KR102310394B1 - Alkaline earth metal catalyst supported on perovskite carrier and method for oxidative coupling reaction of methane using the same - Google Patents

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Abstract

본 개시물에는 페로브스카이트 지지체에 담지된 알칼리 토금속 촉매 및 이를 이용한 메탄의 산화이량화 반응방법이 개시된다. 상기 페로브스카이트 구조는 ABO3의 식을 갖고, 상기 식에서 A는 Ca, Sr, Ba 및 Mg 중에서 선택된 어느 하나이며, B는 Ti이다. 상기 촉매는 700 ℃ 이하의 온도에서 메탄의 산화이량화 반응을 실시하였을 때에도 메탄의 전환율과 C2+ 탄화수소 화합물의 선택도를 크게 향상시켜 높은 C2+ 탄화수소 수율을 제공하는 효과가 있다.The present disclosure discloses an alkaline earth metal catalyst supported on a perovskite support and a method for oxidative dimerization of methane using the same. The perovskite structure has a formula of ABO 3 , wherein A is any one selected from Ca, Sr, Ba and Mg, and B is Ti. The catalyst has the effect of providing a high C 2+ hydrocarbon yield by greatly improving the conversion rate of methane and the selectivity of the C 2+ hydrocarbon compound even when the oxidation dimerization reaction of methane is carried out at a temperature of 700 ° C. or less.

Description

페로브스카이트 지지체에 담지된 알칼리 토금속 촉매 및 이를 이용한 메탄의 산화이량화 반응방법{ALKALINE EARTH METAL CATALYST SUPPORTED ON PEROVSKITE CARRIER AND METHOD FOR OXIDATIVE COUPLING REACTION OF METHANE USING THE SAME}Alkaline earth metal catalyst supported on perovskite support and oxidation dimerization reaction method of methane using same

본 개시물에는 페로브스카이트 지지체에 담지된 알칼리 토금속 촉매 및 이를 이용한 메탄의 산화이량화 반응방법이 개시된다.The present disclosure discloses an alkaline earth metal catalyst supported on a perovskite support and a method for oxidative dimerization of methane using the same.

메탄은 천연가스나 셰일가스의 주성분으로 자연계에 매우 풍부한 물질이다. 그 쓰임새 또한 매우 다양하여 연료로 직접 사용할 수도 있으나, 직/간접적 전환기술을 사용하여 탄소사슬을 연결하면 더욱 부가가치가 높은 탄화수소로 전환하여 사용할 수 있다.Methane is a major component of natural gas or shale gas, and is very abundant in nature. Its uses are also very diverse, so it can be used directly as a fuel, but by connecting carbon chains using direct/indirect conversion technology, it can be converted into hydrocarbons with higher added value.

메탄의 탄소사슬을 연결하여 고부가가치의 탄화수소로 전환하는 기술은 많이 알려져 있다. 메탄의 전환기술을 두 가지로 분류하자면, 간접 전환기술과 직접 전환기술로 나눌 수 있다. 간접 전환기술은 메탄의 개질 반응 (reforming)을 이용하여 합성가스를 생산하고 여기에서 생산된 합성가스를 추가적으로 가공하여 탄소 화합물을 얻는 기술이다. 이 방법은 상업화가 되어 있지만 공정에 다량의 에너지가 소모되고 초기 투자 비용이 높은 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 메탄을 직접적으로 전환하는 기술이 연구되고 있다. 직접 전환기술은 단일 반응을 이용하여 메탄을 탄소 화합물로 전환할 수 있는 장점이 있지만 아직은 경제성이나 선택도 면에서 한계를 보이고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 촉매 기술과 공정 기술이 연구되고 있다.Techniques for converting methane into high value-added hydrocarbons by linking carbon chains are well known. If we classify methane conversion technology into two, it can be divided into indirect conversion technology and direct conversion technology. The indirect conversion technology is a technology to obtain a carbon compound by producing syngas using the reforming reaction of methane and further processing the syngas produced here. Although this method has been commercialized, a large amount of energy is consumed in the process and the initial investment cost is high. In order to solve this problem, a technology for directly converting methane is being studied. Although the direct conversion technology has the advantage of converting methane to carbon compounds using a single reaction, it still has limitations in terms of economic feasibility and selectivity. In order to solve this problem, many catalyst technologies and process technologies are being studied.

메탄의 직접 전환기술 중 하나는 메탄의 산화이량화 반응을 이용하는 것이다. 이는 700 ℃ 이상의 고온 조건에서 메탄을 메틸 라디칼로 전환한 다음 이를 짝지어서 C2+ 탄화수소를 생성하는 방법이다. 이 반응을 하기 <반응식 1>에 나타내었다.One of the direct conversion techniques for methane is to use the oxidation dimerization reaction of methane. This is a method of generating C 2+ hydrocarbons by converting methane into methyl radicals under high temperature conditions of 700 ° C. or higher and then pairing them. This reaction is shown in <Scheme 1> below.

