갖는 팔라듐이 특정 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화(특히, 탈수소화) 반응 활성에 중대한 영향을 미치는 요인에 해당된다는 새로운 발견을 기초로 하여, 팔라듐/알루미나 촉매를 적용함으로써 장기간에 걸쳐 양호한 수소화/탈수소화 활성을 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, in the palladium-supported alumina catalyst, palladium having a (111) face corresponds to a factor that significantly affects the hydrogenation/dehydrogenation (especially dehydrogenation) reaction activity of a specific liquid organic hydrogen carrier. On the basis of the new discovery that it becomes, it is possible to realize good hydrogenation/dehydrogenation activity over a long period of time by applying a palladium/alumina catalyst.

또한, 본 개시 내용의 다른 구체예에서는 용매의 사용 없이도 팔라듐 전구체 및 알루미나 전구체를 포함하는 원료 혼합물에 대하여 밀링과 같은 간단한 물리적 또는 기계적 외부 에너지를 가하는 방식으로 단일 단계 반응을 수행함으로써 전술한 수소화/탈수소화 촉매의 성상을 구현할 수 있다. 이와 같이 제조된 촉매는 비교적 높은 촉매 제조비용 및 시간이 소요되는 함침법 등의 2 단계 촉매 제조 방식의 기술적 한계를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 특정 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응 시 개선된 활성을 장기간에 걸쳐 유지하는 등, 복합적인 장점을 제공할 수 있다. In addition, in another embodiment of the present disclosure, the aforementioned hydrogenation/dehydration is performed by performing a single step reaction by applying a simple physical or mechanical external energy such as milling to the raw material mixture including the palladium precursor and the alumina precursor without the use of a solvent. The properties of the digestion catalyst can be realized. The prepared catalyst can overcome the technical limitations of a two-step catalyst manufacturing method such as a relatively high catalyst manufacturing cost and time-consuming impregnation method, and has been improved during the hydrogenation/dehydrogenation reaction of a specific liquid organic hydrogen carrier. It can provide multiple advantages, such as maintaining activity over a long period of time.

도 1은 실시예에 따라 수소화/탈수소화 촉매를 제조하는 일련의 과정 중 전구체의 상 변화를 보여주는 사진이고;
도 2는 Pd/gA, Pd/MA 및 MPdA 촉매 및 지지체(MA 및 gA) 각각에 대한 흡탈착 N2 등온곡선 및 포어 사이즈 분포 곡선이고;
도 3은 Pd/gA, Pd/MA 및 MPdA(Pd 함량: 1 중량%)를 이용한 H12-MBP의 탈수소화 반응에 있어서, 반응 온도를 변화시키면서 얻은 시간에 따른 수소 방출 곡선(반응조건: 각각 230 ℃, 250 ℃ 및 270 ℃; 1 bar; 4 시간; 금속(mol)/반응물(mol) 0.1 %)이고.
도 4는 MPdA(좌측) 촉매 및 Pd/gA(우측) 촉매(Pd 함량: 1 중량%)를 이용한 H12-MBP의 탈수소화 반응에 있어서, 반응 시간을 달리하면서 수득된 생성물의 GC 크로마토그램 분석 결과를 나타내는 그래프(반응조건: 250 ℃; 1 bar; 4 시간; 금속(mol)/반응물(mol) 0.4%) 그래프이고;
도 5는 Pd/gA, Pd/MA 및 MPdA(Pd 함량: 1 중량%) 각각의 CO­DRIFT 스펙트럼 그래프이고;
도 6은 (a) MPdA (b) Pd/MA 및 (c) Pd/gA 각각에 대한 HRTEM 사진 및 SAED 패턴이고;
도 7은 MPdA, Pd/MA 및 Pd/gA(Pd 함량: 1 중량%) 각각의 반응 전후 HAADF­STEM 사진((a) 반응 전 및 (b) 반응 후)이고;
도 8은 (a) MPdA, (b) Pd/MA 및 (c) Pd/gA 각각의 신규 촉매(좌측) 및 사용 촉매(우측)의 Pd 입자 사이즈 분포 차트이고;
도 9는 (a) MPdA, (b) Pd/MA 및 (c) Pd/gA 각각의 사용 촉매에 대한 HRTEM 및 SAED(selected area electron diffraction) 사진이고;
도 10은 MPdA, Pd/MA 및 Pd/gA 촉매의 장기 안정성 평가를 위한 탈수소화 반응 실험 그래프(반응물 H12-MBP(좌측) 및 반응물 H8-MID(우측); 반응조건: 250 ℃, 1 bar, 4 시간, 귀금속(mol)/반응물(mol) 0.4% 및 0.6%)이고, 그리고
도 11은 MPdA (Pd 함량: 1 중량%) 촉매의 파우더 형태 및 펠렛 형태에서의 탈수소화 반응 활성을 대비한 결과를 보여주는 그래프 및 펠렛 형태 촉매의 외관 사진이다.
1 is a photograph showing a phase change of a precursor during a series of processes of preparing a hydrogenation/dehydrogenation catalyst according to an embodiment;
Fig. 2 is an adsorption and desorption N 2 isothermal curve and pore size distribution curve for each of Pd/gA, Pd/MA and MPdA catalysts and supports (MA and gA);
3 is a hydrogen evolution curve (reaction conditions: each) obtained while changing the reaction temperature in the dehydrogenation reaction of H 12 -MBP using Pd/gA, Pd/MA and MPdA (Pd content: 1% by weight). 230° C., 250° C. and 270° C.; 1 bar; 4 hours; metal (mol)/reactant (mol) 0.1%).
4 is a GC chromatogram analysis of the product obtained while varying the reaction time in the dehydrogenation reaction of H 12 -MBP using an MPdA (left) catalyst and a Pd/gA (right) catalyst (Pd content: 1% by weight) A graph showing the results (reaction conditions: 250° C.; 1 bar; 4 hours; metal (mol)/reactant (mol) 0.4%) graph;
5 is a graph of CODRIFT spectra of Pd/gA, Pd/MA, and MPdA (Pd content: 1% by weight);
6 is (a) MPdA (b) Pd/MA and (c) HRTEM photographs and SAED patterns for each of Pd/gA;
7 is a HAADFSTEM photograph ((a) before and (b) after reaction) of each reaction of MPdA, Pd/MA and Pd/gA (Pd content: 1% by weight);
Fig. 8 is a Pd particle size distribution chart of a new catalyst (left) and a used catalyst (right) of (a) MPdA, (b) Pd/MA and (c) Pd/gA, respectively;
9 is a HRTEM and SAED (selected area electron diffraction) photographs of the catalysts used for (a) MPdA, (b) Pd/MA, and (c) Pd/gA, respectively;
FIG. 10 is a graph of a dehydrogenation reaction experiment for evaluating long-term stability of MPdA, Pd/MA and Pd/gA catalysts (reactant H 12 -MBP (left) and reactant H 8 -MID (right); reaction conditions: 250° C., 1 bar, 4 hours, noble metal (mol)/reactant (mol) 0.4% and 0.6%), and
11 is a graph showing the results of comparing the dehydrogenation activity of the MPdA (Pd content: 1% by weight) catalyst in a powder form and a pellet form, and a photograph of the appearance of a pellet-type catalyst.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아님을 이해하여야 한다.The present invention can all be achieved by the following description. The following description should be understood as describing preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, it should be understood that the accompanying drawings are provided to aid understanding, and the present invention is not limited thereto.

본 명세서에서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.Terms used in the present specification may be defined as follows.

"불균일계 촉매"는 촉매 반응 과정에서 반응물과 상이한 상(phase)으로 존재하는 촉매를 의미할 수 있는 바, 예를 들면 반응 매질 내에서 용해되지 않는 촉매를 의미할 수 있다. 불균일계 촉매의 경우, 반응이 일어나기 위하여는 적어도 하나의 반응물이 불균일계 촉매의 표면으로 확산되어 흡착되어야 하며, 반응 후에는 생성물이 불균일계 촉매의 표면으로부터 탈착될 필요가 있다. The "heterogeneous catalyst" may mean a catalyst that exists in a phase different from that of the reactant during the catalytic reaction, for example, it may mean a catalyst that is not dissolved in the reaction medium. In the case of a heterogeneous catalyst, in order for the reaction to occur, at least one reactant must be diffused and adsorbed onto the surface of the heterogeneous catalyst, and after the reaction, the product needs to be desorbed from the surface of the heterogeneous catalyst.

"지지체(support)"는 촉매 활성 성분이 부착된 높은 비표면적을 갖는 재료(전형적으로 고상 재료)를 의미할 수 있다."Support" can mean a material (typically a solid material) having a high specific surface area to which the catalytically active component is attached.

"수소화(hydrogenation)"는 수소의 공급 하에서 화합물을 촉매와 접촉시켜 화합물의 적어도 일부분에 수소를 화학적으로 부가함으로써 화합물 내 수소 함량을 증가시키는 반응을 의미할 수 있다."Hydrogenation" may refer to a reaction of increasing the hydrogen content in the compound by chemically adding hydrogen to at least a portion of the compound by contacting the compound with a catalyst under the supply of hydrogen.

"탈수소화(dehydrogenation)"는 화합물 내 수소가 제거되고, 더 나아가 제거된 수소를 화합물로부터 방출하는 반응을 의미할 수 있다."Dehydrogenation" may refer to a reaction in which hydrogen in the compound is removed, and further, the removed hydrogen is released from the compound.

"함침법(impregnation)"은 촉매 전구체를 용해시킨 용액을 별도로 합성된 지지체에 함침시킨 다음, 필요시 건조 및/또는 소성(또는 환원) 처리 과정을 거치는 방식으로 촉매를 제조하는 방법을 의미할 수 있다."Impregnation" may mean a method of preparing a catalyst by impregnating a solution in which a catalyst precursor is dissolved into a separately synthesized support, and then subjecting to drying and/or firing (or reduction) treatment if necessary. have.

"염"은 포괄적으로는 금속 양이온이 무기 음이온 또는 유기 음이온 종과 결합된 화합물을 의미할 수 있다.“Salt” may generically mean a compound in which a metal cation is bonded to an inorganic anion or an organic anionic species.

전체적인 개시 내용Overall disclosure

본 개시 내용의 일 구체예는 종래에 수소화/탈수소화 반응용 촉매로 알려진 팔라듐-담지 알루미나 촉매가 액체 유기수소 운반체, 특히 N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체를 이용한 수소 저장 및 방출(즉, 수소화 및 탈수소화) 반응에 적용되는 경우에 촉매의 장기 안정성이 저하되어 반복적인 수소 저장 및 방출 시스템의 운전에 제한적으로 적용되는 점을 개선할 수 있다.In one embodiment of the present disclosure, a palladium-supported alumina catalyst conventionally known as a catalyst for hydrogenation/dehydrogenation reaction is a liquid organohydrogen carrier, in particular, hydrogen storage and release using a liquid organohydrogen carrier having an N-heterocycle (i.e. When applied to hydrogenation and dehydrogenation) reactions, the long-term stability of the catalyst is deteriorated, and it is possible to improve the fact that it is limitedly applied to the operation of repetitive hydrogen storage and release systems.

구체적으로, 본 발명자들은 금속 담지 촉매의 경우, 동일한 탈수소화 반응이라 하더라도, 반응물 구조에 따라 선호되는 금속 결정면이 상이하다는 점, 또한 팔라듐/알루미나 촉매의 경우, 활성 금속인 팔라듐의 배향(orientation) 특성이 N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응, 특히 탈수소화 반응(수소 저장 반응은 발열 반응인 한편, 수소 방출 반응은 흡열 반응이기 때문에 수소화 반응에서 보다 탈수소화 반응에서 촉매의 안정성이 우선적으로 중요함)에서의 반응 활성(예를 들면, 선택성) 및 장기 안정성에 중대한 영향을 미치는 점을 확인하였다.Specifically, the present inventors pointed out that in the case of a metal-supported catalyst, even in the case of the same dehydrogenation reaction, the preferred metal crystal plane is different depending on the structure of the reactant, and in the case of a palladium/alumina catalyst, the orientation characteristics of palladium, an active metal, The hydrogenation/dehydrogenation reaction of the liquid organic hydrogen carrier having this N-heterocycle, especially the dehydrogenation reaction (hydrogen storage reaction is an exothermic reaction, while the hydrogen release reaction is an endothermic reaction, so the catalyst is more effective in the dehydrogenation reaction than in the hydrogenation reaction. It was confirmed that the reaction activity (e.g., selectivity) and long-term stability were significantly affected.

예를 들면, 메탄올 탈수소화 반응의 경우, Pd (111) 면에 비하여 Pd (100) 면에서 CHO, CO 및 H가 강한 흡착 경향을 나타내고, 또한 Pd (100) 면에서의 반응과 대비하면 Pd (111) 면에서 상대적으로 낮은 에너지 장벽 및 더 큰 탈수소화 반응속도 상수를 제공할 수 있다. 이러한 점은 보다 개방된 Pd 표면이 메탄올의 완전한 탈수소화 반응에서 높은 활성 및 선택성을 나타냄을 지시한다.For example, in the case of methanol dehydrogenation reaction, CHO, CO, and H exhibit a strong adsorption tendency on the Pd (100) side compared to the Pd (111) side, and when compared to the reaction on the Pd (100) side, Pd ( 111) can provide a relatively low energy barrier and a larger dehydrogenation rate constant. This point indicates that the more open Pd surface exhibits high activity and selectivity in the complete dehydrogenation reaction of methanol.

반면, N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응의 경우에는 이러한 고리 구조 화합물의 흡착 정도가 반응 활성에 주된 요인으로 작용하는 바, 이때 (111) 면을 갖는 팔라듐은 담지된 상태에서 강한 흡착능을 나타낼 수 있다. 상기의 점을 고려하여, 본 개시 내용의 일 구체예에서는 N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체를 이용한 수소 저장 및 방출 반응에 유효한 결정 면을 갖는 팔라듐만이 선택적으로 알루미나(구체적으로 메조다공성 알루미나) 지지체에 분산 담지된 촉매를 사용한다.On the other hand, in the case of the hydrogenation/dehydrogenation reaction of a liquid organic hydrogen carrier having an N-heterocycle, the degree of adsorption of these cyclic compounds acts as a major factor in the reaction activity.At this time, palladium having a (111) plane is supported. It can show strong adsorption capacity in the state. In consideration of the above, in one embodiment of the present disclosure, only palladium having a crystal plane effective for hydrogen storage and release reaction using a liquid organic hydrogen carrier having an N-heterocycle is selectively alumina (specifically, mesoporous alumina ) A catalyst dispersed and supported on a support is used.

수소화/탈수소화 촉매Hydrogenation/dehydrogenation catalyst

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 수소화/탈수소화 반응, 구체적으로 액체 유기 수소 운반체, 보다 구체적으로 N-함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기 수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응을 통한 수소의 저장/방출에 적합한 촉매(즉, 불균일계 촉매)가 제공된다. According to one embodiment of the present disclosure, hydrogenation/dehydrogenation reaction, specifically, storage/release of hydrogen through a hydrogenation/dehydrogenation reaction of a liquid organic hydrogen carrier, more specifically a liquid organic hydrogen carrier having an N-containing heterocycle. A catalyst suitable for (ie, a heterogeneous catalyst) is provided.

이와 관련하여, 수소화/탈수소화 촉매는, 크게 메조다공성 알루미나-함유 지지체에 활성 금속으로서 팔라듐을 포함하는 담지 촉매이다. 이때, 팔라듐은 미세 금속 입자, 즉 금속 클러스터 형태로 지지체 상에 분산 담지된 상태로서, 결정(crystallites) 형태일 수 있다. 이와 관련하여, 촉매 내 팔라듐은 산화된 상태 또는 환원된 상태일 수 있으며, 보다 구체적으로 환원된 상태 또는 원소 상태일 수 있다. 이때, 환원 상태는 산화된 상태(하소 처리된 상태)의 촉매를 환원 처리하는 방식으로 구현할 수 있다. In this regard, the hydrogenation/dehydrogenation catalyst is a supported catalyst that largely contains palladium as an active metal on a mesoporous alumina-containing support. At this time, palladium is dispersed and supported on the support in the form of fine metal particles, that is, metal clusters, and may be in the form of crystallites. In this regard, palladium in the catalyst may be in an oxidized state or a reduced state, and more specifically, may be a reduced state or an elemental state. In this case, the reduced state may be implemented by reducing the catalyst in an oxidized state (calcined state).

전술한 바와 같이, 수소화/탈수소화 촉매로서 높은 반응 활성 및 장기 안정성을 제공하기 위하여는 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐(결정 형태임)을 적정량으로 담지시키는 것이 요구된다. 이와 관련하여, 팔라듐의 담지량은, 원소 기준으로, 예를 들면 약 0.1 내지 10 중량%, 구체적으로 약 0.5 내지 5 중량%, 보다 구체적으로 약 1 내지 3 중량% 범위일 수 있다. 다만, 촉매 내 팔라듐 함량만으로는 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐의 량을 정량화하는데 불충분할 수 있다.As described above, in order to provide high reaction activity and long-term stability as a hydrogenation/dehydrogenation catalyst, it is required to support palladium (in crystalline form) having a (111) facet in an appropriate amount. In this regard, the supported amount of palladium may range from, for example, about 0.1 to 10% by weight, specifically about 0.5 to 5% by weight, and more specifically about 1 to 3% by weight, based on the element. However, the amount of palladium in the catalyst may be insufficient to quantify the amount of palladium having a (111) facet.