<반응식 1><Scheme 1>

2CH4 + O2 → C2H4 + 2H2O2CH 4 + O 2 → C 2 H 4 + 2H 2 O

메탄의 산화이량화 반응을 이용하면 <반응식 1>에서 보는 바와 같이 단일 공정을 이용하여 메탄을 에틸렌으로 전환할 수 있다. 하지만, 고온 조건에서 생성된 에틸렌 혹은 에탄은 완전 산화되면 이산화탄소로 전환되어 버리고 C2 탄화수소의 선택도를 낮추는 결과를 초래할 수 밖에 없다. 따라서, 메탄의 산화이량화 반응 온도 조건을 낮추면서, 메탄의 전환율과 C2 탄화수소의 선택도를 높인다면 복합적으로 경제성을 갖춘 촉매를 제공할 수 있을 것이다.If the oxidation dimerization reaction of methane is used, methane can be converted to ethylene using a single process as shown in <Scheme 1>. However, when ethylene or ethane produced under high temperature conditions is completely oxidized, it is converted to carbon dioxide, which inevitably results in lowering the selectivity of C 2 hydrocarbons. Therefore, while lowering the oxidative dimerization reaction temperature conditions of methane, increasing the conversion rate of methane and the selectivity of C 2 hydrocarbons will provide a catalyst having a complex economic feasibility.

KR 10-2015-0087557 AKR 10-2015-0087557 A

일 측면에서, 본 개시물은 페로브스카이트 구조의 지지체에 알칼리 토금속 산화물을 담지시킨 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.In one aspect, an object of the present disclosure is to provide a catalyst in which an alkaline earth metal oxide is supported on a support having a perovskite structure.

다른 측면에서, 본 개시물은 상기 촉매를 이용한 메탄의 산화이량화 반응방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, an object of the present disclosure is to provide a method for oxidative dimerization of methane using the catalyst.

일 측면에서, 본 개시물은 페로브스카이트 구조의 지지체; 및 상기 지지체에 담지된 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 제공한다.In one aspect, the present disclosure provides a support of a perovskite structure; And it provides a catalyst for the oxidation dimerization reaction of methane comprising an alkaline earth metal oxide supported on the support.

예시적인 일 구현예에서, 상기 페로브스카이트 구조는 하기 식을 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the perovskite structure may have the following formula.

ABO3 ABO 3

상기 식에서 A 및 B는 서로 동일하지 않은 원소로서, A는 Ca, Sr, Ba 및 Mg 중에서 선택된 어느 하나이며, B는 Ti이다.In the above formula, A and B are elements that are not identical to each other, A is any one selected from Ca, Sr, Ba, and Mg, and B is Ti.

예시적인 일 구현예에서, 상기 알칼리 토금속은 Ca, Sr, Ba 및 Mg로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the alkaline earth metal may be at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Mg.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는, 칼슘 산화물, 스트론튬 산화물 및 바륨 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 알칼리 토금속 산화물이 칼슘 티타네이트, 스트론튬 티타네이트 및 바륨 티타네이트 중 어느 하나의 페로브스카이트 구조의 지지체에 담지된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, in the catalyst, at least one alkaline earth metal oxide selected from the group consisting of calcium oxide, strontium oxide and barium oxide is a perovskite of any one of calcium titanate, strontium titanate, and barium titanate It may be supported on a support of the structure.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 알칼리 토금속 산화물과 지지체를 1 : 5 내지 1 : 15의 중량비로 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may include an alkaline earth metal oxide and a support in a weight ratio of 1:5 to 1:15.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는, 알칼리 토금속 전구체 수용액을 페로브스카이드 구조의 지지체 수용액과 혼합하여 알칼리 토금속을 산화물의 형태로 페로브스카이트 구조의 지지체에 담지한 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be one in which an aqueous alkaline earth metal precursor solution is mixed with an aqueous solution of a support having a perovskite structure to support an alkaline earth metal in the form of an oxide on a support having a perovskite structure.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 메탄으로부터 C2+ 탄화수소 화합물을 제조하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be to produce a C 2+ hydrocarbon compound from methane.

예시적인 일 구현예에서, 상기 C2+ 탄화수소 화합물은 에탄 (C2H6), 에틸렌 (C2H4) 및 아세틸렌 (C2H2)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the C 2+ hydrocarbon compound may include one or more selected from the group consisting of ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ) and acetylene (C 2 H 2 ). have.

다른 측면에서, 본 개시물은 상기 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 메탄에 가하여 메탄으로부터 2개 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 화합물을 제조하는 것을 포함하는 메탄의 산화이량화 반응방법을 제공한다.In another aspect, the present disclosure provides a method for oxidative dimerization of methane, which includes preparing a hydrocarbon compound containing two or more carbon atoms from methane by adding the catalyst for oxidative dimerization of methane to methane.

예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은, 반응기 내에 메탄, 산소 및 비활성가스를 포함하는 혼합 가스를 투입하는 단계; 및 반응기 내에 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 가하여 메탄의 산화이량화 반응을 실시하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the method includes: introducing a mixed gas including methane, oxygen and an inert gas into the reactor; and adding a catalyst for oxidative dimerization of methane in the reactor to perform oxidative dimerization of methane.

예시적인 일 구현예에서, 상기 메탄의 산화이량화 반응은 550 내지 750 ℃에서 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the oxidation dimerization reaction of methane may be carried out at 550 to 750 °C.

일 측면에서, 본 개시물에 개시된 기술은 페로브스카이트 구조의 지지체에 알칼리 토금속 산화물을 담지시킨 촉매를 제공하는 효과가 있다.In one aspect, the technology disclosed in the present disclosure is effective in providing a catalyst in which an alkaline earth metal oxide is supported on a support having a perovskite structure.

본 개시물에 개시된 촉매는 메탄의 산화이량화 반응 온도 조건을 낮추면서, 메탄의 전환율과 C2+ 탄화수소의 선택도를 높여 C2+ 탄화수소를 고수율로 제조하는 효과를 제공한다.The catalyst disclosed in the present disclosure provides the effect of producing C 2+ hydrocarbons in high yield by increasing the conversion rate of methane and the selectivity of C 2+ hydrocarbons while lowering the oxidation dimerization reaction temperature condition of methane.

다른 측면에서, 본 개시물에 개시된 기술은 상기 촉매를 이용한 메탄의 산화이량화 반응방법을 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the technology disclosed in the present disclosure has the effect of providing a method for oxidative dimerization of methane using the catalyst.

도 1은 일 실시예에 따른 C2+ 탄화수소 화합물의 생산에 사용되는 연속식 메탄의 산화이량화 반응기의 구성을 도식화한 것이다.1 is a schematic diagram of the configuration of a continuous methane oxidation dimerization reactor used for the production of C 2+ hydrocarbon compounds according to an embodiment.

이하, 본 개시물을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present disclosure will be described in detail.

일 측면에서, 본 개시물은 페로브스카이트 구조의 지지체; 및 상기 지지체에 담지된 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 제공한다.In one aspect, the present disclosure provides a support of a perovskite structure; And it provides a catalyst for the oxidation dimerization reaction of methane comprising an alkaline earth metal oxide supported on the support.

본 명세서에서 "C2 탄화수소 화합물"은 탄소 원자 2개를 갖는 탄화수소 화합물을 의미한다.As used herein, "C 2 hydrocarbon compound" refers to a hydrocarbon compound having two carbon atoms.

본 명세서에서 "C2+ 탄화수소 화합물"은 탄소 원자 2개 이상을 갖는 탄화수소 화합물을 의미한다.As used herein, "C 2+ hydrocarbon compound" means a hydrocarbon compound having two or more carbon atoms.

예시적인 일 구현예에서, 상기 페로브스카이트 구조는 하기 식을 갖는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the perovskite structure may have the following formula.

ABO3 ABO 3

상기 식에서 A 및 B는 서로 동일하지 않은 원소로서, A는 Ca, Sr, Ba 및 Mg 중에서 선택된 어느 하나이며, B는 Ti이다.In the above formula, A and B are elements that are not identical to each other, A is any one selected from Ca, Sr, Ba, and Mg, and B is Ti.

예시적인 일 구현예에서, 상기 알칼리 토금속은 Ca, Sr, Ba 및 Mg로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the alkaline earth metal may be at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, and Mg.

예시적인 일 구현예에서, 상기 알칼리 토금속은 페로브스카이트 구조의 A와 동일하지 않은 원소인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the alkaline earth metal may be an element that is not the same as A of the perovskite structure.

예시적인 일 구현예에서, 상기 알칼리 토금속은, 알칼리 토금속 전구체 수용액을 페로브스카이드 구조를 갖는 지지체 수용액과 혼합하여 페로브스카이드 구조를 갖는 지지체에 산화물의 형태로 담지시킨 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the alkaline earth metal may be supported in the form of an oxide on a support having a perovskide structure by mixing an aqueous alkaline earth metal precursor solution with an aqueous support solution having a perovskide structure.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는, 칼슘 산화물, 스트론튬 산화물 및 바륨 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 알칼리 토금속 산화물이 칼슘 티타네이트, 스트론튬 티타네이트 및 바륨 티타네이트 중 어느 하나의 페로브스카이트 구조의 지지체에 담지된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, in the catalyst, at least one alkaline earth metal oxide selected from the group consisting of calcium oxide, strontium oxide and barium oxide is a perovskite of any one of calcium titanate, strontium titanate, and barium titanate It may be supported on a support of the structure.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는, 바륨 산화물이 칼슘 티타네이트 또는 스트론튬 티타네이트의 지지체에 담지된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be one in which barium oxide is supported on a support of calcium titanate or strontium titanate.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는, 칼슘 산화물 및 스트론튬 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 알칼리 토금속 산화물이 바륨 티타네이트에 담지된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be one in which at least one alkaline earth metal oxide selected from the group consisting of calcium oxide and strontium oxide is supported on barium titanate.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 알칼리 토금속 산화물과 지지체를 1 : 5 내지 1 : 15의 중량비, 1 : 5 내지 1 : 10의 중량비, 1 : 7 내지 1 : 13의 중량비 또는 1 : 10 내지 1 : 15의 중량비로 포함하는 것이 바람직할 수 있다. In an exemplary embodiment, the catalyst includes an alkaline earth metal oxide and a support in a weight ratio of 1: 5 to 1: 15, a weight ratio of 1: 5 to 1: 10, a weight ratio of 1: 7 to 1: 13, or 1: 10 to It may be preferable to include it in a weight ratio of 1:15.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 메탄으로부터 C2+ 탄화수소 화합물을 제조하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be to produce a C 2+ hydrocarbon compound from methane.