이를 위하여, CO-DRIFT(chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) 스펙트럼 분석에 의한 CO 흡착 밴드의 상대적인 비를 이용할 수 있다. 구체적으로, CO 흡착 밴드의 피크를 기준으로 (C+D)/B로 표시되는 상대 흡착 밴드 강도 비(relative adsorption band intensity ratio)는, 예를 들면 약 1.5 내지 10, 구체적으로 약 2 내지 6, 보다 구체적으로 약 3 내지 4의 범위일 수 있다. 이때, B는 Pd (100) 면에 다중 결합된 1978 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이고, C는 Pd (111) 면에 단일 결합된 1918 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이며, 그리고 D는 Pd (111) 면에 3중 결합된 1860 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이다.To this end, the relative ratio of the CO adsorption bands by CO-DRIFT (chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) spectrum analysis may be used. Specifically, the relative adsorption band intensity ratio expressed as (C+D)/B based on the peak of the CO adsorption band is, for example, about 1.5 to 10, specifically about 2 to 6, More specifically, it may range from about 3 to 4. Here, B is the CO adsorption band peak at 1978 cm -1 multiple bonded to the Pd (100) plane, C is the CO adsorption band peak at 1918 cm -1 single bonded to the Pd (111) plane, and D Is the CO adsorption band peak at 1860 cm -1 triple bonded to the Pd (111) plane.

전술한 (C+D)/B 비의 범위는 N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체에 대한 수소화/탈수소화 반응에 유효하게 작용하는 Pd (111) 면의 상대적인 량을 나타내는 지표로서, 전술한 범위 내에서 정하여지는 것이 유리할 수 있다.The range of the above-described (C+D)/B ratio is an index indicating the relative amount of Pd (111) plane that effectively acts on the hydrogenation/dehydrogenation reaction for a liquid organic hydrogen carrier having an N-heterocycle. It may be advantageous to be set within a range.

본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, Pd (111) 면을 갖는 팔라듐이 N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화에 유효하게 작용하는 근거는 하기와 같이 설명 가능하다: Although the present invention is not bound by a particular theory, the basis for effective action of palladium having a Pd (111) plane on the hydrogenation/dehydrogenation of liquid organic hydrogen carriers having an N-heterocycle can be explained as follows:

Pd (111) 면은 Pd 원자가 긴밀하게 팩킹된 구조를 갖는 바, N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체 분자의 수소(H) 원자 및 Pd 원자가 서로 근접하여 우선적 흡착에 적합한 기하학적 구조를 형성함으로써, 덜 패킹된 Pd 면(예를 들면, Pd (100) 면 및 Pd (110) 면)과 대비하면, 보다 빠른 탈수소화 반응이 유도될 수 있다. The Pd (111) plane has a structure in which Pd atoms are tightly packed, and the hydrogen (H) atom and Pd atom of the liquid organic hydrogen carrier molecule having an N-heterocycle are close to each other to form a geometric structure suitable for preferential adsorption, Compared with less packed Pd faces (eg, Pd (100) faces and Pd (110) faces), a faster dehydrogenation reaction can be induced.

일 예로서 H12-NEC를 액체 유기수소 운반체로 사용할 경우, Pd (100), Pd (110) 및 Pd (111)와 같은 3가지 Pd 표면을 이용하여 DFT로 탈수소화 반응에 대한 구조 민감성을 연구한 결과, 기하학 구조 측면에서 초기 흡착은 N-헤테로원자에 인접한 5개의 지점의 고리에서 첫 번째 2개의 수소 원자를 제거하는 것과 동일한 것으로 볼 수 있다. 이때, Pd (100) 면 및 Pd (110) 면은 Pd (111) 면에 비하여 덜 패킹된 구조를 갖기 때문에, 액체 유기수소 운반체 분자 내 5개의 꼭지점으로 이루어진 고리에서 나머지 2개의 수소 원자를 제거하기 위하여 추가적인 흡착 단계가 요구된다. 그 결과, Pd (111) 면은 다른 Pd 면보다 더 높은 탈수소화 활성을 나타낼 수 있는 것으로 판단된다. As an example, when H 12 -NEC is used as a liquid organic hydrogen carrier, three Pd surfaces such as Pd (100), Pd (110) and Pd (111) are used to study the structural sensitivity of the dehydrogenation reaction by DFT. As a result, in terms of geometry, the initial adsorption can be seen as equivalent to removing the first two hydrogen atoms from the five-point ring adjacent to the N-heteroatom. At this time, since the Pd (100) plane and the Pd (110) plane have a less packed structure than the Pd (111) plane, the remaining two hydrogen atoms are removed from the ring consisting of five vertices in the liquid organic hydrogen carrier molecule. For this, an additional adsorption step is required. As a result, it is judged that the Pd (111) plane can exhibit higher dehydrogenation activity than other Pd planes.

예시적 구체예에 따르면, 촉매 내 팔라듐 입자 사이즈는 약 3.5 nm 이하, 구체적으로 약 0.5 내지 3 nm, 보다 구체적으로 약 1 내지 2.8 nm 범위일 수 있다. 활성 금속의 클러스터 사이즈가 지나치게 클 경우에는 복합 지지체 상에 담지되는 금속의 분산도 저하로 인하여 반응 효율이 감소하는 한편, 지나치게 작은 경우에는 반응물이 흡착할 활성 점의 수가 감소하여 흡착 빈도 수가 적어지는 현상이 유발될 수 있는 만큼, 전술한 범위에서 조절되는 것이 유리할 수 있으나, 반응 조건 등에 따라 상기 수치 범위에서 다소 변경될 수도 있다. 또한, 활성 금속의 분산도(CO-화학흡착법에 의하여 측정됨)는, 예를 들면 적어도 약 30%, 구체적으로 약 35 내지 50%, 보다 구체적으로 약 40 내지 45% 범위일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the palladium particle size in the catalyst may range from about 3.5 nm or less, specifically about 0.5 to 3 nm, and more specifically about 1 to 2.8 nm. When the active metal cluster size is too large, the reaction efficiency decreases due to the decrease in the dispersion degree of the metal supported on the composite support, while when the active metal cluster size is too small, the number of active spots to be adsorbed by the reactant decreases and the frequency of adsorption decreases. As much as this can be caused, it may be advantageous to be adjusted in the above range, but may be slightly changed in the above numerical range depending on reaction conditions and the like. In addition, the dispersion degree of the active metal (measured by the CO-chemical adsorption method) may be, for example, at least about 30%, specifically about 35 to 50%, and more specifically about 40 to 45%.

한편, 본 구체예에서 수소화/탈수소화 촉매의 지지체는 알루미나-함유 지지체일 수 있다. 이러한 알루미나는 메조다공성 알루미나로서 전형적으로 잉크 병 (ink-bottle) 또는 채널 형 포어(세공) 연결성을 나타낼 수 있는 바, 수소화/탈수소화 반응에 있어서 상대적으로 높은 표면적, 높은 충진 밀도, 열적 안정성, 물리적 강도 및 재생력을 나타낼 수 있다.Meanwhile, in this embodiment, the support of the hydrogenation/dehydrogenation catalyst may be an alumina-containing support. Such alumina, as mesoporous alumina, can typically exhibit ink-bottle or channel-type pore (pore) connectivity, and thus relatively high surface area, high packing density, thermal stability, and physical stability in the hydrogenation/dehydrogenation reaction. It can show strength and regeneration.

예시적 구체예에 따르면, 상기 촉매 내 지지체의 BET 비표면적은, 예를 들면 적어도 약 300 ㎡/g, 구체적으로 약 320 내지 400 ㎡/g, 보다 구체적으로 약 350 내지 380 ㎡/g 범위일 수 있다. 이러한 비표면적은 종래에 다양한 화학 반응에서 사용된 감마-알루미나 지지체에 비하여 현저히 높은 수준인 바, Pd(111) 면을 갖는 팔라듐을 효과적으로 분산시키는데 적합하다.According to an exemplary embodiment, the BET specific surface area of the support in the catalyst may be, for example, at least about 300 m2/g, specifically about 320 to 400 m2/g, more specifically about 350 to 380 m2/g. have. This specific surface area is significantly higher than that of the gamma-alumina support used in various chemical reactions in the related art, and is suitable for effectively dispersing palladium having a Pd(111) surface.

예시적 구체예에 따르면, 촉매 내 지지체의 포어 체적은, 예를 들면 약 0.4 내지 0.55 ㎤/g, 구체적으로 약 0.42 내지 0.5 ㎤/g, 보다 구체적으로 약 0.45 내지 0.49 ㎤/g 범위일 수 있다. 또한, 촉매 내 지지체의 포어 사이즈(크기)는, 예를 들면 약 3 내지 4.5 nm, 구체적으로 약 3.5 내지 4.3 nm, 보다 구체적으로 약 3.8 내지 4.1 nm 범위일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the pore volume of the support in the catalyst may range from, for example, about 0.4 to 0.55 cm 3 /g, specifically about 0.42 to 0.5 cm 3 /g, more specifically about 0.45 to 0.49 cm 3 /g. . In addition, the pore size (size) of the support in the catalyst may range from, for example, about 3 to 4.5 nm, specifically about 3.5 to 4.3 nm, and more specifically about 3.8 to 4.1 nm.

예시적 구체예에 따르면, 촉매의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니나, 촉매의 안정성 및 효율을 고려하면 볼 형상, 태블릿 형상, 그래뉼 형상, 펠렛 형상 등의 구조물로 적용할 수 있다. 이때, 촉매의 사이즈(또는 직경)는, 예를 들면 약 0.1 내지 10 mm, 구체적으로 약 0.5 내지 5 mm, 보다 구체적으로 약 1 내지 3 mm 범위일 수 있으나, 이는 예시적 목적으로 이해될 수 있다.According to an exemplary embodiment, the shape of the catalyst is not particularly limited, but considering the stability and efficiency of the catalyst, it may be applied in a structure such as a ball shape, a tablet shape, a granule shape, and a pellet shape. At this time, the size (or diameter) of the catalyst may be, for example, about 0.1 to 10 mm, specifically about 0.5 to 5 mm, and more specifically about 1 to 3 mm, but this may be understood for illustrative purposes. .

이처럼, 본 구체예에 따른 촉매는 넓은 비표면적을 갖는 메조다공성 알루미나-함유 지지체에 활성 금속인 팔라듐의 (111)면 을 선택적으로 효과적으로 담지시킨 형태이다. 팔라듐(Pd) 원자가 (111) 면으로 담지됨으로써, 열역학적으로 안정한 상태로 N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체 화합물이 흡착될 수 있도록 하고, 이때 수소 원자와 근접한 Pd 원자는 Pd (111) 면에서 개선된 탈수소화 반응 활성을 제공하는 점은 주목할 만하다. As such, the catalyst according to the present embodiment is in a form in which the (111) plane of palladium, an active metal, is selectively and effectively supported on a mesoporous alumina-containing support having a large specific surface area. Since the palladium (Pd) atom is supported on the (111) plane, the liquid organohydrogen carrier compound having an N-heterocycle can be adsorbed in a thermodynamically stable state, and at this time, the Pd atom close to the hydrogen atom is in the Pd (111) plane. It is noteworthy that it provides improved dehydrogenation activity.

촉매의 제조Preparation of catalyst

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 전술한 바와 같이 액체 유기수소 운반체, 구체적으로 N-함유 헤테로고리 액체 유기수소 운반체에 대하여 양호한 수소화/탈수소화 반응 활성을 갖는 촉매의 제조방법이 제공된다.According to another embodiment of the present disclosure, there is provided a method for preparing a catalyst having good hydrogenation/dehydrogenation activity for a liquid organohydrogen carrier, specifically an N-containing heterocyclic liquid organohydrogen carrier, as described above.

이와 관련하여, 본 발명자들은 종래에 금속/알루미나 담지 촉매의 제조 시 가장 전형적으로 적용된 함침법으로는 촉매 내에 Pd (111) 면을 선택적으로 형성하기 곤란하다는 점을 발견하였다. 이를 고려하여, 용매를 사용하지 않으면서 팔라듐 전구체 및 알루미나 전구체를 단일 단계에서 반응시키고, 후속적으로 열 처리(구체적으로 산소-함유 분위기 하에서의 열 처리)를 수행하는 간단한 방식을 통하여 특정 면(배향)을 갖는 팔라듐을 선택적으로 알루미나-함유 지지체 상에 균일하게 분산시킴으로써 높은 전환율 및 선택도로 수소화/탈수소화 반응, 특히 탈수소화 반응을 수행할 수 있는 촉매를 제조할 수 있다. In this regard, the present inventors have found that it is difficult to selectively form Pd (111) planes in the catalyst by the impregnation method most typically applied in the production of a metal/alumina supported catalyst in the prior art. In consideration of this, a specific surface (orientation) through a simple method of reacting the palladium precursor and the alumina precursor in a single step without using a solvent, and subsequently performing heat treatment (specifically, heat treatment in an oxygen-containing atmosphere). By uniformly dispersing palladium having a on an alumina-containing support, a catalyst capable of carrying out hydrogenation/dehydrogenation reactions, particularly dehydrogenation reactions, with high conversion and selectivity can be prepared.

더욱이, 촉매의 장기 안정성을 향상시키기 위하여는 활성 금속과 지지체 사이에 강한 상호 작용이 요구되며, 또한 가급적 활성 금속을 지지체에 균일하게 분산 담지시키는 것이 바람직하다. 금속 산화물(metal oxide) 기반의 지지체로서 알루미나 지지체는 기본적으로는 활성 금속의 전구체와 강하게 결합되므로 촉매 안정성 면에서 효과적인 것으로 알려져 있으나, 함침법에 의한 알루미나 지지체로서 널리 사용되는 감마-알루미나의 경우, Pd (111) 면을 갖는 팔라듐을 효과적으로 분산시키기 위한 성상(특히, 비표면적)을 제공하기 어렵다. 또한, 상대적으로 높은 비표면적을 갖는 메조다공성 알루미나를 지지체로 하여 함침법에 의하여 팔라듐을 담지하는 경우에도, 제조 방식의 특성 상 최종 촉매의 비표면적을 획기적으로 증가시키는데 한계가 있으며, 특히 활성 금속으로서 Pd (111) 면을 갖는 팔라듐만을 선택적으로 담지시키기 곤란하다. Moreover, in order to improve the long-term stability of the catalyst, a strong interaction between the active metal and the support is required, and it is preferable to uniformly disperse and support the active metal on the support. As a metal oxide-based support, an alumina support is known to be effective in terms of catalytic stability because it is basically strongly bonded with a precursor of an active metal. However, in the case of gamma-alumina, which is widely used as an alumina support by impregnation method, Pd It is difficult to provide properties (especially, specific surface area) for effectively dispersing palladium having a (111) face. In addition, even when palladium is supported by the impregnation method using mesoporous alumina having a relatively high specific surface area as a support, there is a limitation in dramatically increasing the specific surface area of the final catalyst due to the characteristics of the manufacturing method. It is difficult to selectively support only palladium having a Pd (111) plane.

일 구체예에 따르면, 먼저 적어도 하나의 알루미나 전구체, 적어도 하나의 팔라듐 전구체 및 염기 성분을 포함하는 전구체 혼합물을 제조한다.According to one embodiment, first, a precursor mixture including at least one alumina precursor, at least one palladium precursor, and a base component is prepared.

예시적으로, 전구체 혼합물은 3가지 성분을 동시에 혼합할 수 있다. 택일적으로, 3가지 성분 중 2개의 성분을 먼저 혼합한 후에 나머지 성분을 첨가하는 방식으로 제조될 수도 있다. 예를 들면, 알루미나 전구체와 염기 성분을 먼저 혼합한 후에 팔라듐 전구체를 첨가하여 혼합할 수 있다.Illustratively, the precursor mixture may mix three components at the same time. Alternatively, it may be prepared by first mixing two of the three ingredients and then adding the remaining ingredients. For example, the alumina precursor and the base component may be first mixed, and then a palladium precursor may be added and mixed.

예시적 구체예에 따르면, 상기 팔라듐 전구체는 팔라듐의 유기산염 또는 무기산염, 착체 또는 이의 조합일 수 있다. 이러한 팔라듐 전구체의 예는 팔라듐 아세테이트, 팔라듐 니트레이트, 팔라듐 설페이트, 팔라듐 카보네이트, 팔라듐 하이드록사이드, 팔라듐 할라이드 및 이의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있는 바, 이는 예시적인 것으로 이해될 수 있다. 보다 전형적으로는 팔라듐 니트레이트 및/또는 이의 수화물 형태의 팔라듐 전구체를 사용할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the palladium precursor may be an organic or inorganic acid salt of palladium, a complex, or a combination thereof. Examples of such a palladium precursor may be at least one selected from the group consisting of palladium acetate, palladium nitrate, palladium sulfate, palladium carbonate, palladium hydroxide, palladium halide, and hydrates thereof, which may be understood as illustrative. More typically, palladium precursors in the form of palladium nitrate and/or hydrates thereof may be used.