예시적인 일 구현예에서, 상기 C2+ 탄화수소 화합물은 에탄 (C2H6), 에틸렌 (C2H4) 및 아세틸렌 (C2H2)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the C 2+ hydrocarbon compound may include one or more selected from the group consisting of ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ) and acetylene (C 2 H 2 ). have.

예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 저온의 메탄 산화이량화 반응에서도 우수한 활성을 나타낼 수 있다. 더욱 상세하게는, 700 ℃ 이하, 예컨대 600 내지 700 ℃의 온도 조건에서 높은 수율로 2개 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 화합물을 제조할 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may exhibit excellent activity even in a low-temperature methane oxidation dimerization reaction. More specifically, it is possible to prepare a hydrocarbon compound containing two or more carbon atoms in a high yield under a temperature condition of 700 ° C. or less, for example, 600 to 700 ° C.

다른 측면에서, 본 개시물은 상기 메탄의 산화이량화 반응용 촉매의 제조방법으로, 페로브스카이트 구조를 갖는 지지체를 포함하는 용액을 제조하는 단계; 상기 용액과 알칼리 토금속 전구체 용액을 혼합 및 교반하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 건조 및 소성하는 단계를 포함하는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present disclosure provides a method for preparing a catalyst for the oxidation dimerization reaction of methane, comprising: preparing a solution including a support having a perovskite structure; mixing and stirring the solution and the alkaline earth metal precursor solution; and drying and calcining the mixed solution. It provides a method for preparing a catalyst for oxidative dimerization of methane.

예시적인 일 구현예에서, 상기 전구체는 염 화합물, 아세테이트 화합물, 할로겐 화합물, 나이트레이트 화합물, 하이드록사이드 화합물, 카르보닐 화합물, 설페이트 화합물 및 지방산염 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the precursor may be at least one selected from the group consisting of a salt compound, an acetate compound, a halogen compound, a nitrate compound, a hydroxide compound, a carbonyl compound, a sulfate compound, and a fatty acid salt compound.

예시적인 일 구현예에서, 상기 건조는 200 내지 250 ℃의 공기 분위기 하에서 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the drying may be carried out in an air atmosphere of 200 to 250 ℃.

예시적인 일 구현예에서, 상기 소성은 500 내지 1,000 ℃의 공기 분위기 하에서 실시하는 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, the sintering may be carried out in an air atmosphere of 500 to 1,000 °C.

본 명세서에 개시된 메탄의 산화이량화 반응용 촉매는 산소를 끌어 당겨 산소 라디칼로 전환시킨 뒤에 이를 이용하여 메탄을 메틸 라디칼로 바꾼 다음 짝지음 반응을 매개하는 역할을 한다. 이 과정에서 산소와 전자의 이동을 돕고 메탄을 활성화시킨다. 이에 따라, 메탄의 산화이량화 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한, 상기 촉매는 메탄의 산화이량화 반응을 통해 높은 수율의 C2+ 탄화수소 화합물을 제조할 수 있다. The catalyst for oxidative dimerization of methane disclosed in the present specification serves to mediate the coupling reaction after converting methane into methyl radicals by using it after converting oxygen into oxygen radicals by attracting oxygen. In this process, it helps the movement of oxygen and electrons and activates methane. Accordingly, it is possible to promote the oxidation dimerization reaction of methane. In addition, the catalyst can prepare a C 2+ hydrocarbon compound in a high yield through the oxidation dimerization reaction of methane.

C2+ 탄화수소 화합물을 제조하는 단계는 반응기를 일정 반응 온도로 높여 메탄의 산화이량화 반응을 진행하는 것일 수 있으며, 그 결과 메탄이 일부 또는 전부 짝지어진 C2+ 탄화수소 화합물이 생성될 수 있다.The step of preparing the C 2+ hydrocarbon compound may be to proceed with the oxidation dimerization reaction of methane by raising the reactor to a predetermined reaction temperature, and as a result, a C 2+ hydrocarbon compound in which some or all of methane is paired may be produced.

다른 측면에서, 본 개시물은 상기 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 메탄에 가하여 메탄으로부터 2개 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 화합물을 제조하는 것을 포함하는 메탄의 산화이량화 반응방법을 제공한다.In another aspect, the present disclosure provides a method for oxidative dimerization of methane, which includes preparing a hydrocarbon compound containing two or more carbon atoms from methane by adding the catalyst for oxidative dimerization of methane to methane.

예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은, 반응기 내에 메탄, 산소 및 비활성가스를 포함하는 혼합 가스를 투입하는 단계; 및 반응기 내에 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 가하여 메탄의 산화이량화 반응을 실시하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the method includes: introducing a mixed gas including methane, oxygen and an inert gas into the reactor; and adding a catalyst for oxidative dimerization of methane in the reactor to perform oxidative dimerization of methane.

예시적인 일 구현예에서, 상기 메탄 및 산소는 1 : 1 내지 10 : 1의 부피비로 혼합된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the methane and oxygen may be mixed in a volume ratio of 1:1 to 10:1.

예시적인 일 구현예에서, 상기 비활성가스는 질소인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the inert gas may be nitrogen.

예시적인 일 구현예에서, 상기 메탄의 산화이량화 반응은 550 ℃ 이상, 575 ℃ 이상, 600 ℃ 이상, 625 ℃ 이상, 650 ℃ 이상, 675 ℃ 이상 또는 700 ℃ 이상이면서, 750 ℃ 이하, 725 ℃ 이하, 700 ℃ 이하, 675 ℃ 이하 또는 650 ℃ 이하인 온도에서 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 메탄의 산화이량화 반응 활성이 미미하거나 C2+ 탄화수소 수율이 떨어지는 것을 방지하는 효과가 있다, 예컨대, 상기 메탄의 산화이량화 반응은 625 내지 650 ℃ 또는 650 내지 675 ℃에서 실시하는 것이 메탄의 전환율 및 C2+ 탄화수소의 선택도 면에서 우수한 효과를 나타낼 수 있다.In an exemplary embodiment, the oxidation dimerization reaction of methane is 550 °C or higher, 575 °C or higher, 600 °C or higher, 625 °C or higher, 650 °C or higher, 675 °C or higher, or 700 °C or higher, and 750 °C or lower, 725 °C or lower , it may be preferable to carry out at a temperature of 700 °C or less, 675 °C or less, or 650 °C or less. Accordingly, there is an effect of preventing the oxidative dimerization reaction activity of methane from being insignificant or the yield of C 2+ hydrocarbons falling. For example, the oxidative dimerization reaction of methane is carried out at 625 to 650 ° C. or 650 to 675 ° C. of methane. An excellent effect may be exhibited in terms of conversion rate and selectivity of C 2+ hydrocarbons.

예시적인 일 구현예에서, 상기 메탄의 산화이량화 반응은 5,000 내지 15,000 h-1의 기체공간속도 (Gas Hourly Space Velocity, GHSV)에서 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the oxidative dimerization reaction of methane may be carried out at a gas hourly space velocity (GHSV) of 5,000 to 15,000 h -1 .

예시적인 일 구현예에서, 상기 반응기는 연속식 반응기로서 메탄, 산소, 그리고 비활성가스를 포함한 기체 혼합물을 반응기에 투입하는 부분, 촉매와 지르코니아 비드로 충진한 반응기, 반응기의 온도를 조정하기 위한 고온로 (Furnace), 물 트랩, 그리고 생성물을 검출하기 위한 기체 크로마토그래피 시스템을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the reactor is a continuous reactor, and a part for introducing a gas mixture including methane, oxygen, and inert gas to the reactor, a reactor filled with a catalyst and zirconia beads, and a high temperature furnace for adjusting the temperature of the reactor (Furnace), a water trap, and a gas chromatography system to detect the product.

도 1은 본 명세서의 일 실시예로 사용될 수 있는 연속식 반응기를 나타낸 것이다.1 shows a continuous reactor that can be used as an embodiment of the present specification.

예시적인 일 구현예에서, 상기 연속식 반응기는 메탄, 산소, 비활성가스의 저장 장치(10), 메탄, 산소, 비활성가스의 혼합 장치(20), 가열 장치가 연결된 석영관 반응기(30), 반응 후 생성물의 냉각 및 포집을 위한 냉각 장치(40) 및 최종 생성물을 분석하기 위한 기체 크로마토그래피 장치(50)를 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the continuous reactor includes a storage device 10 for methane, oxygen, and inert gas, a device 20 for mixing methane, oxygen, and inert gas, and a quartz tube reactor 30 to which a heating device is connected, the reaction It may include a cooling device 40 for cooling and collecting the post product and a gas chromatography device 50 for analyzing the final product.

이하, 실시예를 통하여 본 개시물을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 개시물을 예시하기 위한 것으로서, 본 개시물의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present disclosure will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present disclosure, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present disclosure is not to be construed as being limited by these examples.

실시예Example 1. One.