또한, 알루미나 전구체는 알루미늄의 유기산염 또는 무기산염, 알콕사이드, 착체 또는 이의 조합일 수 있는 바, 이의 대표적인 예는 알루미늄아세테이트, 알루미늄아세틸아세토네이트, 알루미늄 브로마이드, 알루미늄 t-부톡사이드, 알루미늄 sec-부톡사이드, 알루미늄 펜톡사이드, 알루미늄 에톡사이드, 알루미늄 이소프록사이드, 알루미늄 트리부톡사이드, 알루미늄 클로라이드,, 알루미늄 브로마이드, 알루미늄 이오다이드, 알루미늄 설페이트, 알루미늄 니트레이트 및 이의 수화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 보다 구체적으로는 알루미늄 니트레이트 및/또는 이의 수화물을 사용할 수 있다.In addition, the alumina precursor may be an organic or inorganic acid salt of aluminum, an alkoxide, a complex, or a combination thereof, and representative examples thereof are aluminum acetate, aluminum acetylacetonate, aluminum bromide, aluminum t-butoxide, aluminum sec-butoxide , Aluminum pentoxide, aluminum ethoxide, aluminum isoproxide, aluminum tributoxide, aluminum chloride, aluminum bromide, aluminum iodide, aluminum sulfate, aluminum nitrate, and at least one selected from the group consisting of a hydrate thereof. . More specifically, aluminum nitrate and/or a hydrate thereof may be used.

예시적 구체예에 따르면, 염기 성분은 암모늄카보네이트, 암모늄바이카보네이트, 암모늄 클로라이드, 암모늄 옥살레이트, 암모늄 설페이트, 암모늄 하이드록사이드, 암모늄 니트레이트, 리튬 하이드록사이드, 소디움 하드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 칼슘 하이드록사이드 및 마그네슘 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 보다 구체적으로는 암모늄바이카보네이트를 사용할 수 있다. 이와 같이 염기를 사용하는 이유는 산성의 금속 전구체로부터 금속산화물을 형성함에 있어서, 염기 성분이 첨가되어 침전되면서 금속 염 및 물이 형성되는 중화 반응이 발생하기 때문이다. According to an exemplary embodiment, the base component is ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium chloride, ammonium oxalate, ammonium sulfate, ammonium hydroxide, ammonium nitrate, lithium hydroxide, sodium hardoxide, potassium hydroxide , It may be at least one selected from the group consisting of calcium hydroxide and magnesium hydroxide, and more specifically, ammonium bicarbonate may be used. The reason for using a base is that, in forming a metal oxide from an acidic metal precursor, a neutralization reaction occurs in which a metal salt and water are formed while the base component is added and precipitated.

예시적 구체예에 따르면, 전구체 혼합물 내 팔라듐 전구체/염기 성분의 몰 비는, 예를 들면 약 0.0001 내지 0.1, 구체적으로 약 0.002 내지 0.05, 보다 구체적으로 약 0.008 내지 0.02의 범위일 수 있는 바, 염기의 사용량이 지나치게 적거나 많은 경우에는 합성의 최종 단계인 겔이 형성하는데 소요되는 시간이 더 짧아지거나 또는 길어지고, 그 결과 원하는 결정상을 갖는 금속 산화물을 형성하기 곤란하고, 더 나아가 비표면적, 금속의 분산도, 입자 크기 등과 같은 촉매 성상에 영향을 미칠 수 있는 만큼, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 상기 범위는 전구체 및 염기의 종류에 따라 변경 가능하다.According to an exemplary embodiment, the molar ratio of the palladium precursor/base component in the precursor mixture may range from, for example, about 0.0001 to 0.1, specifically about 0.002 to 0.05, more specifically about 0.008 to 0.02, and the base When the amount of used is too small or too large, the time required to form the gel, which is the final step of synthesis, becomes shorter or longer, and as a result, it is difficult to form a metal oxide having a desired crystal phase, and furthermore, it is difficult to form a metal oxide having a specific surface area and a metal It may be advantageous to appropriately control within the above-described range as it may affect catalyst properties such as dispersion degree, particle size, and the like. However, the range can be changed according to the type of precursor and base.

또한, 전구체 혼합물 내 팔라듐 전구체 및 알루미나 전구체 간의 혼합 비는 앞서 기재된 촉매의 알루미나 지지체에 대한 팔라듐의 담지량에 따라 결정될 수 있다.In addition, the mixing ratio between the palladium precursor and the alumina precursor in the precursor mixture may be determined according to the amount of palladium supported on the alumina support of the catalyst described above.

일 구체예에 따르면, 전술한 전구체 혼합물을 제조하는 과정에서, 또는 이의 물리적 혼합물을 형성한 후에 외부 에너지를 가하면서 반응을 수행할 수 있다. 이때, 주목할 점은 함침법과 같은 통상적인 담지 방식과는 달리 용매를 사용하지 않고 고상 형태의 전구체 간의 반응만을 수행한다는 것이다. 촉매 합성 단계에서 고상 반응을 채택할 경우, 액상 금속 전구체 용액을 제조한 후에 이를 다공성 무기 금속산화물 지지체(구체적으로 알루미나)와 접촉시켜 지지체의 포어에 금속 전구체를 고정 또는 부착시키는 방식에 비하여 금속 전구체들(활성 금속의 전구체 및 무기 금속 산화물(알루미늄)의 전구체) 간에 보다 강한 상호 작용을 유도할 수 있다. 그 결과, 고상 반응 후에도 금속 입자의 뭉침(또는 응집) 현상이 현저히 감소하게 된다. According to one embodiment, the reaction may be performed while applying external energy in the process of preparing the above-described precursor mixture or after forming a physical mixture thereof. At this time, it should be noted that unlike a conventional loading method such as an impregnation method, only the reaction between the solid-state precursors is performed without using a solvent. In the case of adopting a solid-phase reaction in the catalyst synthesis step, metal precursors are compared to the method of fixing or attaching the metal precursor to the pores of the support by making a liquid metal precursor solution and then contacting it with a porous inorganic metal oxide support (specifically, alumina). It is possible to induce a stronger interaction between (a precursor of an active metal and a precursor of an inorganic metal oxide (aluminum)). As a result, the agglomeration (or aggregation) phenomenon of the metal particles is significantly reduced even after the solid phase reaction.

본 구체예에 따른 무용매 제조 방식은 높은 비표면적의 메조다공성 알루미나 지지체에 N- 함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응, 특히 탈수소화 반응에 특히 효과적인 특정 배향 면의 팔라듐, 구체적으로 (111) 면의 팔라듐을 높은 분산도로 담지시킬 수 있고, 더 나아가 촉매를 구성하는 금속 성분 간 개선된 상호 작용에 의하여 수소화/탈수소화 반응의 지속적인 반복 하에서도 양호한 촉매 활성(즉, 장기 안정성)을 유지할 수 있는 점은 기존 방식(특히, 함침법)과 명확히 구별되는 점이라 할 수 있다. The solvent-free production method according to this embodiment is a hydrogenation/dehydrogenation reaction of a liquid organohydrogen carrier having an N-containing heterocycle on a mesoporous alumina support having a high specific surface area, in particular, palladium on a specific orientation surface, which is particularly effective for dehydrogenation reactions, Specifically, it is possible to support palladium on (111) cotton with a high degree of dispersion, and furthermore, good catalytic activity (i.e., long-term stability) even under continuous repetition of hydrogenation/dehydrogenation reaction due to improved interaction between metal components constituting the catalyst. ) Can be maintained as a point that is clearly distinguished from the existing method (especially, the impregnation method).

일 구체예에 따르면, 전술한 3가지 성분 간 고상 반응을 수행하기 위하여 인가되는 외부 에너지는 전형적으로 물리적 또는 기계적 에너지일 수 있으며, 예를 들면 밀링, 그라인딩 또는 분쇄와 같은 마찰 에너지 형태, 구체적으로 볼밀에 의한 마찰 에너지일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 무용매 조건 하에서 팔라듐 전구체와 알루미나 전구체 상호 간의 반응을 유도할 수 있는 한, 임의의 외부 에너지가 특별한 제한 없이 이용될 수 있다.According to one embodiment, the external energy applied to perform the solid-phase reaction between the three components described above may be typically physical or mechanical energy, for example, in the form of friction energy such as milling, grinding or grinding, specifically a ball mill. Although it may be friction energy due to, this is exemplary, and any external energy may be used without particular limitation as long as it can induce a reaction between the palladium precursor and the alumina precursor under a solvent-free condition.

예시적 구체예에 따르면, 상기 외부 에너지 인가 하에서의 고상 반응은, 예를 들면 약 5 내지 40 분, 구체적으로 약 10 내지 30 분, 보다 구체적으로 약 13 내지 25 분 동안 수행될 수 있다. 이때, 전구체 간 고상 반응이 진행됨에 따라 겔 형태의 촉매 고형물이 형성될 수 있다. 구체적으로, 고상 반응 과정, 또는 외부 에너지(예를 들면, 마찰 에너지)의 인가 하에서 혼합되는 과정에서, 염기 성분은 부분적 또는 완전하게 분해되는 바, 금속 전구체가 금속 염 형태인 경우에는 금속 양이온과 결합되어 있는 음이온 또는 음이온 종이 수산화물기로 치환될 수 있다. 그 과정에서, 전구체 및 염기로부터 유래하는 가스를 방출할 수 있다. 예를 들면, 염기로서 암모늄 바이카보네이트를 사용할 경우에는 주로 다량의 이산화탄소가 발생할 수 있다. 이와 같이 가스 방출 하에서 반응이 진행되면서 전구체들은 겔을 형성한 후, 고형화(solidification)에 의하여 경도가 증가하다가 다시 겔을 형성하는 과정을 거치게 되며, 결과적으로 겔 형태의 촉매 고형물을 얻을 수 있다. According to an exemplary embodiment, the solid-phase reaction under the application of external energy may be performed for, for example, about 5 to 40 minutes, specifically about 10 to 30 minutes, and more specifically about 13 to 25 minutes. At this time, as the solid-phase reaction between the precursors proceeds, a catalyst solid in a gel form may be formed. Specifically, in the process of solid-phase reaction or mixing under the application of external energy (for example, friction energy), the base component is partially or completely decomposed, and when the metal precursor is in the form of a metal salt, it is combined with a metal cation. The anion or anion species that have been formed may be substituted with a hydroxide group. In the process, gases derived from precursors and bases can be released. For example, when ammonium bicarbonate is used as a base, a large amount of carbon dioxide may be mainly generated. As the reaction proceeds under gas evolution, the precursors form a gel, and then the hardness increases by solidification and then undergoes a process of forming a gel again, and as a result, a catalyst solid in the form of a gel can be obtained.

그 다음, 고상 반응으로부터 형성된 촉매 고형물을 산소-함유 분위기(구체적으로 공기 분위기) 하에서 열 처리, 즉 하소시켜 겔 형태의 촉매 고형물을 산화물로 전환시키는 단계가 수행될 수 있다. 이러한 열 처리 단계를 통하여 팔라듐의 나노입자(또는 결정)가 메조다공성 알루미나 지지체의 포어(기공) 내에 고르게 분산될 수 있다. 이때, (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐 결정(또는 나노입자)이 주로 메조다공성 알루미나-함유 지지체에 담지될 수 있으며, 산소-분위기 하에서의 열 처리에 의하여 팔라듐 결정 또는 입자는 전형적으로 산화물 상태로 담지될 수 있다. 이와 함께, 산소-분위기 하에서의 열 처리를 통하여 다공성 및 포어 간 연결 구조가 발달되고 안정성이 강화된 메조다공성 알루미나가 형성될 수 있다.Then, a step of converting the catalyst solid in the form of a gel into an oxide by heat treatment, that is, calcining, in an oxygen-containing atmosphere (specifically, an air atmosphere) may be performed on the catalyst solid formed from the solid-phase reaction. Through this heat treatment step, nanoparticles (or crystals) of palladium may be evenly dispersed in the pores (pores) of the mesoporous alumina support. At this time, palladium crystals (or nanoparticles) having a (111) facet may be mainly supported on a mesoporous alumina-containing support, and the palladium crystals or particles are typically in an oxide state by heat treatment in an oxygen-atmosphere. It can be supported. In addition, through heat treatment in an oxygen-atmosphere, a porous and pore-to-pore connection structure may be developed, and a mesoporous alumina with enhanced stability may be formed.

예시적 구체예에 따르면, 열 처리는, 예를 들면 약 300 내지 800 ℃, 구체적으로 약 350 내지 750 ℃, 보다 구체적으로 약 400 내지 700 ℃의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다. 이때, 승온 속도는, 예를 들면 약 1 내지 10 ℃/min, 구체적으로 약 1.5 내지 5 ℃/min, 보다 구체적으로 약 2 내지 4 ℃/min 범위 내에서 조절 가능하다. 예시적으로, 열 처리 시간은, 예를 들면 약 1 내지 24 시간, 구체적으로 약 3 내지 10 시간, 보다 구체적으로 약 4 내지 6 시간 범위 내에서 조절될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the heat treatment may be performed under a temperature condition of, for example, about 300 to 800°C, specifically about 350 to 750°C, and more specifically about 400 to 700°C. At this time, the temperature increase rate may be adjusted within the range of, for example, about 1 to 10° C./min, specifically about 1.5 to 5° C./min, and more specifically about 2 to 4° C./min. Illustratively, the heat treatment time may be adjusted within a range of, for example, about 1 to 24 hours, specifically about 3 to 10 hours, and more specifically about 4 to 6 hours.

한편, 산소-분위기 하에서의 열 처리 후에는 최종 용도인 수소화/탈수소화 반응을 위한 촉매 활성화를 위하여 환원 처리를 추가적으로 수행할 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 환원 처리용 가스로서, 수소, 일산화탄소, 메탄 또는 이의 조합을 사용할 수 있으며, 보다 전형적으로는 수소 분위기 하에서 환원 처리할 수 있다.On the other hand, after the heat treatment in an oxygen-atmosphere, a reduction treatment may be additionally performed in order to activate the catalyst for the hydrogenation/dehydrogenation reaction, which is the final use. According to an exemplary embodiment, as the gas for reduction treatment, hydrogen, carbon monoxide, methane, or a combination thereof may be used, and more typically, reduction treatment may be performed under a hydrogen atmosphere.

일 예로서, 환원 처리 온도는, 예를 들면 약 250 내지 500 ℃(구체적으로 약 300 내지 450 ℃, 보다 구체적으로 약 320 내지 400℃) 범위일 수 있다. 이때, 승온 속도는, 예를 들면 약 1 내지 10 ℃/min, 구체적으로 약 4 내지 6 ℃/min 범위일 수 있다. 또한, 환원 처리 시간은, 예를 들면 약 1 내지 10 시간, 구체적으로 약 2 내지 5 시간 범위 내에서 정하여질 수 있다. 이외에도, 환원 처리 시 압력(환원 가스의 분압)은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 예를 들면 약 1 내지 5 bar, 구체적으로 약 1.5 내지 4 bar, 보다 구체적으로 약 2 내지 3 bar의 범위일 수 있다. 상술한 환원 처리 조건은 예시적으로 이해될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 환원 처리를 통하여, 메조다공성 알루미나 지지체 상에 팔라듐, 즉 Pd (111) 면의 활성 금속이 환원 형태(즉, 원소 형태)로 담지된 촉매를 제조할 수 있다.As an example, the reduction treatment temperature may be, for example, in the range of about 250 to 500 °C (specifically about 300 to 450 °C, more specifically about 320 to 400 °C). At this time, the rate of temperature increase may be, for example, in the range of about 1 to 10 °C/min, specifically about 4 to 6 °C/min. In addition, the reduction treatment time may be determined within a range of, for example, about 1 to 10 hours, specifically about 2 to 5 hours. In addition, the pressure during the reduction treatment (partial pressure of the reducing gas) is not particularly limited, for example, in the range of about 1 to 5 bar, specifically about 1.5 to 4 bar, and more specifically about 2 to 3 bar Can be The above-described reduction treatment conditions may be understood by way of example, and are not necessarily limited thereto. Through such reduction treatment, it is possible to prepare a catalyst in which palladium, that is, an active metal on the Pd (111) surface, is supported in a reduced form (ie, elemental form) on a mesoporous alumina support.

N-함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체 화합물 이용한 수소화/탈수소화 반응(수소의 저장 및 방출)Hydrogenation/dehydrogenation reaction (storage and release of hydrogen) using a liquid organic hydrogen carrier compound having an N-containing heterocycle

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 수소 저장 물질로서 액체 유기 수소 운반체(LOHC)를 사용할 수 있는 바, 이러한 액체 유기 수소 운반체 시스템은 수소-희박 및 수소-풍부 유기 화합물로 이루어지며, 이는 반복되는 촉매적 수소화 및 탈수소화 사이클에 의하여 수소를 저장 및 방출할 수 있다. 특히, 액체 유기 수소 운반체 형태로 수소를 취급함으로써 기존의 연료용 설비를 활용할 수 있고, 기체(예를 들면, 이산화탄소 또는 질소)의 수소화에 의한 수소 저장과 달리, 액체 유기 수소 운반체로부터 수소를 방출할 경우, 상대적으로 고비점을 갖는 운반체 화합물의 응축 후에 순수한 수소를 생성할 수 있다. According to an embodiment of the present disclosure, it is possible to use a liquid organic hydrogen carrier (LOHC) as the hydrogen storage material, and such a liquid organic hydrogen carrier system consists of hydrogen-lean and hydrogen-rich organic compounds, which are repeated catalysts. Hydrogen can be stored and released by appropriate hydrogenation and dehydrogenation cycles. In particular, by handling hydrogen in the form of a liquid organic hydrogen carrier, existing fuel facilities can be utilized, and unlike hydrogen storage by hydrogenation of gas (e.g., carbon dioxide or nitrogen), hydrogen can be released from the liquid organic hydrogen carrier. In this case, pure hydrogen can be produced after condensation of a carrier compound having a relatively high boiling point.