에틸렌 글라이콜 (ethylene glycol) 22.4 mL와 티타늄 아이소프로폭사이드 (titanium isopropoxide) 7.6 mL를 혼합하고 약 1시간 동안 교반을 진행하였다. 이후, 증류수 20 mL와 시트르산 (citric acid) 19.3 g을 순차적으로 넣어 주되 약 1시간씩 각각 교반을 진행하도록 하였다. 상기 용액에 칼슘 나이트레이트 사수화물 (calcium nitrate tetrahydrate) 6.0 g, 스트론튬 나이트레이트 (strontium nitrate) 5.3 g 및 바륨 나이트레이트 (barium nitrate) 6.6 g을 각각 혼합하여 1시간 동안 교반하였다. 또한, 상기 용액에 스트론튬 나이트레이트 (strontium nitrate) 4.3 g 및 바륨 나이트레이트 (barium nitrate) 1.3 g을 혼합하고 1시간 동안 교반하여 페로브스카이트 구조에 스트론튬과 바륨이 함께 도핑되도록 하였다. 혼합 용액을 약 12 내지 15 시간 동안 교반하여 촉매를 제조하였다. 상기 제조한 젤 형태의 혼합 용액을 24시간 동안 250 ℃에서 공기 분위기 하에서 건조한 다음, 900 ℃에서 8시간 동안 소성하여 페로브스카이트 구조의 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 제조하였다 (하기 표 1 참조).22.4 mL of ethylene glycol and 7.6 mL of titanium isopropoxide were mixed and stirred for about 1 hour. After that, 20 mL of distilled water and 19.3 g of citric acid were sequentially added, but each was stirred for about 1 hour. Calcium nitrate tetrahydrate (calcium nitrate tetrahydrate) 6.0 g, strontium nitrate (strontium nitrate) 5.3 g and barium nitrate (barium nitrate) 6.6 g were mixed in the solution, respectively, and stirred for 1 hour. In addition, strontium nitrate (strontium nitrate) 4.3 g and barium nitrate (barium nitrate) 1.3 g was mixed with the solution and stirred for 1 hour to dope the perovskite structure with strontium and barium. The mixed solution was stirred for about 12 to 15 hours to prepare a catalyst. The prepared gel-form mixed solution was dried under an air atmosphere at 250° C. for 24 hours, and then calcined at 900° C. for 8 hours to prepare a catalyst for oxidation dimerization of methane having a perovskite structure (see Table 1 below). ).

실시예Example 2. 2.

상기 실시예 1에서 제조한 페로브스카이트 구조를 갖는 촉매 2.0 g을 증류수 15 mL에 혼합하여 2시간 동안 교반하였다. 1 : 10의 무게비로 칼슘 산화물 (CaO), 스트론튬 산화물 (SrO) 및 바륨 산화물 (BaO)이 페로브스카이트 구조에 담지될 수 있도록, 증류수 5 mL에 칼슘 나이트레이트 사수화물 (calcium nitrate tetrahydrate) 0.8 g, 스트론튬 나이트레이트 (strontium nitrate) 0.4 g 및 바륨 나이트레이트 (barium nitrate) 0.3 g을 각각 혼합하였다. 이후. 1시간 동안 교반하고 교반한 용액을 상기 페로브스카이트 구조를 갖는 촉매를 포함하는 용액에 넣어 주고 4시간 동안 교반하였다. 상기 제조한 혼합 용액은 6시간 동안 105 ℃에서 공기 분위기 하에서 건조한 다음 900 ℃에서 8시간 동안 소성하여 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 제조하였다 (하기 표 1 참조).2.0 g of the catalyst having a perovskite structure prepared in Example 1 was mixed with 15 mL of distilled water and stirred for 2 hours. Calcium nitrate tetrahydrate (calcium nitrate tetrahydrate) 0.8 in 5 mL of distilled water so that calcium oxide (CaO), strontium oxide (SrO) and barium oxide (BaO) can be supported on the perovskite structure in a weight ratio of 1:10 g, strontium nitrate (strontium nitrate) 0.4 g and barium nitrate (barium nitrate) 0.3 g were mixed, respectively. after. After stirring for 1 hour, the stirred solution was put into a solution containing the catalyst having the perovskite structure and stirred for 4 hours. The prepared mixed solution was dried under an air atmosphere at 105° C. for 6 hours, and then calcined at 900° C. for 8 hours to prepare a catalyst for oxidation dimerization of methane (see Table 1 below).

시험예test example 1. One.

상기 실시예 1 및 2에서 제조한 촉매로 연속식 반응기를 사용하여 메탄의 산화이량화 반응을 수행하였다. 반응 온도는 650 ℃로 고정하였다 (반응 조건; 반응 시간 (time on stream, TOS) = 0.5-3 시간, 총 유량 = 30 mL/min, 메탄 : 산소 : 질소 = 18 : 6 : 6의 부피비, GHSV = 10,000 h-1, 촉매 부피 = 0.18 mL). 반응 후 얻어진 기체 혼합물은 기체 크로마토그래피를 사용하여 분석하였다.The oxidation dimerization reaction of methane was performed using a continuous reactor with the catalyst prepared in Examples 1 and 2 above. The reaction temperature was fixed at 650 °C (reaction conditions; reaction time (time on stream, TOS) = 0.5-3 hours, total flow = 30 mL/min, methane: oxygen: nitrogen = 18: 6: 6 volume ratio, GHSV = 10,000 h -1 , catalyst volume = 0.18 mL). The gas mixture obtained after the reaction was analyzed using gas chromatography.

하기 표 1은 상기 실시예 1 및 2에서 제조한 다양한 촉매들에 대한 반응 결과를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the reaction results for the various catalysts prepared in Examples 1 and 2 above.