이와 관련하여, 일 구체예에 따르면, 액체 유기 수소 운반체로서 N-함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기 수소 운반체를 사용할 수 있는 바, 이러한 화합물은 분자 내에 적어도 하나의 공액 결합을 갖는 N-함유 헤테로 고리 화합물일 수 있다. 이러한 액체 유기 수소 운반체 화합물은 질소(N) 원자가 고리에 존재함으로써, 탈수소화 엔탈피를 낮추는 특성을 갖고 있기 때문에 기존의 액체 유기 수소 운반체, 예를 들면 디벤질톨루엔과 같은 방향족 탄화수소 화합물 등에 비하여 수소의 저장(또는 수소의 흡수) 및/또는 방출(수소의 탈리)이 용이하고, 탈수소화 및 수소화 반응 후에도 액상으로 동일한 상을 유지하기 때문에 운반 및 반응이 용이하다는 장점을 갖는다.In this regard, according to one embodiment, it is possible to use a liquid organic hydrogen carrier having an N-containing heterocycle as the liquid organic hydrogen carrier, and such a compound is an N-containing heterocyclic compound having at least one conjugated bond in the molecule. Can be Since these liquid organic hydrogen carrier compounds have the property of lowering the enthalpy of dehydrogenation by the presence of nitrogen (N) atoms in the ring, they store hydrogen compared to conventional liquid organic hydrogen carriers such as aromatic hydrocarbon compounds such as dibenzyltoluene. It has the advantage of easy (or absorption of hydrogen) and/or release (desorption of hydrogen), and easy transport and reaction because the same phase is maintained in a liquid phase even after dehydrogenation and hydrogenation reactions.

일 구체예에 따르면, N-함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기 수소 운반체는 하기 일반식 1 내지 6으로 표시되는 화합물로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다:According to one embodiment, the liquid organic hydrogen carrier having an N-containing heterocycle may be at least one selected from compounds represented by the following general formulas 1 to 6:

[일반식 1][General Formula 1]

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[일반식 2][General Formula 2]

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[일반식 3][General Formula 3]

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[일반식 4][General Formula 4]

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[일반식 5][General Formula 5]

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[일반식 6][General Formula 6]

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상기 식에서, R, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7. R8, R9 및 R10 각각은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고, X는 -(CHR11)n-(n은 1 내지 3의 정수이고, R11은 H, OH, 또는 C1 내지 C6의 알킬기임), 그리고 Y는 CH 또는 N이다. In the above formula, R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 . Each of R 8 , R 9 and R 10 is hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group, X is -(CHR 11 ) n -(n is an integer of 1 to 3, R 11 is H, OH, or C 1 To C 6 is an alkyl group), and Y is CH or N.

상기 예시된 수소 운반체 화합물은, 예를 들면 약 100 ℃ 이하, 구체적으로 약 0 내지 80 ℃, 보다 구체적으로 약 10 내지 60 ℃ 범위의 융점을 나타낼 수 있는 바, 실온에서 액상을 유지할 수 있고, 또한 비점은 적어도 약 380 ℃, 구체적으로 약 130 내지 350 ℃, 보다 구체적으로 약 180 내지 300 ℃ 범위일 수 있다. 이러한 융점 및 비점 특성으로 인하여, 액체 유기 수소 운반체를 이용한 수소 저장 및 방출 시스템에 반응성 개선을 위한 별도의 용매 및/또는 첨가물의 사용을 생략할 수 있는 장점을 갖는다. The exemplified hydrogen carrier compound may exhibit a melting point in the range of, for example, about 100° C. or less, specifically about 0 to 80° C., more specifically about 10 to 60° C., and can maintain a liquid phase at room temperature, and The boiling point may be in the range of at least about 380°C, specifically about 130 to 350°C, and more specifically about 180 to 300°C. Due to such melting point and boiling point characteristics, it has the advantage of omitting the use of a separate solvent and/or additive for improving reactivity in a hydrogen storage and release system using a liquid organic hydrogen carrier.

전술한 바와 같이 (111) 면을 갖는 팔라듐을 활성 금속으로 하여 메조다공성 알루미나 지지체에 담지한 촉매는 N-함유 헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 사이클을 반복하는 방식으로 수소 저장 및 방출을 수행하는데 적합하다. As described above, the catalyst supported on the mesoporous alumina support using palladium having a (111) plane as an active metal stores hydrogen in a manner that repeats the hydrogenation/dehydrogenation cycle of a liquid organic hydrogen carrier having an N-containing heterocycle. It is suitable for carrying out the release.

예시적 구체예에 따른 수소 저장 및 방출 방법은 N-함유 헤테로고리를 갖는화합물(구체적으로 액상 형태)을 반응계 내에서 전술한 촉매와 접촉하는 단계를 수반할 수 있다. 이때, 촉매 내 활성 금속(Pd)/N-함유 헤테로고리 화합물의 비(M/R)는, 예를 들면 약 0.01 내지 1 몰%, 구체적으로 약 0.05 내지 0.7 몰%, 보다 구체적으로 약 0.1 내지 0.5 몰% 범위일 수 있다. 이와 관련하여, M/R 비가 지나치게 낮거나 높은 경우에는 반응의 활성화 에너지를 낮추는데 한계가 있기 때문에 불충분한 반응 활성을 나타낼 수 있는 한편, 지나치게 높은 경우에는 체적 면에서 고상 촉매가 액상의 반응물에 비하여 상당히 증가하여 과도한 슬러리 상태를 형성하게 된다. 그 결과, 반응 과정 중 교반이 곤란하게 되고 확산저항(diffusion limitation)이 발생되므로 촉매 활성 점을 충분히 활용할 수 없는 현상이 유발될 수 있기 때문에 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다. 다만, 사용되는 수소 저장 화합물의 종류 등에 따라 상기 비율은 변화 가능하다. The hydrogen storage and release method according to an exemplary embodiment may involve contacting a compound having an N-containing heterocycle (specifically in a liquid form) with the catalyst described above in a reaction system. At this time, the ratio (M/R) of the active metal (Pd)/N-containing heterocyclic compound in the catalyst is, for example, about 0.01 to 1 mol%, specifically about 0.05 to 0.7 mol%, more specifically about 0.1 to It may be in the range of 0.5 mol%. In this regard, when the M/R ratio is too low or high, there is a limit to lowering the activation energy of the reaction, so that insufficient reaction activity may be exhibited, whereas when the M/R ratio is too high, the solid catalyst is considerably higher than the liquid reactant in terms of volume. Increases, resulting in the formation of an excessive slurry state. As a result, since stirring becomes difficult during the reaction process and diffusion limitation is generated, a phenomenon in which the catalytic active point cannot be sufficiently utilized may be caused, so it may be advantageous to appropriately control within the above-described range. However, the ratio can be changed depending on the type of hydrogen storage compound used.

이와 관련하여, 수소 저장 물질 내 수소를 저장하기 위하여 수소화 반응을 수행할 수 있는 바, 수소화 반응 온도는, 예를 들면 약 50 내지 250 ℃, 구체적으로 약 80 내지 220 ℃, 보다 구체적으로 약 100 내지 190 ℃ 범위일 수 있다. 또한, 수소화 반응 압력은, 예를 들면 약 5 내지 100 bar, 구체적으로는 약 20 내지 80 bar, 보다 구체적으로는 약 30 내지 70 bar 범위일 수 있다. 이외에도, 수소화 반응 시간은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 0.5 내지 24 시간, 구체적으로 약 1 내지 12 시간 범위일 수 있다.In this regard, a hydrogenation reaction can be performed to store hydrogen in the hydrogen storage material, and the hydrogenation reaction temperature is, for example, about 50 to 250°C, specifically about 80 to 220°C, more specifically about 100 to It may be in the range of 190°C. In addition, the hydrogenation reaction pressure may be, for example, about 5 to 100 bar, specifically about 20 to 80 bar, and more specifically about 30 to 70 bar. In addition, the hydrogenation reaction time is not particularly limited, but may be, for example, in the range of about 0.5 to 24 hours, specifically about 1 to 12 hours.

예시적 구체예에 따르면, 전술한 Pd(111)/메조다공성 알루미나 촉매를 사용함으로써 수소화 반응 효율(탈수소화 반응물 1몰에서 이론적으로 저장될 수 있는 수소의 몰수 대비 실제 수소화 반응에 의하여 저장되는 수소 몰수로 정의됨)은, 예를 들면 적어도 약 50%, 구체적으로 적어도 약 60%, 보다 구체적으로 적어도 약 70% 수준일 수 있다. 또한, 수소 저장 화합물에 대응되는 수소화 생성물에 대한 선택도는 예를 들면 적어도 약 60%, 구체적으로 적어도 약 70%, 보다 구체적으로 적어도 약 80% 수준일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the hydrogenation reaction efficiency (the number of moles of hydrogen stored by the actual hydrogenation reaction compared to the number of moles of hydrogen that can theoretically be stored in 1 mole of the dehydrogenation reaction product) by using the aforementioned Pd(111)/mesoporous alumina catalyst. Is, for example, at least about 50%, specifically at least about 60%, and more specifically at least about 70%. In addition, the selectivity for the hydrogenation product corresponding to the hydrogen storage compound may be, for example, at least about 60%, specifically at least about 70%, and more specifically at least about 80%.

한편, 수소 저장 물질로부터 수소를 방출하기 위하여 탈수소화 반응이 수행될 수 있는 바, 이러한 탈수소화 반응은 흡열 반응이므로 동일 수소 저장 물질의 수소화 반응(발열 반응)에 비하여 높은 반응 온도(예를 들면, 수소화 반응 온도 대비 약 50 내지 100 ℃, 구체적으로 약 60 내지 80℃ 더 높은 온도 대역)에서 수행될 수 있다. 예시적 구체예에 따르면, 탈수소화 반응 온도는, 예를 들면 약 100 내지 350 ℃, 구체적으로 약 150 내지 320 ℃, 보다 구체적으로 약 180 내지 290 ℃ 범위일 수 있다. 반응 온도에서와 달리 탈수소화 반응 압력은 수소화 반응의 압력 조건에 비하여 낮은 수준일 수 있는 바, 예를 들면 약 1 내지 10 bar, 구체적으로 약 1 내지 5 bar, 보다 구체적으로 상압 조건일 수 있다. 또한, 탈수소화 반응 시간은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 0.5 내지 24 시간, 구체적으로 약 2 내지 12 시간 범위일 수 있다.On the other hand, a dehydrogenation reaction may be performed to release hydrogen from the hydrogen storage material.Since this dehydrogenation reaction is an endothermic reaction, the reaction temperature is higher than that of the hydrogenation reaction (exothermic reaction) of the same hydrogen storage material (for example, It may be carried out at a temperature range of about 50 to 100° C., specifically about 60 to 80° C. higher than the hydrogenation reaction temperature. According to an exemplary embodiment, the dehydrogenation reaction temperature may range from, for example, about 100 to 350°C, specifically about 150 to 320°C, and more specifically about 180 to 290°C. Unlike the reaction temperature, the dehydrogenation reaction pressure may be at a lower level than the pressure condition of the hydrogenation reaction, for example, about 1 to 10 bar, specifically about 1 to 5 bar, and more specifically, it may be a normal pressure condition. In addition, the dehydrogenation reaction time is not particularly limited, but may be, for example, in the range of about 0.5 to 24 hours, specifically about 2 to 12 hours.

예시적 구체예에 따르면, 전술한 촉매를 사용함으로써 탈수소화 반응 효율(수소화 반응물 1몰에서 이론적으로 방출될 수 있는 수소의 몰수 대비 실제 탈수소화 반응에 의해 생성되는 수소 몰수로 정의됨)은, 예를 들면 적어도 약 50%, 구체적으로 적어도 약 75%, 보다 구체적으로 적어도 약 80% 수준일 수 있다. According to an exemplary embodiment, the efficiency of the dehydrogenation reaction (defined as the number of moles of hydrogen produced by the actual dehydrogenation reaction relative to the number of moles of hydrogen that can be theoretically released from 1 mole of the hydrogenation reactant) by using the above-described catalyst, For example, it may be at least about 50%, specifically at least about 75%, and more specifically at least about 80%.

한편, 일 구체예에 따르면, 수소화/탈수소화 반응은 회분식 반응기, 연속 반응기, 반 연속 반응기 등, 당업계에서 알려진 공지의 반응기를 사용하여 수행될 수 있으며, 특히 액체 유기 수소 운반체, 특히 비교적 높은 비점을 갖는 액체 유기수소 운반체 화합물의 경우, 수소화 및 탈수소화 반응이 액상에서 일어날 수 있는 만큼, 반응기에 교반기가 구비될 수도 있다. 예시적 구체예에 따르면, 상기 반응은 입자 형상의 촉매를 이용한 고정층 반응기 내에서 수행될 수 있다.On the other hand, according to one embodiment, the hydrogenation / dehydrogenation reaction may be carried out using a known reactor known in the art, such as a batch reactor, a continuous reactor, a semi-continuous reactor, and in particular, a liquid organic hydrogen carrier, particularly a relatively high boiling point. In the case of a liquid organohydrogen carrier compound having, as much as hydrogenation and dehydrogenation reactions can occur in a liquid phase, a stirrer may be provided in the reactor. According to an exemplary embodiment, the reaction may be carried out in a fixed bed reactor using a particulate catalyst.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 구체예에 따르면 단일 촉매를 사용하고도 N-함유 헤테로고리 화합물의 수소화/탈수소화 반응을 모두 수행하는데 적합하다. 택일적으로, 상기 촉매를 기존의 수소 저장 및 방출 반응에서 사용되는 2종의 촉매 중 하나와 대체할 수도 있다. 특히, 본 구체예에서 사용되는 수소화/탈수소화 촉매는 상기 액체 유기수소 운반체에 대한 탈수소화 반응에 효과적으로 작용하는 활성 금속으로서 (111) 면을 갖는 팔라듐이 메조다공성 알루미나 지지체에 높은 분산도로 분산 담지되어 있다. 더욱이, 통상의 함침법(지지체 제조 단계 및 담지 단계의 2단계 제조공정)에 의하여 제조된 팔라듐/알루미나 촉매에 비하여 높은 비표면적을 갖고 있으며, 심지어 감마-알루미나 대신에 메조다공성 알루미나를 지지체로 하여 함침법에 의하여 제조된 촉매보다 큰 비표면적을 형성할 수 있다. 따라서, 기존 촉매에 비하여 수소화/탈수소화 반응 효율이 양호하고, 장기간 반응 안정성이 우수한 장점을 갖는다. 또한, 수소화/탈수소화 활성이 높은 (111) 면을 갖는 팔라듐/메조다공성 알루미나 촉매를 제조하기 위하여 단일 단계의 고상법을 채택할 경우, 보다 간편할 뿐만 아니라, 비용 절감 면에서도 유리하다. As described above, according to the present embodiment, it is suitable for carrying out both hydrogenation/dehydrogenation reactions of the N-containing heterocyclic compound even with a single catalyst. Alternatively, the catalyst may be replaced with one of the two types of catalysts used in conventional hydrogen storage and release reactions. In particular, the hydrogenation/dehydrogenation catalyst used in this embodiment is an active metal that effectively acts on the dehydrogenation reaction for the liquid organic hydrogen carrier, and palladium having a (111) face is dispersed and supported on the mesoporous alumina support with a high degree of dispersion. have. Moreover, it has a high specific surface area compared to the palladium/alumina catalyst prepared by a conventional impregnation method (a support preparation step and a support step two-step production process), and even mesoporous alumina is used as a support instead of gamma-alumina. It can form a larger specific surface area than the catalyst prepared by the precipitation method. Therefore, compared to the existing catalyst, hydrogenation/dehydrogenation reaction efficiency is good, and long-term reaction stability is excellent. In addition, in the case of adopting a single-step solid-phase method to prepare a palladium/mesoporous alumina catalyst having a high (111) side of hydrogenation/dehydrogenation activity, it is more convenient and advantageous in terms of cost reduction.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.The present invention may be more clearly understood by the following examples, and the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the invention.

실시예Example

실시예 및 비교예에 있어서, 제조된 촉매는 하기와 같은 분석 방법에 따라 수행되었다.In Examples and Comparative Examples, the prepared catalyst was performed according to the following analysis method.

- 비표면적, 포어 체적 및 포어 크기 분석-Analysis of specific surface area, pore volume and pore size

지지체의 비표면적 및 포어 크기 분석(BET, Micromeritics 3Flex)을 위하여 100 mg의 시료를 200 ℃ 및 2 시간 동안 진공 상태에서 전처리를 한 후, 액체 질소를 주입하여 77 K 상태에서 흡착 및 탈착을 통하여 분석하였다. For analysis of the specific surface area and pore size of the support (BET, Micromeritics 3Flex), a 100 mg sample was pretreated at 200°C and vacuum for 2 hours, and then liquid nitrogen was injected and analyzed by adsorption and desorption at 77 K. I did.