CatalystCatalyst 메탄 전환율(%)Methane Conversion (%) C2+ 탄화수소 선택도 (mol%)C 2+ hydrocarbon selectivity (mol%) C2+ 탄화수소 수율
(mol%)
C 2+ hydrocarbon yield
(mol%)
산소 전환율(%)Oxygen Conversion (%)
CaTiO3 CaTiO 3 9.09.0 0.50.5 0.040.04 11.911.9 SrTiO3 SrTiO 3 15.515.5 9.19.1 1.421.42 79.679.6 BaTiO3 BaTiO 3 4.54.5 5.45.4 0.250.25 21.721.7 BaSrTiO3 BaSrTiO 3 16.616.6 1.61.6 0.270.27 69.269.2 1:10 weight%1:10 weight% SrO/CaTiO3 SrO/CaTiO 3 10.210.2 18.318.3 1.881.88 30.230.2 BaO/CaTiO3 BaO/CaTiO 3 25.825.8 39.339.3 10.1310.13 96.596.5 CaO/SrTiO3 CaO/SrTiO 3 19.719.7 12.712.7 2.512.51 66.566.5 BaO/SrTiO3 BaO/SrTiO 3 26.926.9 37.037.0 9.979.97 96.596.5 CaO/BaTiO3 CaO/BaTiO 3 28.728.7 47.147.1 13.5213.52 98.098.0 SrO/BaTiO3 SrO/BaTiO 3 14.314.3 15.915.9 2.272.27 63.963.9

그 결과, 페로브스카이트 구조를 갖는 촉매 대비 이를 지지체로 이용하고 알칼리 토금속 산화물을 담지시킨 촉매가 현저하게 높은 메탄 전환율 및 C2+ 탄화수소 선택도를 나타내는 것을 확인하였다. As a result, it was confirmed that, compared to a catalyst having a perovskite structure, a catalyst using the same as a support and supporting an alkaline earth metal oxide exhibited significantly higher methane conversion and C 2+ hydrocarbon selectivity.

특히, 바륨 산화물 (BaO)이 칼슘 티타네이트 (Calcium titanate, CaTiO3) 또는 스트론튬 티타네이트 (Strontium titanate, SrTiO3)에 각각 담지된 촉매와 칼슘 산화물 (CaO)이 바륨 티타네이트 (Barium titanate, BaTiO3)에 담지된 촉매에서 메탄 전환율과 C2+ 탄화수소 선택도가 크게 증가하여 메탄의 산화이량화 반응을 촉진시켰음을 확인하였다. In particular, the barium oxide (BaO), calcium titanate (Calcium titanate, CaTiO 3) or strontium titanate (Strontium titanate, SrTiO 3) each of the supported catalyst and the calcium oxide (CaO) is barium titanate (Barium titanate, BaTiO 3 in ), it was confirmed that the methane conversion rate and the C 2+ hydrocarbon selectivity were greatly increased in the catalyst supported in ), thereby accelerating the oxidation dimerization reaction of methane.

칼슘 산화물 (CaO)을 바륨 티타네이트 (Barium titanate, BaTiO3)에 담지하여 제조한 촉매의 경우, 650 ℃의 온도 조건에서 메탄의 산화이량화 반응을 실시하였을 때 메탄의 전환율과 C2+ 탄화수소 화합물의 선택도를 크게 향상시켰고 가장 높은 C2+ 탄화수소 수율을 나타냄에 따라 낮은 온도에서도 메탄의 산화이량화 반응이 효과적으로 진행되었음을 확인하였다.In the case of a catalyst prepared by supporting the calcium oxide (CaO) to barium titanate (Barium titanate, BaTiO 3), when subjected to the methane sanhwayi dimerization reaction at a temperature condition of 650 ℃ of conversion and C 2+ hydrocarbons in the methane The selectivity was greatly improved and it was confirmed that the oxidation dimerization reaction of methane was effectively carried out even at a low temperature as it showed the highest C 2+ hydrocarbon yield.

또한, 페로브스카이트 구조에 바륨 (Ba)이 도핑 방법으로 포함되어 있는 BaSrTiO3 촉매와 대비하였을 때에도, 페로브스카이트 구조에 바륨 (Ba)이 산화물의 형태로 담지되어 있는 BaO/SrTiO3 촉매가 현저하게 높은 메탄 전환율 및 C2+ 탄화수소 선택도를 나타내었다. 이에 따라, 페로브스카이트 구조의 지지체에 알칼리 토금속 산화물을 담지함으로써 메탄의 산화이량화 반응 활성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.Further, the perovskite when a barium (Ba) in the structure hayeoteul compared with BaSrTiO 3 catalyst contained in the doping method, a perovskite structure, barium (Ba) is BaO / SrTiO 3 catalyst, which is supported in the form of oxide in showed remarkably high methane conversion and C 2+ hydrocarbon selectivity. Accordingly, it was confirmed that the oxidation dimerization reaction activity of methane can be greatly improved by supporting the alkaline earth metal oxide on the support of the perovskite structure.

이상, 본 개시물의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 태양일 뿐이며, 이에 의해 본 개시물의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 개시물의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.Above, specific parts of the present disclosure have been described in detail, for those of ordinary skill in the art, these specific techniques are only preferred embodiments, and it is clear that the scope of the present disclosure is not limited thereby. something to do. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present disclosure be defined by the appended claims and their equivalents.