- 금속 분산도 측정 (CO­chemisorption)-Measurement of metal dispersion (COchemisorption)

분산도 측정을 위해 CO­chemisorption BELCAT­B instrument (BEL Japan, Inc.)을 통해 확인하였다. 구체적으로, 시료 70 mg을 넣고 전처리 과정으로 고순도 H2 가스를 30 sccm으로 주입하여, 350 ℃(승온 속도 5 ℃/min)에서 3 시간 동안 in-situ로 환원을 진행한 다음, He 운반 기체를 흘려주면서 35 ℃까지 온도를 낮춘 후, 350 ℃로 높이고 10% CO 분압을 증가시키면서 흡착시켰다. 이를 다시 물리적으로 탈착시킴으로써 금속에 흡착된 CO 량을 통하여 금속의 분산도를 측정하였다.To measure the degree of dispersion, it was confirmed through the COchemisorption BELCATB instrument (BEL Japan, Inc.). Specifically, 70 mg of a sample was added and high purity H 2 gas was injected at 30 sccm as a pretreatment process, and reduction was performed in-situ for 3 hours at 350° C. (heating rate 5° C./min), and then the He carrier gas was The temperature was lowered to 35° C. while flowing, and then increased to 350° C. and adsorbed while increasing the partial pressure of 10% CO. By physically desorbing this again, the degree of dispersion of the metal was measured through the amount of CO adsorbed on the metal.

- 투과전자현미경(TEM, HAADF­STEM) 분석-Transmission electron microscope (TEM, HAADFSTEM) analysis

투과전자현미경(TEM, HAADF­STEM, JEOL, TEM2100F)을 이용하여 Cu 그리드 시편 상에 메탄올에 분산시킨 시료를 떨어뜨린 후, 60 ℃의 진공 오븐에서 20 시간 이상 건조하였으며, 지지체에 담지된 금속입자 크기를 측정하였다.After dropping a sample dispersed in methanol on a Cu grid specimen using a transmission electron microscope (TEM, HAADFSTEM, JEOL, TEM2100F), it was dried in a vacuum oven at 60° C. for 20 hours or more, and the size of metal particles supported on the support was measured. It was measured.

- Pd 금속 입자 결정상태 분석 (CO­DRIFT)-Pd metal particle crystal state analysis (CODRIFT)

CO-DRIFT(chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) 스펙트럼 분석은 Nicolet 6700 FT-IR(Harrick Praying Mantis high temperature reaction chamber 장착)을 사용하였으며, 측정에 앞서 시료 30 mg을 350 ℃에서 3 시간 동안 5% H2/Ar (100 cm3 min-1) 분위기에서 환원을 수행하였다. 환원 후, 50 ℃까지 온도를 낮춘 다음, Ar 가스로 교환하여 시료 표면에 물리 흡착된 물질을 제거하였다. 5% CO/Ar(50 cm3 min-1)를 흘려 30 min 동안 시료에 노출시킨 다음, 30 min 동안 갑압(evacuation)하는 과정을 통하여 흡착된 CO를 탈착시킴으로써 IR 분석을 진행하였다.For the analysis of the CO-DRIFT (chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) spectrum, the Nicolet 6700 FT-IR (Harrick Praying Mantis high temperature reaction chamber) was used, and 30 mg of the sample was added to 5% H 2 at 350 °C for 3 hours before the measurement. /Ar (100 cm 3 min -1 ) The reduction was performed in an atmosphere. After reduction, the temperature was lowered to 50° C., and then exchanged with Ar gas to remove the substance physically adsorbed on the sample surface. IR analysis was performed by flowing 5% CO/Ar (50 cm 3 min -1 ) and exposing the sample for 30 min, and then desorbing the adsorbed CO through evacuation for 30 min.

실시예 1Example 1

본 실시예에 따른 촉매 제조 방법은 도 1에 나타낸 바와 같다.The method for preparing the catalyst according to this embodiment is as shown in FIG. 1.

상기 도면을 참조하면, 먼저 Al 전구체 (Al(NO3)3·9H2O) 22.291g, 암모늄 바이카보네이트 (NH4HCO3) 14.235g, 그리고 Pd 금속 전구체 ((Pd(NO3)2·6H2O) 0.0784g을 용매 없이 막자 사발에 한번에 투입하고 물리적으로 혼합시켰다. 이후, 물리적 혼합물을 20분 동안 계속 저어줌으로써 마찰 열을 가하였는 바, 이때 총 3회 고체 상태의 전구체들이 혼합됨에 따라 많은 량의 CO2를 발생시키면서 겔을 형성하였다. 구체적으로, 혼합 후 10분이 경과하면 겔 형태에서 다시 고형화가 진행하면서 경화되었고, 6분 후 다시 겔을 형성하여 연화되었다. Referring to the drawing, first Al precursor (Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O) 22.291g, ammonium bicarbonate (NH 4 HCO 3 ) 14.235g, and Pd metal precursor ((Pd(NO 3 ) 2 ·6H 2 O) 0.0784 g was added to a mortar without a solvent at a time and mixed physically. After that, frictional heat was applied by continuously stirring the physical mixture for 20 minutes. A gel was formed while generating an amount of CO 2. Specifically, after 10 minutes of mixing, the gel was solidified and cured again in the form of a gel, and after 6 minutes, a gel was formed and softened.

그 다음, 20분 동안 혼합시킨 겔 고형물을 도가니에 넣고, 600 ℃의 열 처리 온도 조건 하에서 5시간 동안 하소시켰다(승온 속도: 2 ℃/min). 하소 후, 수소를 이용한 환원 처리를 수행하였으며(350 ℃, 5 ℃/min, 3 시간), 환원 처리된 촉매에 대하여 반응 활성을 대비하였다(실시예에 따라 제조된 팔라듐/메조다공성 알루미나 촉매는 M1PdA로 표시하며 하소 온도를 병기함). 이때, 담지 금속 및 지지체의 특성을 기준으로 촉매 활성을 대비하기 위하여 모든 촉매 내 팔라듐의 함량을 1 중량%로 고정하였다. Then, the gel solid mixed for 20 minutes was put in a crucible, and calcined for 5 hours under a heat treatment temperature condition of 600° C. (heating rate: 2° C./min). After calcination, a reduction treatment using hydrogen was performed (350° C., 5° C./min, 3 hours), and the reaction activity was prepared for the reduction-treated catalyst (the palladium/mesoporous alumina catalyst prepared according to the example was M1PdA. And calcination temperature together). At this time, the content of palladium in all catalysts was fixed at 1% by weight in order to prepare catalyst activity based on the characteristics of the supported metal and the support.

비교예Comparative example

- 함침법에 의한 팔라듐/감마-알루미나 촉매의 제조-Preparation of palladium/gamma-alumina catalyst by impregnation method

상용 γ-Al2O3를 지지체로 한 팔라듐 담지 촉매를 제조하였다. 구체적으로, γ-Al2O3(gA)한 (gA)를 2g에 1 중량% Pd 금속 전구체 용액(Pd(NO3)2·6H2O 75 mg, 및 증류수 1.3 ml를 균일하게 혼합함)을 함침법을 통하여 물리적으로 담지하고 100 oC 오븐에서 건조시킨 후에 도가니에 투입하고 5시간 동안 하소시켰다(600 ℃, 2 ℃/min). 이후, 수소 환원 처리(350 oC, 3 시간, 승온 속도 5 oC/min)를 수행하였고, 최종적으로 1Pd/gA 촉매를 수득하였으며, 하소 온도를 병기하였다. 이때, 담지 금속 및 지지체의 특성을 기준으로 촉매 활성을 대비하기 위하여 모든 촉매 내 팔라듐의 함량을 1 중량%로 고정하였다. A palladium-supported catalyst using a commercial γ-Al 2 O 3 as a support was prepared. Specifically, γ-Al 2 O 3 (gA) 1% by weight Pd metal precursor solution to 2 g (gA) (Pd (NO 3 ) 2 · 6H 2 O 75 mg, and 1.3 ml of distilled water are uniformly mixed) Was physically supported through an impregnation method , dried in a 100° C. oven, put into a crucible, and calcined for 5 hours (600° C., 2° C./min). Thereafter, hydrogen reduction treatment (350 o C, 3 hours, temperature increase rate 5 o C/min) was performed, and finally 1Pd/gA catalyst was obtained, and the calcination temperature was also included. At this time, the content of palladium in all catalysts was fixed at 1% by weight in order to prepare catalyst activity based on the characteristics of the supported metal and the support.

- 함침법에 의한 팔라듐/메조다공성-알루미나 촉매의 제조-Preparation of palladium/mesoporous-alumina catalyst by impregnation method

먼저 하기의 방법으로 합성한 메조다공성 Al2O3 (MA)를 사용하였다: First, the mesoporous Al 2 O 3 (MA) synthesized by the following method was used:

몰타르 내에서 Al(NO3)3·9H2O 및 NH4HCO3를 1 : 3의 몰 비로 혼합하여 상온에서 막자 사발로 완전히 분쇄하였으며, 분쇄 과정을 20 분 동안 유지하였다. 수득된 전구체를 600℃에서 5 시간 동안 직접 하소하여(승온 속도: 2 ℃/min) Al2O3 (mA)를 수득하였다.In mortar, Al(NO 3 ) 3 ·9H 2 O and NH 4 HCO 3 were mixed at a molar ratio of 1: 3 and completely pulverized with a mortar at room temperature, and the pulverization process was maintained for 20 minutes. The obtained precursor was directly calcined at 600° C. for 5 hours (heating rate: 2° C./min ) to obtain Al 2 O 3 (mA).

상기 방법으로 합성한 메조다공성 Al2O3 (MA) 2g에 1 중량% Pd 금속 전구체 용액(Pd(NO3)2·6H2O 75 mg 및 증류수 1.3 ml를 균일하게 혼합)을 함침법을 통하여 물리적으로 담지하고, 100 oC 오븐에서 건조시킨 후에 도가니에 넣고 5시간 동안 하소시켰다(600 ℃, 2 ℃/min). 이후, 수소 환원 처리(350 oC, 3 시간, 승온 속도 5 oC/min)를 수행하였고, 최종적으로 1Pd/MA 촉매를 수득하였으며, 하소 온도를 병기하였다. 이때, 담지 금속 및 지지체의 특성을 기준으로 촉매 활성을 대비하기 위하여 모든 촉매 내 팔라듐의 함량을 1 중량%로 고정하였다. A 1 wt% Pd metal precursor solution ( 75 mg of Pd(NO 3 ) 2 ·6H 2 O and 1.3 ml of distilled water is uniformly mixed) in 2 g of mesoporous Al 2 O 3 (MA) synthesized by the above method through an impregnation method. Physically supported , dried in a 100 ° C oven, put in a crucible and calcined for 5 hours (600 °C, 2 °C/min). Thereafter, hydrogen reduction treatment (350 o C, 3 hours, temperature increase rate 5 o C/min) was performed, and finally 1Pd/MA catalyst was obtained, and the calcination temperature was also included. At this time, the content of palladium in all catalysts was fixed at 1% by weight in order to prepare catalyst activity based on the characteristics of the supported metal and the support.

촉매 분석Catalyst analysis

하소 및 환원을 거친 촉매(Pd 함량: 1 중량%) 및 지지체 각각의 성상을 하기 표 1 및 도 2에 나타내었다.The properties of each of the catalyst (Pd content: 1% by weight) and the support subjected to calcination and reduction are shown in Tables 1 and 2 below.

촉매(지지체)Catalyst (support) 비표면적 (m2/g)Specific surface area (m 2 /g) 포어체적 (㎤/g)Pore volume (cm 3 /g) 포어 크기 (nm)Pore size (nm) Pd 분산도 (%)Pd dispersion degree (%) Pd 입자 사이즈 (nm)Pd particle size (nm) gAl2O3 gAl 2 O 3 271271 0.590.59 6.46.4 -- -- 1Pd/gA 600 5h1Pd/gA 600 5h 264.0264.0 0.590.59 6.56.5 25.125.1 4.44.4 1Pd/MA 600 5h1Pd/MA 600 5h 316.0316.0 0.430.43 4.14.1 34.034.0 3.33.3 MA 600 5hMA 600 5h 420.0420.0 0.570.57 4.14.1 -- -- M1PdA 600 5hM1PdA 600 5h 359.0359.0 0.490.49 4.14.1 42.442.4 2.62.6

- 포어체적은 BET 등온 곡선의 탈착 브랜치(desorption branch)로부터 계산됨-The pore volume is calculated from the desorption branch of the BET isothermal curve.

- Pd 입자 사이즈는 CO 펄스 화학흡착 실험으로부터 측정됨-Pd particle size was measured from CO pulsed chemisorption experiment

상기 표에 따르면, 실시예(고상법)에 따라 제조된 촉매(지지체)의 비표면적은 420 m2/g으로서 상용 감마­알루미나(271 m2/g)에 비하여 비표면적은 약 150 m2/g 정도 증가하였고, 이에 따른 포어 체적 및 포어 크기 역시 변화하였다. 또한, 비교예에 따라 제조된 촉매(1Pd/gA 600 5h 및 1Pd/MA 600 5h)에 비하여 실시예에 따라 제조된 촉매(M1PdA 600 5h)의 지지체 비표면적 값(359 m2/g)이 현저히 증가하였음을 알 수 있다.According to the above table, the specific surface area of the catalyst (support) prepared according to the Example (solid phase method) is 420 m 2 /g, which is about 150 m 2 /g compared to commercial gamma alumina (271 m 2 /g). The degree increased, and accordingly, the pore volume and pore size also changed. In addition, compared to the catalyst prepared according to the comparative example (1Pd/gA 600 5h and 1Pd/MA 600 5h), the support specific surface area value (359 m 2 /g) of the catalyst prepared according to the example (M1PdA 600 5h) was significantly It can be seen that it has increased.

또한, 비교예(1Pd/gA 600 5h 및 1Pd/MA 600 5h) 및 실시예(M1PdA 600 5h) 각각에 따른 촉매 내 Pd 분산도를 대비하면, 알루미나의 비표면적에 따라 Pd의 분산도가 차이가 있음을 확인할 수 있었다(Pd 함량: 1 중량%). 구체적으로, Pd/gA 600 5h의 경우, Pd 분산도는 25.1%이고, Pd 입자 사이즈는 4.4 nm이었다. Pd/MA 600 5h의 경우에는 비표면적인 큰 다공성 알루미나에 함침시켜 제조하였기 때문에 분산도는 34%로 증가된 값을 나타낸 반면, Pd 입자 사이즈는 3.3 nm로서 감마-알루미나에 담지한 경우에 비하여 작은 수준이었다. In addition, when comparing the degree of dispersion of Pd in the catalyst according to the comparative examples (1Pd/gA 600 5h and 1Pd/MA 600 5h) and the examples (M1PdA 600 5h), the dispersion degree of Pd differs according to the specific surface area of alumina. It was confirmed that there is (Pd content: 1% by weight). Specifically, in the case of Pd/gA 600 5h, the Pd dispersion degree was 25.1%, and the Pd particle size was 4.4 nm. In the case of Pd/MA 600 5h, since it was impregnated with porous alumina with a large specific surface area, the dispersion degree increased to 34%, whereas the Pd particle size was 3.3 nm, which was smaller than that of gamma-alumina. It was the level.

반면, 실시예에 따른 촉매인 MPdA 600 5h의 Pd 입자 사이즈는 2.6 nm로서 비교예에 따른 촉매에 비하여 현저히 작은 사이즈의 Pd 입자가 담지되었고, 이에 따라 Pd 분산도 역시 42.4%로서 가장 높았다.On the other hand, the Pd particle size of MPdA 600 5h, the catalyst according to the Example, was 2.6 nm, and Pd particles having a significantly smaller size than the catalyst according to the Comparative Example were supported, and accordingly, the Pd dispersion was also the highest at 42.4%.

도 2를 참조하면, 하소된 촉매 및 지지체 각각에 대하여 N2 물리 흡착 테스트를 수행하여 포어 크기 및 체적을 측정함으로써 비표면적을 분석하였다. 도 2a 및 도 2b에 나타난 바와 같이, 하소된 촉매인 MPdOA는 잉크 병(ink-bottle) 또는 채널 형 세공 연결성을 갖는 전형적인 메조다공성(포어 크기 4.1 nm)을 나타내는 H2 및 H3 히스테리시스 루프의 복합체를 갖는 타입 IV 등온선을 나타내었다. MPdOA 및 PdO/MA의 BET 비표면적 및 포어 체적은 MA에 비하여 낮은 수준이었는 바, 이는 PdO 입자(PdO (101) 및 (112) 면의 표준 반사(JCPDS #43-1024)에 의하여 확인됨)의 존재로부터 기인한 것으로 볼 수 있다. MPdOA는 PdO/MA에 비하여 높은 다공성을 나타내었는 바, 이는 실시예에서 채택된 1 단계 방식에 의하여 균일한 고용체가 형성되었기 때문으로 판단된다. 반면, 1Pd/gA 촉매는 알루미나 내 높은 감마 상의 결정성 때문에 다른 촉매, MPdOA 및 PdO/MA와 대비하면, 낮은 비표면적 및 포어 체적, 그리고 높은 포어 사이즈를 나타내었다.Referring to FIG. 2, a specific surface area was analyzed by measuring pore size and volume by performing an N 2 physical adsorption test on each of the calcined catalyst and the support. 2A and 2B, the calcined catalyst MPdOA has a complex of H2 and H3 hysteresis loops showing typical mesoporous (pore size 4.1 nm) with ink-bottle or channel-like pore connectivity. Type IV isotherms are shown. The BET specific surface area and pore volume of MPdOA and PdO/MA were at a lower level compared to MA, which was found by the standard reflection of PdO (101) and (112) planes (confirmed by JCPDS #43-1024). It can be seen as a result of existence. MPdOA showed higher porosity compared to PdO/MA, which is believed to be due to the formation of a uniform solid solution by the one-step method adopted in Examples. On the other hand, the 1Pd/gA catalyst exhibited a low specific surface area and pore volume, and a high pore size compared to other catalysts, MPdOA and PdO/MA, because of the high crystallinity of the gamma phase in alumina.