10: 메탄, 산소, 비활성가스의 저장 장치
20: 메탄, 산소, 비활성가스의 혼합 장치
30: 가열 장치가 연결된 석영관 반응기
40: 반응 후 생성물의 냉각 및 포집을 위한 냉각 장치
50: 최종 생성물을 분석하기 위한 기체 크로마토그래피 장치
10: Methane, oxygen, inert gas storage device
20: methane, oxygen, inert gas mixing device
30: Quartz tube reactor with heating device connected
40: cooling device for cooling and collecting the product after the reaction
50: gas chromatography apparatus for analyzing the final product

Claims (11)

페로브스카이트 구조의 지지체; 및
상기 지지체에 담지된 알칼리 토금속 산화물을 포함하고,
상기 페로브스카이트 구조는 식 ABO3을 갖고, 상기 식에서 A는 Ca, Sr 및 Ba 중에서 선택된 어느 하나이며, B는 Ti이고,
상기 식에서 A가 Ca인 경우 상기 알칼리 토금속 산화물은 바륨 산화물이고,
상기 식에서 A가 Sr인 경우 상기 알칼리 토금속 산화물은 바륨 산화물이고,
상기 식에서 A가 Ba인 경우 상기 알칼리 토금속 산화물은 칼슘 산화물인, 메탄의 산화이량화 반응용 촉매.
support of perovskite structure; and
comprising an alkaline earth metal oxide supported on the support;
The perovskite structure has the formula ABO 3 , wherein A is any one selected from Ca, Sr and Ba, B is Ti,
In the above formula, when A is Ca, the alkaline earth metal oxide is barium oxide,
In the above formula, when A is Sr, the alkaline earth metal oxide is barium oxide,
In the above formula, when A is Ba, the alkaline earth metal oxide is calcium oxide, a catalyst for oxidation dimerization of methane.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 촉매는, 칼슘 산화물이 바륨 티타네이트에 담지된 것인, 메탄의 산화이량화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst is, the calcium oxide is supported on barium titanate, the catalyst for oxidation dimerization of methane.
제 1항에 있어서,
상기 촉매는 알칼리 토금속 산화물과 지지체를 1 : 5 내지 1 : 15의 중량비로 포함하는 것인, 메탄의 산화이량화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst includes an alkaline earth metal oxide and a support in a weight ratio of 1: 5 to 1: 15, a catalyst for oxidation dimerization of methane.
제 1항에 있어서,
상기 촉매는, 알칼리 토금속 전구체 수용액을 페로브스카이드 구조의 지지체 수용액과 혼합하여 알칼리 토금속을 산화물의 형태로 페로브스카이트 구조의 지지체에 담지한 것인, 메탄의 산화이량화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst is a catalyst for oxidation dimerization of methane, in which an alkaline earth metal precursor aqueous solution is mixed with an aqueous solution of a support having a perovskide structure and the alkaline earth metal is supported on a support having a perovskite structure in the form of an oxide.
제 1항에 있어서,
상기 촉매는 메탄으로부터 C2+ 탄화수소 화합물을 제조하는 것인, 메탄의 산화이량화 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst is to prepare a C 2+ hydrocarbon compound from methane, a catalyst for oxidation dimerization of methane.
제 7항에 있어서,
상기 C2+ 탄화수소 화합물은 에탄 (C2H6), 에틸렌 (C2H4) 및 아세틸렌 (C2H2)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것인, 메탄의 산화이량화 반응용 촉매.
8. The method of claim 7,
The C 2+ hydrocarbon compound is ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ) and acetylene (C 2 H 2 ) For the oxidation dimerization reaction of methane comprising at least one selected from the group consisting of catalyst.
제 1항, 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 메탄에 가하여 메탄으로부터 2개 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 화합물을 제조하는 것을 포함하는 메탄의 산화이량화 반응방법.
The oxidative dimerization of methane comprising preparing a hydrocarbon compound containing two or more carbon atoms from methane by adding the catalyst for the oxidative dimerization reaction of methane according to any one of claims 1 to 8 to methane reaction method.
제 9항에 있어서,
상기 방법은, 반응기 내에 메탄, 산소 및 비활성가스를 포함하는 혼합 가스를 투입하는 단계; 및
반응기 내에 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 가하여 메탄의 산화이량화 반응을 실시하는 단계를 포함하는 것인, 메탄의 산화이량화 반응방법.
10. The method of claim 9,
The method comprises the steps of: introducing a mixed gas containing methane, oxygen and an inert gas into the reactor; and
A method for oxidative dimerization of methane, comprising the step of adding a catalyst for oxidative dimerization of methane to a reactor to perform oxidative dimerization of methane.
제 10항에 있어서,
상기 메탄의 산화이량화 반응은 550 내지 750 ℃에서 실시하는 것인, 메탄의 산화이량화 반응방법.
11. The method of claim 10,
The oxidation dimerization reaction of methane is carried out at 550 to 750 ° C., the oxidation dimerization reaction method of methane.
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