하소 온도에 따른 촉매 성상 분석Analysis of catalyst properties according to calcination temperature

실시예에서 하소(열 처리) 온도를 400 ℃, 500 ℃ 및 700 ℃로 변화시킨 것을 제외하고는 동일한 절차를 거쳐 촉매를 제조하였으며, 이때 분석된 촉매 내 지지체의 변화를 600℃에서 열 처리한 결과와 함께 하기 표 2에 나타내었다.The catalyst was prepared through the same procedure except that the calcination (heat treatment) temperature was changed to 400°C, 500°C, and 700°C in the Examples, and the change of the support in the analyzed catalyst was heat-treated at 600°C. Together with it is shown in Table 2 below.

촉매catalyst 비표면적 (m2/g)Specific surface area (m 2 /g) 포어체적 (㎤/g)Pore volume (cm 3 /g) 포어 크기 (nm)Pore size (nm) M1PdA 400 5hM1PdA 400 5h 532.0532.0 0.590.59 3.53.5 M1PdA 500 5hM1PdA 500 5h 418.0418.0 0.550.55 3.93.9 M1PdA 600 5hM1PdA 600 5h 359.0359.0 0.490.49 4.14.1 M1PdA 700 5hM1PdA 700 5h 282.0282.0 0.490.49 5.25.2

상기 표에 따르면, 촉매의 비표면적은 하소 온도에 따라 변화하였는 바, 4개의 촉매(M1PdA 400 5h, M1PdA 500 5h, M1PdA 600 5h 및 M1PdA 700 5h) 중 400 ℃에서 소성한 촉매의 비표면적이 가장 높은 것으로 측정되었다. 이와 관련하여, 촉매 내 알루미나 지지체는 가급적 넓은 비표면적을 이용하여 고가의 활성 금속인 팔라듐을 넓게 분산시키는 기능을 담당함으로써 팔라듐만으로는 얻기 어려운 열적, 기계적 안정성 등의 물리적 성상을 개선할 수 있다. 하소 처리 과정 중 하소 온도가 증가함에 따라 비표면적은 약 532 m2/g로부터 282 m2/g으로 감소하였다. 그러나, 촉매 제조 시 알루미늄 전구체, 팔라듐 전구체, 및 염기 성분(암모늄 바이카보네이트)을 혼합하는 과정에서 CO2 및 NO2가 발생하게 되는 바, 이외에 잔존하는 암모늄 니트레이트는 400 ℃보다 높은 하소 온도에서 완전히 제거될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 최적의 하소 온도는 대략 500 내지 600 ℃인 것으로 판단되었다. According to the above table, the specific surface area of the catalyst changed according to the calcination temperature, and among the four catalysts (M1PdA 400 5h, M1PdA 500 5h, M1PdA 600 5h and M1PdA 700 5h), the specific surface area of the catalyst calcined at 400 °C was the most. It was measured as high. In this regard, the alumina support in the catalyst has a function of dispersing palladium, which is an expensive active metal, widely using as wide a specific surface area as possible, thereby improving physical properties such as thermal and mechanical stability that are difficult to obtain with palladium alone. During the calcination process, as the calcination temperature increased, the specific surface area decreased from about 532 m 2 /g to 282 m 2 /g. However, in the process of mixing the aluminum precursor, the palladium precursor, and the base component (ammonium bicarbonate) during the catalyst production, CO 2 and NO 2 are generated. In addition, the remaining ammonium nitrate is completely Can be removed. Therefore, in this embodiment, it was determined that the optimum calcination temperature is approximately 500 to 600°C.

하소 시간에 따른 촉매 성상 분석Analysis of catalyst properties according to calcination time

동일한 온도 (600 ℃) 및 승온 속도(2 ℃/min) 조건 하에서 하소 시간에 따른 촉매의 성상을 대비하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The results are shown in Table 3 below by comparing the properties of the catalyst according to the calcination time under the same temperature (600° C.) and temperature increase rate (2° C./min) conditions.

촉매catalyst 비표면적 (m2/g)Specific surface area (m 2 /g) 포어 체적 (㎤/g)Pore volume (cm 3 /g) 포어 크기 (nm)Pore size (nm) M1PdA 600 3hM1PdA 600 3h 352.0352.0 0.500.50 4.34.3 M1PdA 600 5hM1PdA 600 5h 359.0359.0 0.490.49 4.14.1 M1PdA 600 1hM1PdA 600 1h 433.0433.0 0.530.53 3.73.7

상기 표에 따르면, 1 시간의 하소 시간에 비하여 3 시간의 하소 시간에서 촉매 내 지지체 비표면적이 감소하였는 바, 이는 포어 크기가 3.7 nm에서 4.3 nm으로 증가하여 포어 체적이 감소한 영향으로 볼 수 있다. 다만, 촉매의 열적 안정성 측면에서는 하소 시간이 일정 수준 이상에서 장기 안정성을 확보할 수 있기 때문에 5 시간으로 조절하는 것이 최적인 것으로 판단된다.According to the above table, the specific surface area of the support in the catalyst decreased in the calcination time of 3 hours compared to the calcination time of 1 hour, which can be seen as the effect of the pore volume decrease as the pore size increased from 3.7 nm to 4.3 nm. However, in terms of the thermal stability of the catalyst, since the calcination time can secure long-term stability at a certain level or more, it is judged that it is optimal to control it to 5 hours.

Pd 함량에 따른 촉매 성상 분석Analysis of catalyst properties according to Pd content

촉매 내 Pd 함량을 변화시킨 것을 제외하고는 실시예에서와 동일한 절차에 따라 촉매를 제조하였으며, 이의 결과를 하기 표 4에 나타내었다.A catalyst was prepared according to the same procedure as in Examples, except that the Pd content in the catalyst was changed, and the results are shown in Table 4 below.

촉매catalyst 비표면적 (m2/g)Specific surface area (m 2 /g) 포어체적 (㎤/g)Pore volume (cm 3 /g) 포어크기 (nm)Pore size (nm) M1PdA 600 1hM1PdA 600 1h 433.0433.0 0.530.53 3.73.7 M0.5PdA 600 1hM0.5PdA 600 1h 459.0459.0 0.570.57 3.83.8 M3PdA 600 1hM3PdA 600 1h 427.0427.0 0.500.50 3.63.6 M5PdA 600 1hM5PdA 600 1h 416.0416.0 0.480.48 3.53.5

상기 표에 따르면, 팔라듐의 함량이 높을수록 비표면적(459 ㎡/g에서 416 ㎡/g), 포어 체적(0.57 ㎤/g에서 0.48 ㎤/g), 그리고 포어 크기(3.8 nm에서 3.5 nm)모두 감소하는 것으로 확인되었다.According to the above table, as the content of palladium increases, the specific surface area (from 459 m2/g to 416 m2/g), pore volume (from 0.57 cm3/g to 0.48 cm3/g), and pore size (from 3.8 nm to 3.5 nm) It was found to decrease.

촉매의 Pd 분산도 및 입자 크기에 따른 탈수소화 반응 활성 평가Evaluation of dehydrogenation activity according to catalyst's Pd dispersion and particle size

실시예 및 비교예에 따라 제조된 촉매 각각에 대하여 하기의 절차에 따라 탈수소화 반응 활성을 측정하였다.For each of the catalysts prepared according to Examples and Comparative Examples, the dehydrogenation activity was measured according to the following procedure.

환원된 촉매를 대상으로 회분식 반응기(체적: 90 ㎤) 내에서 H12-MBP의 탈수소화 반응을 수행하였다. 본 실험에서는 반응기 용기의 바닥에 미리 로딩된 촉매에 H12-MBP 7.3 mmol을 적가하였는 바, 이때 촉매 중량을 변화시켜 원하는 금속-대-반응물(M/R) 비를 얻도록 하였다. 반응에 앞서, 반응기는 10 분 동안 퍼징시켜 내부 습기 및 산소를 제거하였다. 그 다음, 상용 열 매체유를 이용하여 반응 혼합물을 18℃/min의 승온 속도로 가열하여 원하는 온도로 가열하였다. 반응 중 방출된 수소 체적은 글라스 뷰렛 내에서 이동된 물의 체적에 의하여 모니터링하였다. Dehydrogenation of H 12 -MBP was performed in a batch reactor (volume: 90 cm 3) for the reduced catalyst. In this experiment, 7.3 mmol of H 12 -MBP was added dropwise to the catalyst previously loaded on the bottom of the reactor vessel. At this time, the catalyst weight was changed to obtain a desired metal-to-reactant (M/R) ratio. Prior to the reaction, the reactor was purged for 10 minutes to remove internal moisture and oxygen. Then, the reaction mixture was heated to a desired temperature by heating the reaction mixture at a heating rate of 18°C/min using a commercial thermal medium oil. The volume of hydrogen released during the reaction was monitored by the volume of water transferred in the glass burette.

반응 완료 후, 반응기를 상온으로 냉각하였으며, 반응 혼합물을 아세톤(20 ㎤)으로 희석하고 시린지 필터(0.1 ㎛)를 통하여 여과하였다. 이러한 용액의 분액(aliquot)을 GC 보정 용매인 노난과 혼합한 다음, FID 검출기 및 HP-5 column (30 m × 0.32 mm × 0.25 μm)이 장착된 Youngling YL6500 gas chromatograph (GC)로 분석하였다. After completion of the reaction, the reactor was cooled to room temperature, and the reaction mixture was diluted with acetone (20 cm 3) and filtered through a syringe filter (0.1 μm). An aliquot of this solution was mixed with Nonane, a GC calibration solvent, and then analyzed by a Youngling YL6500 gas chromatograph (GC) equipped with an FID detector and an HP-5 column (30 m × 0.32 mm × 0.25 μm).

상기 분석 결과를 하기 표 5 및 6, 그리고 도 3 및 4에 나타내었다.The analysis results are shown in Tables 5 and 6 and FIGS. 3 and 4 below.

촉매catalyst Pd 분산도 (%)Pd dispersion degree (%) Pd 입자 사이즈 (nm)Pd particle size (nm) 반응 효율 (%)Reaction efficiency (%) 1Pd/gA 600 5h1Pd/gA 600 5h 25.125.1 4.44.4 48.748.7 1Pd/MA 600 5h1Pd/MA 600 5h 34.034.0 3.33.3 60.660.6 M1PdA 600 5hM1PdA 600 5h 42.442.4 2.62.6 70.170.1

반응물Reactant 반응물 명Reactant name 촉매명Catalyst name M/R (%)M/R (%) 온도 (℃)Temperature (℃) 반응 시간 (h)Reaction time (h) 반응 효율 (%)Reaction efficiency (%)

Figure 112019034550360-pat00007
Figure 112019034550360-pat00007
H10-quinolinH 10 -quinolin M1PdA_600 5hM1PdA_600 5h 0.10.1 250250 44 62.962.9 1Pd/gA_600 5h1Pd/gA_600 5h 0.10.1 250250 44 47.847.8
Figure 112019034550360-pat00008
Figure 112019034550360-pat00008
H12-MBPH 12 -MBP M1PdA_600 5hM1PdA_600 5h 0.10.1 250250 44 70.170.1
1Pd/gA_600 5h1Pd/gA_600 5h 0.10.1 250250 44 49.849.8
Figure 112019034550360-pat00009
Figure 112019034550360-pat00009
H10-MNLHH 10 -MNLH M1PdA_600 5hM1PdA_600 5h 0.10.1 250250 44 75.475.4
1Pd/gA_600 5h1Pd/gA_600 5h 0.10.1 250250 44 60.260.2
Figure 112019034550360-pat00010
Figure 112019034550360-pat00010
H12-NECH 12 -NEC M1PdA_600 5hM1PdA_600 5h 0.10.1 250250 44 58.858.8
1Pd/gA_600 5h1Pd/gA_600 5h 0.10.1 250250 44 40.240.2
Figure 112019034550360-pat00011
Figure 112019034550360-pat00011
H8-indole1 H 8 -indole 1 M1PdA_600 5hM1PdA_600 5h 0.10.1 180180 44 30.530.5
1Pd/gA_600 5h1Pd/gA_600 5h 0.10.1 180180 44 20.020.0
Figure 112019034550360-pat00012
Figure 112019034550360-pat00012
H8-MIDH 8 -MID M1PdA_600 5hM1PdA_600 5h 0.60.6 250250 44 99.899.8
1Pd/gA_600 5h1Pd/gA_600 5h 0.60.6 250250 44 68.668.6

1: H8-indole(octahydroindole)을 반응물로 사용한 경우에는 비점이 222.7℃이므로 테스트는 180℃에서 수행됨. 1 : When H 8 -indole (octahydroindole) is used as a reactant, the boiling point is 222.7°C, so the test is performed at 180°C.

상기 표에 따르면, 전술한 바와 같이 Pd 입자 사이즈(크기) 및 분산도 차이로 인하여 탈수소화 반응 효율 또한 차이를 나타내었는 바, MPdA 600 5h에서는 70.1%, Pd/MA 600 5h에서는 60.6%, 그리고 Pd/gA 600 5h에서는 48.7%의 반응 효율을 나타내는 점은 주목할 만하다. According to the above table, as described above, the dehydrogenation reaction efficiency was also different due to the difference in the Pd particle size (size) and the dispersion degree, as described above, 70.1% in MPdA 600 5h, 60.6% in Pd/MA 600 5h, and Pd It is noteworthy that at /gA 600 5h, the reaction efficiency was 48.7%.

이와 관련하여, H12-MBP의 탈수소화 반응 시 MPdA 촉매를 사용할 경우, 온도를 270℃(0.1 mol% M/R)로 증가시키거나, 또는 보다 많은 촉매를 사용할 경우(예를 들면, 0.4 mol% M/R; 250 ℃), 90%를 초과하는 탈수소화 효율을 보임을 확인할 수 있다(도 3 참조). 참고적으로, N-함유 헤테로고리 화합물의 탈수소화 엔탈피는 대응되는 동종고리(homocyclic) 화합물에 비하여 낮은 수준인 바, 예를 들면 H12-MBP는 67.3 kJ/molH2, H12-NEC는 55 kJ/molH2, octahydroindole은 57.5 kJ/molH2, decahydroquinoline은 61.9 kJ/molH2, 그리고 perhydro 2-methyl-6-(n-methylbenzyl)pyridine은 66.7 kJ/molH2이다. In this regard, when the MPdA catalyst is used in the dehydrogenation reaction of H 12 -MBP, the temperature is increased to 270°C (0.1 mol% M/R), or when more catalyst is used (for example, 0.4 mol % M/R; 250° C.), it can be seen that the dehydrogenation efficiency exceeds 90% (see FIG. 3). For reference, the enthalpy of dehydrogenation of the N-containing heterocyclic compound is lower than that of the corresponding homocyclic compound, for example, H 12 -MBP is 67.3 kJ/mol H2 , H 12 -NEC is 55 kJ/mol H2 , octahydroindole is 57.5 kJ/mol H2 , decahydroquinoline is 61.9 kJ/mol H2 , and perhydro 2-methyl-6-(n-methylbenzyl)pyridine is 66.7 kJ/mol H2 .

또한, H12-MBP의 탈수소화 반응에 있어서 MPdA 600 5h, Pd/MA 600 5h 및 Pd/gA 600 5h 각각이 갖는 고유 활성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다(250℃, 0.1 mol% M/R, 4 시간). In addition, in the dehydrogenation reaction of H 12 -MBP, the intrinsic activity of each of MPdA 600 5h, Pd/MA 600 5h and Pd/gA 600 5h was measured, and the results are shown in Table 7 below (250°C, 0.1 mol% M/R, 4 hours).

촉매catalyst 1차 속도 상수
(min-1 gcat -1)
First order rate constant
(min -1 g cat -1 )
TOF(min-1)TOF(min -1 ) TONTON
MPdAMPdA 0.0310.031 98.998.9 2374523745 Pd/MAPd/MA 0.0200.020 78.878.8 1890418904 Pd/gAPd/gA 0.0140.014 75.075.0 1800718007

상기 표에 따르면, MPdA 촉매는 Pd/MA 촉매 및 Pd/gA 촉매에 비하여 높은 1차 속도 상수 및 TOF를 나타냄을 알 수 있다. According to the above table, it can be seen that the MPdA catalyst exhibits a higher first order rate constant and TOF than the Pd/MA catalyst and the Pd/gA catalyst.

한편, 250 ℃ 및 0.4 mol% M/R 조건 하에서 상이한 시간(0.5 시간, 1 시간 및 4 시간)에 걸쳐 활성 테스트를 수행하여 가스 크로마토그래피 분석을 수행한 결과를 도 4에 나타내었다(좌측: MPdA, 우측: Pd/gA). On the other hand, the activity test was performed over different times (0.5 hours, 1 hour and 4 hours) under conditions of 250° C. and 0.4 mol% M/R, and the results of gas chromatography analysis are shown in FIG. 4 (left: MPdA , Right: Pd/gA).

상기 도면을 참조하면, 0.5 시간에 걸쳐 MPdA 촉매 상에서 수행된 생성물 혼합물의 가스 크로마토그램에 있어서 미전환된 H12-MBP의 GC 피크와 함께 H0-MBP에 대응하는 GC 피크가 검출되었는 바, 41.9%의 H12-MBP 및 96.8%의 H0-MBP 선택도를 얻을 수 있었다. MPdA 촉매의 존재 하에서 반응이 4 시간까지 진행됨에 따라 H12-MBP 전환율은 94% 수준까지 증가하였으며, H0-MBP의 선택도는 97% 근처로 유지되었다. 반면, 중간 생성물인 H6-MBP의 GC 피크는 Pd/gA 촉매에서 수득된 모든 생성물 혼합물에서 관찰되었다. 반응이 4 시간까지 진행됨에 따라 H12-MBP의 전환율은 30.9%에서 83.2%로 증가하였고, H0-MBP에 대한 선택도는 36.7%에서 64.9%로 증가하였다. 생성물의 GC 크로마토그래피 분석 결과에 의하면, 비교예에 상당한 촉매를 사용할 경우, 반응 후 목적 생성물에 비하여 중간 생성물이 더 많이 존재하는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 H12-MBP의 탈수소화 반응에 있어서 MPdA 촉매가 양호한 선택도를 나타냄을 시사한다. Referring to the figure, in the gas chromatogram of the product mixture carried out over an MPdA catalyst over 0.5 hours, a GC peak corresponding to H 0 -MBP along with the GC peak of unconverted H 12 -MBP was detected, 41.9 % H 12 -MBP and 96.8% H 0 -MBP selectivity were obtained. In the presence of the MPdA catalyst, as the reaction proceeded for up to 4 hours, the H 12 -MBP conversion rate increased to a level of 94%, and the selectivity of H 0 -MBP was maintained around 97%. On the other hand, the GC peak of the intermediate product H 6 -MBP was observed in all product mixtures obtained from the Pd/gA catalyst. As the reaction proceeded up to 4 hours, the conversion rate of H 12 -MBP increased from 30.9% to 83.2%, and the selectivity for H 0 -MBP increased from 36.7% to 64.9%. According to the results of GC chromatography analysis of the product, it was confirmed that when a considerable catalyst was used in the comparative example, more intermediate products were present than the desired product after the reaction. These results suggest that the MPdA catalyst exhibits good selectivity in the dehydrogenation reaction of H 12 -MBP.

이처럼, 상술한 활성 차이는 알루미나 지지체에 담지되는 Pd 입자의 결정 형태에 기인한 것이며, 또한 촉매 제조방법이 반응물의 전환율 및 생성물의 선택도에 중대한 영향을 미쳐, 결과적으로 최종 수소 발생 효율(탈수소화 반응 활성)의 차이를 유발하는 것으로 판단된다. As such, the above-described difference in activity is due to the crystal form of the Pd particles supported on the alumina support, and the catalyst preparation method has a significant influence on the conversion rate of the reactant and the selectivity of the product, and as a result, the final hydrogen generation efficiency (dehydrogenation Reaction activity).

Pd 입자의 결정 형태에 따른 물성 변화 분석Analysis of changes in physical properties according to the crystal form of Pd particles

Pd 입자의 결정 형태가 탈수소화 반응에 미치는 영향을 CO 흡착을 통하여 평가하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.The effect of the crystal form of Pd particles on the dehydrogenation reaction was evaluated through CO adsorption, and the results are shown in FIG. 5.

상기 도면을 참조하면, MPdA 촉매의 CO-화학흡착 DRFT 스펙트럼은 Pd/MA 및 Pd/gA에서와 명확히 구별되는 스펙트럼 특징을 나타낸다. 구체적으로, 총 5개의 IR 대역이 스펙트럼 상에서 구분이 가능하며, CO 흡착 형태가 선형인 경우에는 2000 cm­1 이상에서 CO 흡착 피크(A1 및 A2)가 관찰되었다. 또한, Pd와 CO의 일대일 결합이 아닌, 복합 형태인 경우에는 2,000 cm­1 이하의 CO 흡착 밴드(B, C 및 D)가 관찰되었다. 후자의 영역에 있어서, MPdA는 Pd/gA 및 Pd/MA에 비하여 1918 cm­1 및 1860 cm­1에서 더 강한 밴드를 나타내었으며, 이러한 밴드는 각각 Pd (111) 면(facet)에서 Pd 입자의 단일 결합된(isolated-bridged) CO 흡착 및 3중 결합된(tri-coordinated) CO 흡착에 기인한다. Referring to the figure, the CO-chemisorbent DRFT spectrum of the MPdA catalyst exhibits spectral features that are clearly distinct from those in Pd/MA and Pd/gA. Specifically, a total of 5 IR bands can be distinguished on the spectrum, and when the CO adsorption form is linear, CO adsorption peaks (A 1 and A 2 ) were observed at 2000 cm 1 or more. In addition, in the case of a complex form rather than a one-to-one bond of Pd and CO, CO adsorption bands (B, C, and D) of 2,000 cm 1 or less were observed. In the latter region, MPdA exhibited stronger bands at 1918 cm 1 and 1860 cm 1 compared to Pd/gA and Pd/MA, and these bands each showed a single bond of Pd particles on the Pd (111) facet. This is due to the isolated-bridged CO adsorption and the tri-coordinated CO adsorption.

반면, Pd/gA 및 Pd/MA는 MPdA에서보다 1978 cm­1에서 더 강한 밴드를 나타내었는 바, 이는 (100) 또는 (110)과 같이 구조적으로 개방된 결정 면 상에 흡착된 다중 결합된(compressed-bridged) CO로부터 기인한 것으로 판단된다. 이와 관련하여, 긴밀하게-팩킹된 Pd 원자로 인하여 알루미나에 담지된 Pd 나노입자의 열역학적으로 안정한 Pd(111) 면에서 탈수소화 반응이 주로 진행된다는 점은 주목할 만하다. On the other hand, Pd/gA and Pd/MA showed a stronger band at 1978 cm 1 than in MPdA, which is a multiple bond adsorbed on a structurally open crystal plane such as (100) or (110). -bridged) It is believed to be caused by CO. In this regard, it is noteworthy that the dehydrogenation reaction mainly proceeds on the thermodynamically stable Pd(111) surface of the Pd nanoparticles supported on alumina due to the tightly-packed Pd atoms.

또한, MPdA는 2064 cm­1(A2)에서 최대 피크를 나타낸 반면, Pd/MA 및 Pd/gA는 이와 대조적으로 2086 cm­1(A1)에서 선형으로 결합된 CO를 나타내는 밴드를 관찰할 수 있다. 이는 MPdA의 경우, 반응물에 우선적으로 노출되는 (111) 면이 높은 밀도로 잘 분산되어 있음을 의미한다.In addition, MPdA showed a maximum peak at 2064 cm 1 (A 2 ), whereas Pd/MA and Pd/gA showed a band indicating linearly bound CO at 2086 cm 1 (A 1) in contrast. . This means that in the case of MPdA, the (111) plane, which is preferentially exposed to the reactant, is well dispersed at a high density.

한편, (111) 면과 탈수소화 활성 사이의 상호 관계를 규명하기 위하여 CO-DRIFT에서 각각 흡착된 CO 밴드를 기초로 하여 흡착 밴드의 상대적인 비를 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.Meanwhile, in order to clarify the correlation between the (111) plane and the dehydrogenation activity, the relative ratio of the adsorption bands was calculated based on the respective CO bands adsorbed in CO-DRIFT, and the results are shown in Table 8 below.

촉매catalyst 흡착 밴드 강도 (a.u.)Adsorption band strength (a.u.) (C+D)/B
(C+D)/B
ratio
B
(1978 cm-1)a
B
(1978 cm -1 ) a
C
(1918 cm-1)b
C
(1918 cm -1 ) b
D
(1860 cm-1)c
D
(1860 cm -1 ) c
M1PdA 600 5hM1PdA 600 5h 0.00390.0039 0.00920.0092 0.00560.0056 3.83.8 1Pd/gA 600 5h1Pd/gA 600 5h 0.01150.0115 0.00760.0076 0.00390.0039 1.01.0 1Pd/MA 600 5h1Pd/MA 600 5h 0.00410.0041 0.00580.0058 0.00390.0039 2.42.4

a: B(1978 cm-1)는 Pd (100) 면에 다중 결합된(compressed-bridged) CO 흡착 밴드 피크, a : B (1978 cm -1 ) is the compressed-bridged CO adsorption band peak on the Pd (100) plane,

b: C (1918 cm-1)는 Pd (111) 면에 단일 결합된(isolated-bridged) CO 흡착 밴드 피크, b : C (1918 cm -1 ) is a single-bridged CO adsorption band peak on the Pd (111) plane,

c: D (1860 cm-1)는 Pd (111) 면에 3중 결합된(tri-coordinated) CO 흡착 밴드 피크. c : D (1860 cm -1 ) is the peak of the CO adsorption band tri-coordinated to the Pd (111) plane.

상기 표에 나타낸 바와 같이, Pd/MA(2.4) 및 Pd/gA(1.0)에 비하여 MPdA(3.8)에서의 상대적 흡착 밴드 강도 비(즉, (C+D)/B)가 더 높게 나타났으며, 이는 MPdA에서 Pd (111) 면이 주로 존재하고 있음을 시사한다. As shown in the table above, the relative adsorption band intensity ratio (i.e., (C+D)/B) in MPdA (3.8) was higher than that of Pd/MA (2.4) and Pd/gA (1.0), and , This suggests that the Pd (111) plane is mainly present in MPdA.

또한, MPdA, Pd/MA 및 Pd/gA 촉매의 HRTEM 사진(도 6의 좌측)에 따르면, Pd 입자가 알루미나 층에 의하여 양호하게 보호된 상태에 있는 반면, Pd/MA 및 Pd/gA는 이러한 보호 상태가 결핍되어 있음을 알 수 있다.In addition, according to the HRTEM picture (left of Fig. 6) of the MPdA, Pd/MA and Pd/gA catalysts, the Pd particles are in a well protected state by the alumina layer, whereas Pd/MA and Pd/gA have such protection. It can be seen that the condition is lacking.

도 6의 SAED(selected area electron diffraction) 패턴(도 6의 우측)을 참조하면, Pd/MA 및 Pd/gA의 경우에는 Pd(111) 및 Pd(200)에 대응되는 2개의 회절 패턴이 나타나는 반면, 0.224 nm의 d-spacing을 보여주는 Pd(111)의 SAED 패턴의 경우에는 MPdA의 모든 위치 주위에서 캡쳐되어 있음을 알 수 있다. 이로부터 MPdA는 동일 영역에서 보다 많은 수의 Pd (111) 면을 갖고 있음을 알 수 있다. 이처럼, SAED 패턴 분석에 비추어 MPdA > Pd/MA > Pd/gA 순으로 Pd (111) 면이 존재하며, 이는 압서 수행된 CO-DRIFT 결과와 부합하였다.Referring to the SAED (selected area electron diffraction) pattern of FIG. 6 (right side of FIG. 6), two diffraction patterns corresponding to Pd(111) and Pd(200) appear in the case of Pd/MA and Pd/gA. In the case of the SAED pattern of Pd(111) showing d-spacing of 0.224 nm, it can be seen that it is captured around all positions of MPdA. From this, it can be seen that MPdA has a greater number of Pd (111) planes in the same region. As such, in the light of the SAED pattern analysis, Pd (111) planes exist in the order of MPdA> Pd/MA> Pd/gA, which is consistent with the CO-DRIFT results performed by pressure.

결국, MPdA 촉매에서 보다 높은 탈수소화능을 보이는 이유는 Pd/MA 및 Pd/gA에 비하여 많은 수의 Pd (111) 면이 존재하기 때문인 것으로 판단된다.As a result, it is believed that the reason why the MPdA catalyst exhibits higher dehydrogenation ability is because there are a large number of Pd (111) planes compared to Pd/MA and Pd/gA.

촉매의 장기 안정성 평가Long-term stability evaluation of catalyst

실시예 및 비교예 각각에 따른 촉매의 장기 안정성 평가로서 탈수소화 반응 테스트를 수행하였으며, 그 결과를 도 7 내지 도 10에 나타내었다.As a long-term stability evaluation of the catalyst according to each of the Examples and Comparative Examples, a dehydrogenation test was performed, and the results are shown in FIGS. 7 to 10.

도 7에 나타낸 바와 같이, 촉매 내 Pd의 입자 사이즈는 HAADF-STEM(high angle annular dark field scanning transmission electron microscopy) 사진에 의하여 측정하였고(도 7a 및 도 7b 각각은 신규 촉매(350 ℃에서 3 시간 동안 수소 환원처리됨) 및 사용 촉매(250℃에서 4 시간 동안 H12-MBP 탈수소화 반응 후 촉매)를 나타냄), 평균 사이즈는 도 8에 나타낸 입자 사이즈 분포 차트로부터 산출하였다(도 8a, 도 8b 및 도 8c 각각은 MPdA. Pd/MA. 및 Pd/gA를 지시하는 바, 신규 촉매는 좌측, 그리고 사용 촉매(5회 사이클)는 우측에 나타냄). As shown in FIG. 7, the particle size of Pd in the catalyst was measured by HAADF-STEM (high angle annular dark field scanning transmission electron microscopy) photographs (FIGS. 7A and 7B each was a new catalyst (at 350° C. for 3 hours). Hydrogen reduction treatment) and the catalyst used ( representing the catalyst after H 12 -MBP dehydrogenation reaction at 250° C. for 4 hours)), and the average size was calculated from the particle size distribution chart shown in FIG. 8 (FIGS. 8A, 8B and FIG. 8c each indicates MPdA.Pd/MA. and Pd/gA, the new catalyst is shown on the left, and the used catalyst (5 cycles) is shown on the right).

도 7a에 따르면, 신규 촉매 내 Pd 입자의 평균 사이즈는 MPdA (3.4 nm), Pd/MA (4.4 nm) 및 Pd/gA (5.3 nm)이었다. 반면, 5회 사이클 이후의 촉매 내 Pd 입자의 평균 사이즈는 MPdA (4.0 nm), Pd/MA (9.6 nm) 및 Pd/gA (11.5 nm)로서 Pd 입자 사이즈의 증가 폭 면에서 실시예의 촉매(MPdA)는 비교예의 촉매(Pd/MA 및 Pd/gA)에 비하여 현저히 낮은 수준이었을 뿐만 아니라, 안정적인 금속 분산도를 나타내었다. 이는 MPdA가 수소 저장/방출 반응 과정이 반복된다 해도 Pd 입자의 사이즈를 작게 유지하는 특성(안정성) 면에서 우수함을 지시한다. According to Figure 7a, the average size of Pd particles in the new catalyst was MPdA (3.4 nm), Pd/MA (4.4 nm) and Pd/gA (5.3 nm). On the other hand, the average size of Pd particles in the catalyst after 5 cycles was MPdA (4.0 nm), Pd/MA (9.6 nm), and Pd/gA (11.5 nm). ) Was significantly lower than that of the catalysts of Comparative Example (Pd/MA and Pd/gA), and showed stable metal dispersion. This indicates that MPdA is excellent in characteristics (stability) of keeping the size of Pd particles small even if the hydrogen storage/release reaction process is repeated.

또한, 도 9는 사용 촉매의 HRTEM 및 SAED(selected area electron diffraction) 사진이다. 상기 도면에 따르면, 신규 MPdA 촉매 내 Pd 입자가 알루미나 층에 의하여 양호하게 보호된 상태(도 6 참조)가 사용 촉매에서도 유지되고 있음을 알 수 있다. 반면, 비교예에 관한 촉매, 즉 Pd/MA 및 Pd/gA는 초기 상태에서도 이러한 보호 정도가 상대적으로 낮을 뿐만 아니라, 사용 촉매에서도 보호 결핍 상태는 명확히 확인 가능하다.In addition, Figure 9 is a HRTEM and SAED (selected area electron diffraction) photographs of the catalyst used. According to the above drawing, it can be seen that the Pd particles in the new MPdA catalyst are well protected by the alumina layer (see FIG. 6) and are maintained in the used catalyst. On the other hand, the catalyst according to the comparative example, that is, Pd/MA and Pd/gA, not only has a relatively low degree of protection even in the initial state, but also the state of lack of protection in the catalyst used can be clearly confirmed.

실시예 및 비교예에 따른 촉매에 대하여 5 사이클로 수소 저장/방출 테스트를 수행하였으며, 특히 H12-MBP를 비롯하여 H8-MID의 탈수소화 반응 활성의 변화를 측정하여 도 10a 및 도 10b에 나타내었다. 이때, H12-MBP의 수소 방출 테스트는 250℃ 및 0.4 mol% M/R 조건 하에서 수행되었는 바, 도 10a에 나타난 바와 같이 Pd/gA 및 Pd/MA 각각의 탈수소화 효율은 5회째 사이클에서 49.0% 및 69.1%로 감소한 반면, MPdA의 초기 효율은 5회의 사이클 과정에서 유지되었다. Hydrogen storage/release tests were performed with 5 cycles for the catalysts according to Examples and Comparative Examples, and in particular , changes in the dehydrogenation activity of H 8 -MID including H 12 -MBP were measured and shown in FIGS. 10A and 10B. . At this time, the hydrogen emission test of H 12 -MBP was performed under conditions of 250° C. and 0.4 mol% M/R. As shown in FIG. 10A, the dehydrogenation efficiency of each of Pd/gA and Pd/MA was 49.0 at the fifth cycle. % And 69.1%, while the initial efficiency of MPdA was maintained over the course of 5 cycles.

H8-MID(수소 저장능: 5.75 중량%)의 수소 방출 테스트는 250℃ 및 0.6 mol% M/R 조건 하에서 수행되었으며, MPdA의 경우에는 5회의 사이클 과정에서 수소 방출능이 5.70 중량%로서 매우 안정적이었다. 반면, Pd/gA 및 Pd/MA의 경우, H12-MBP의 수소 방출 테스트에서와 유사하게 MPdA에 비하여 저하된 안정성을 나타내었다.The hydrogen release test of H 8 -MID (hydrogen storage capacity: 5.75% by weight) was conducted under conditions of 250℃ and 0.6 mol% M/R, and in the case of MPdA, the hydrogen release capacity was very stable as 5.70% by weight in the course of 5 cycles. Was. On the other hand, in the case of Pd/gA and Pd/MA, similarly to the hydrogen release test of H 12 -MBP, the stability was decreased compared to MPdA.

촉매의 형상에 따른 탈수소화 활성 평가Evaluation of dehydrogenation activity according to the shape of the catalyst

상업적으로 촉매 반응에 적용하기 위하여는 파우더 형태보다는 펠렛 형태의 촉매가 운전 면에서 유리하다. 이를 고려하여, 실시예에 따른 촉매(MPdA)를 펠렛 형태로 제조한 경우에도 활성을 유지할 수 있는지 여부를 평가하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.In order to be commercially applied to catalytic reactions, a catalyst in a pellet form rather than a powder form is advantageous in terms of operation. In consideration of this, it was evaluated whether or not the catalyst (MPdA) according to the Example could be maintained in the form of pellets, and the results are shown in FIG. 11.

이를 위하여, 파우더 시료를 인-하우스 다이(in-house die)를 이용하여 0.5 US 톤에서 PIKE CrushIR Hydraulic Press로 가압하여 직경 3 mm 및 길이 5 mm의 펠렛을 제조하였다. To this end, a powder sample was pressed with a PIKE CrushIR Hydraulic Press at 0.5 US ton using an in-house die to prepare pellets having a diameter of 3 mm and a length of 5 mm.

상기 도면에 도시된 바와 같이, 펠렛-타입의 MPdA는 초기에 탈수소 속도가 약간 낮은 것을 제외하고는 파우더 형태와 유사한 수소 생성 커브를 나타내었다. 또한, 후속적으로 3회의 연속 사이클을 수행한 결과, 유사한 수소 발생 결과를 얻을 수 있었다. 이와 관련하여, 초기에서 약간 낮은 수소 발생 속도를 나타내는 것은 펠렛 구조로부터 기인하는 확산 제한 때문인 것으로 판단된다. As shown in the figure, the pellet-type MPdA exhibited a hydrogen generation curve similar to that of the powder form, except that the dehydrogenation rate was slightly lower initially. In addition, as a result of successively performing three consecutive cycles, similar hydrogen generation results could be obtained. In this regard, it is believed that the slightly lower hydrogen generation rate at the initial stage is due to the diffusion limitation resulting from the pellet structure.

생성물 혼합물을 GC로 분석할 때, 수소 수율은 66.6%로 추정되었는 바, 이는 파우더 시료에 비하여 기껏해야 4% 낮은 수준이었다. 따라서, MPdA 촉매를 펠렛 형태로 제조할 경우, 파우더 형태에 필적하는 탈수소화 활성을 유지하고 있을 뿐만 아니라, 장기안정성 면에 있어서도 동등 수준으로 유지됨을 확인하였다.When the product mixture was analyzed by GC, the hydrogen yield was estimated to be 66.6%, which was at most 4% lower than that of the powder sample. Accordingly, it was confirmed that when the MPdA catalyst was prepared in the form of pellets, it not only maintained the dehydrogenation activity comparable to that of the powder form, but also maintained the same level in terms of long-term stability.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily used by those of ordinary skill in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (18)

N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체를 촉매의 존재 하에서 수소를 저장하는 수소화 단계; 및
상기 수소화된 액체 유기 수소 운반체로부터 촉매의 존재 하에서 수소를 방출시키는 탈수소화 단계를 포함하며,
상기 수소화 단계 및 상기 탈수소화 단계 중 적어도 하나에 사용되는 촉매는,
지지체로서 메조다공성 알루미나, 및
상기 지지체에 활성 금속으로서 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐을 포함하고,
상기 수소화 단계 및 탈수소화 단계가 교대로 수행됨에 따라 수소를 저장하거나 수소를 방출하며,
상기 촉매 내 팔라듐 입자 사이즈는 3.5 nm 이하이고, 그리고
상기 촉매는 CO-DRIFT(chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) 스펙트럼 분석에 의한 CO 흡착 밴드 피크를 기준으로 (C+D)/B으로 표시되는 상대 흡착 밴드 강도 비(relative adsorption band intensity ratio)가 1.5 내지 10의 범위(여기서, B는 Pd (100) 면에 다중 결합된 1978 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이고, C는 Pd (111) 면에 단일 결합된 1918 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이며, 그리고 D는 Pd (111) 면에 3중 결합된 1860 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크임)인 방법.
A hydrogenation step of storing hydrogen on a liquid organic hydrogen carrier having an N-heterocycle in the presence of a catalyst; And
A dehydrogenation step of releasing hydrogen from the hydrogenated liquid organic hydrogen carrier in the presence of a catalyst,
The catalyst used in at least one of the hydrogenation step and the dehydrogenation step,
Mesoporous alumina as a support, and
Containing palladium having a (111) facet as an active metal in the support,
As the hydrogenation step and the dehydrogenation step are alternately performed, hydrogen is stored or hydrogen is released,
The palladium particle size in the catalyst is 3.5 nm or less, and
The catalyst has a relative adsorption band intensity ratio expressed as (C+D)/B based on the CO adsorption band peak by CO-DRIFT (chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) spectrum analysis from 1.5 to A range of 10, where B is the CO adsorption band peak at 1978 cm -1 multiple bonded to the Pd (100) side, and C is the CO adsorption band peak at 1918 cm -1 single bonded to the Pd (111) side. And D is the CO adsorption band peak at 1860 cm -1 triple bonded to the Pd (111) plane).
제1항에 있어서, 상기 액체 유기수소 운반체는 적어도 하나 이상의 공액 결합을 갖는 N 원소가 포함된 헤테로 고리 구조의 화합물로서, 상기 고리 구조가 C3 내지 C20를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the liquid organohydrogen carrier is a compound of a heterocyclic structure containing an N element having at least one conjugated bond, wherein the ring structure comprises C3 to C20. 제2항에 있어서, 상기 액체 유기수소 운반체는 하기 일반식 1 내지 6으로 표시되는 화합물로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법:
[일반식 1]
Figure 112019034550360-pat00013

[일반식 2]
Figure 112019034550360-pat00014

[일반식 3]
Figure 112019034550360-pat00015

[일반식 4]
Figure 112019034550360-pat00016

[일반식 5]
Figure 112019034550360-pat00017

[일반식 6]
Figure 112019034550360-pat00018

상기 식에서, R, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7. R8, R9 및 R10 각각은 수소 또는 C1 내지 C6의 알킬기이고, X는 -(CHR11)n-(n은 1 내지 3의 정수이고, R11은 H, OH, 또는 C1 내지 C6의 알킬기임), 그리고 Y는 CH 또는 N임.
The method of claim 2, wherein the liquid organic hydrogen carrier is at least one selected from compounds represented by the following general formulas 1 to 6:
[General Formula 1]
Figure 112019034550360-pat00013

[General Formula 2]
Figure 112019034550360-pat00014

[General Formula 3]
Figure 112019034550360-pat00015

[General Formula 4]
Figure 112019034550360-pat00016

[General Formula 5]
Figure 112019034550360-pat00017

[General Formula 6]
Figure 112019034550360-pat00018

In the above formula, R, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 . Each of R 8 , R 9 and R 10 is hydrogen or a C 1 to C 6 alkyl group, X is -(CHR 11 ) n -(n is an integer of 1 to 3, R 11 is H, OH, or C 1 To C 6 is an alkyl group), and Y is CH or N.
제1항에 있어서, 상기 촉매는 적어도 300 ㎡/g의 BET 비표면적을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, wherein the catalyst exhibits a BET specific surface area of at least 300 m 2 /g. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 촉매 내 팔라듐 함량은 0.1 내지 10 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, wherein the content of palladium in the catalyst is in the range of 0.1 to 10% by weight. 삭제delete 제4항에 있어서, 상기 촉매의 포어 체적은 0.4 내지 0.55 ㎤/g, 그리고 포어 사이즈는 3 내지 4.5 nm 범위인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 4, wherein the catalyst has a pore volume in the range of 0.4 to 0.55 cm 3 /g and a pore size in the range of 3 to 4.5 nm. 제1항에 있어서, 상기 수소화 반응은 50 내지 250 ℃에서 0.5 내지 24 시간 동안 수행되는 한편, 상기 탈수소화 반응은 100 내지 350 ℃에서 0.5 내지 24 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, wherein the hydrogenation reaction is performed at 50 to 250°C for 0.5 to 24 hours, while the dehydrogenation reaction is performed at 100 to 350°C for 0.5 to 24 hours. 제1항에 있어서, 상기 촉매 내 팔라듐/N-함유 헤테로고리 화합물의 비(M/R)는 0.01 내지 1 몰% 범위인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, wherein the ratio (M/R) of the palladium/N-containing heterocyclic compound in the catalyst is in the range of 0.01 to 1 mol%. a) 적어도 하나의 알루미나 전구체, 적어도 하나의 팔라듐 전구체 및 염기 성분을 포함하는 혼합물에 외부 에너지를 가하면서 용매의 부존재 조건 하에서 고상 반응을 수행하여 겔 형태의 촉매 고형물을 형성하는 단계; 및
b) 상기 촉매 고형물을 산소-함유 분위기 및 300 내지 800 ℃의 온도 조건 하에서 열 처리하여 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐 결정을 지지체인 메조다공성 알루미나에 담지시키는 단계;
를 포함하는, N-헤테로고리를 갖는 액체 유기 수소 운반체의 가역적 전환용 수소화/탈수소화 촉매의 제조방법으로서,
상기 촉매 내 팔라듐 입자 사이즈는 3.5 nm 이하이고,
상기 촉매의 입자 사이즈는 0.1 내지 10 mm 범위이며, 그리고
상기 촉매는 CO-DRIFT(chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) 스펙트럼 분석에 의한 CO 흡착 밴드 피크를 기준으로 (C+D)/B으로 표시되는 상대 흡착 밴드 강도 비(relative adsorption band intensity ratio)가 1.5 내지 10의 범위(여기서, B는 Pd (100) 면에 다중 결합된 1978 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이고, C는 Pd (111) 면에 단일 결합된 1918 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이며, 그리고 D는 Pd (111) 면에 3중 결합된 1860 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크임)인 제조방법.
a) applying external energy to a mixture containing at least one alumina precursor, at least one palladium precursor, and a base component while performing a solid-phase reaction in the absence of a solvent to form a gel-like catalyst solid; And
b) heat treating the catalyst solid material under an oxygen-containing atmosphere and a temperature condition of 300 to 800° C. to support palladium crystals having (111) facets on mesoporous alumina as a support;
As a method for producing a hydrogenation/dehydrogenation catalyst for reversible conversion of a liquid organic hydrogen carrier having an N-heterocycle, comprising:
The palladium particle size in the catalyst is 3.5 nm or less,
The particle size of the catalyst ranges from 0.1 to 10 mm, and
The catalyst has a relative adsorption band intensity ratio expressed as (C+D)/B based on the CO adsorption band peak by CO-DRIFT (chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) spectrum analysis from 1.5 to A range of 10, where B is the CO adsorption band peak at 1978 cm -1 multiple bonded to the Pd (100) side, and C is the CO adsorption band peak at 1918 cm -1 single bonded to the Pd (111) side. And D is the CO adsorption band peak at 1860 cm -1 triple bonded to the Pd (111) plane).
제11항에 있어서, 상기 열 처리는 1 내지 10 ℃/min의 승온 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 11, wherein the heat treatment is performed at a heating rate of 1 to 10°C/min. 제11항에 있어서, c) 상기 수소화/탈수소화 촉매를 환원시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.12. The method of claim 11, further comprising: c) reducing the hydrogenation/dehydrogenation catalyst. 제11항에 있어서, 상기 팔라듐 전구체는 팔라듐의 유기산염 또는 무기산염, 착체 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 11, wherein the palladium precursor is an organic or inorganic acid salt of palladium, a complex, or a combination thereof. 제11항에 있어서, 상기 알루미나 전구체는 알루미늄의 유기산염 또는 무기산염, 알콕사이드, 착체 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 11, wherein the alumina precursor is an organic or inorganic acid salt of aluminum, an alkoxide, a complex, or a combination thereof. 제11항에 있어서, 상기 염기 성분은, 암모늄카보네이트, 암모늄바이카보네이트, 암모늄 클로라이드, 암모늄 옥살레이트, 암모늄 설페이트, 암모늄 하이드록사이드, 암모늄 니트레이트, 리튬 하이드록사이드, 소디움 하드록사이드, 포타슘 하이드록사이드, 칼슘 하이드록사이드 및 마그네슘 하이드록사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 11, wherein the base component is ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium chloride, ammonium oxalate, ammonium sulfate, ammonium hydroxide, ammonium nitrate, lithium hydroxide, sodium hardoxide, potassium hydroxide A method, characterized in that at least one selected from the group consisting of side, calcium hydroxide and magnesium hydroxide. 제11항에 있어서, 상기 단계 a)에서 팔라듐 전구체/염기 성분의 몰 비는 0.0001 내지 0.1 의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 11, wherein the molar ratio of palladium precursor/base component in step a) is in the range of 0.0001 to 0.1. N-헤테로고리를 갖는 액체 유기수소 운반체의 수소화/탈수소화 반응의 가역적 전환용 촉매로서,
지지체로서 메조다공성 알루미나, 및
상기 지지체에 활성 금속으로서 (111) 면(facet)을 갖는 팔라듐;
을 포함하며,
촉매 전체 중량을 기준으로 팔라듐 함량은 0.1 내지 10 중량%이고, 그리고
상기 촉매는 하기 물성을 나타내는 촉매:
(i) 적어도 300 ㎡/g의 BET 비표면적, (ii) 적어도 30%의 팔라듐 분산도, (iii) 3.5 nm 이하의 팔라듐 입자 사이즈, (iv) CO-DRIFT(chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform) 스펙트럼 분석에 의한 CO 흡착 밴드 피크를 기준으로 (C+D)/B으로 표시되는 상대 흡착 밴드 강도 비(relative adsorption band intensity ratio)가 1.5 내지 10의 범위(여기서, B는 Pd (100) 면에 다중 결합된 1978 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이고, C는 Pd (111) 면에 단일 결합된 1918 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크이며, 그리고 D는 Pd (111) 면에 3중 결합된 1860 cm-1에서의 CO 흡착 밴드 피크임)이고, 그리고 메조다공성 알루미나 지지체의 포어 사이즈가 3 내지 4.5 nm 범위임.
As a catalyst for reversible conversion of the hydrogenation/dehydrogenation reaction of a liquid organic hydrogen carrier having an N-heterocycle,
Mesoporous alumina as a support, and
Palladium having a (111) facet as an active metal on the support;
Including,
The palladium content is 0.1 to 10% by weight, based on the total weight of the catalyst, and
The catalyst is a catalyst exhibiting the following physical properties:
(i) BET specific surface area of at least 300 m2/g, (ii) palladium dispersion of at least 30%, (iii) palladium particle size of 3.5 nm or less, (iv) chemisorbed diffuse reflectance infrared fourier transform (CO-DRIFT) spectrum Based on the CO adsorption band peak by the analysis, the relative adsorption band intensity ratio expressed as (C+D)/B is in the range of 1.5 to 10 (where B is multiplexed on the Pd (100) plane). and CO adsorption band peak in the combined 1978 cm -1, C is a Pd (111) and the CO absorption band at 1918 cm -1 peak to the single-bonded surface, and D is a bond 3 to Pd (111) surface Is the CO adsorption band peak at 1860 cm -1 ), and the pore size of the mesoporous alumina support is in the range of 3 to 4.5 nm.
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