KR102312917B1 - Catalyst compound and combustion device comprising thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 활성 탄소 기재; 상기 활성 탄소 기재 상에 제공되는 산점을 포함하고, 상기 산점은 브뢴스티드 산점(Bronsted acid site) 및 루이스 산점(Lewis acid site)을 포함하고, 상기 브뢴스티드 산점과 상기 루이스 산점의 비는 1.3 내지 1.6인, 촉매 화합물이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, an activated carbon substrate; and an acid site provided on the activated carbon substrate, wherein the acid site includes a Bronsted acid site and a Lewis acid site, and the ratio of the Bronsted acid site to the Lewis acid site is 1.3 to 1.6 Phosphorus, a catalyst compound is provided.

Description

촉매 화합물 및 촉매 화합물을 포함하는 연소 장치{CATALYST COMPOUND AND COMBUSTION DEVICE COMPRISING THEREOF}CATALYST COMPOUND AND COMBUSTION DEVICE COMPRISING THEREOF

본 발명은 촉매 화합물 및 촉매 화합물을 포함하는 연소 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst compound and a combustion device comprising the catalyst compound.

최근 항공기 기술의 발달로 종래보다 빠른 속도로 운행하는 항공기가 많아지고 있다. 강한 추진력을 확보하기 위하여 필수적인 기술 중 하나는 열을 제거하는 것이다. 항공기가 강한 추진력을 얻어 빠르게 이동할 때 항공기와 공기 간의 마찰로 인한 마찰열, 연료의 연소로 인한 연소 열이 매우 많이 발생하기 때문이다. 이러한 열은 적절히 제거되지 않으면 항공기를 구성하는 부속품의 변형을 야기하고, 이로 인해 항공기가 오작동할 수 있다.Recently, with the development of aircraft technology, more and more aircraft are operating at a higher speed than before. One of the essential techniques to secure a strong driving force is to remove heat. This is because, when an aircraft gains strong propulsion and moves quickly, frictional heat due to friction between the aircraft and air and combustion heat due to fuel combustion are generated very much. If not properly removed, this heat can cause deformation of the components that make up the aircraft, which can cause the aircraft to malfunction.

열을 제거하기 위하여 항공기에는 다양한 방열 부재가 제공된다. 예를 들어, 열 전도율이 높은 방열 패널, 냉각 배관 등이 연소 열을 제거하기 위해 제공된다. 그러나, 항공기의 특성 상 내부 공간이 한정적이고 항공기의 무게를 줄여야 한다는 한계가 있다. 따라서, 이러한 한계를 충족시키면서도 우수한 방열 효과를 제공하는 것은 매우 어렵다.In order to remove heat, various heat dissipating members are provided on the aircraft. For example, heat dissipation panels with high thermal conductivity, cooling piping, etc. are provided to remove combustion heat. However, due to the characteristics of the aircraft, the internal space is limited and the weight of the aircraft must be reduced. Therefore, it is very difficult to provide an excellent heat dissipation effect while satisfying these limitations.

최근 사용되는 효과적인 방열 방법은 흡열 연료를 사용하는 것이다. 흡열 연료는 연소되기 앞서 낮은 분자량의 물질로 분해될 수 있는데, 흡열 연료의 분해 반응은 열을 흡수하는 흡열 반응이다. 따라서, 항공기에 발생되는 열이 흡열 연료 분해 반응의 반응 열로 사용되면서, 방열 효과가 제공될 수 있다.An effective heat dissipation method used recently is to use an endothermic fuel. The endothermic fuel can be decomposed into low molecular weight substances before combustion. The decomposition reaction of the endothermic fuel is an endothermic reaction that absorbs heat. Accordingly, while the heat generated in the aircraft is used as the reaction heat of the endothermic fuel decomposition reaction, a heat dissipation effect can be provided.

이러한 흡열 연료를 이용한 방열은 항공기에 사용되는 연료를 이용한다는 점에서 항공기의 무게를 추가로 크게 증가시키거나 부피를 크게 증가시키지 않아 매우 유리하다. 다만, 흡열 연료를 이용한 방열 효과를 제공하기 위해서는 흡열 연료 분해 반응이 원활하게 진행되어야 한다. 따라서, 흡열 연료 분해 반응을 촉진할 수 있는 우수한 촉매 화합물이 필요하다.Heat dissipation using such an endothermic fuel is very advantageous because it does not significantly increase the weight or increase the volume of the aircraft in terms of using the fuel used for the aircraft. However, in order to provide the heat dissipation effect using the endothermic fuel, the endothermic fuel decomposition reaction must proceed smoothly. Therefore, there is a need for an excellent catalyst compound capable of promoting the endothermic fuel decomposition reaction.

본 발명은 흡열 연료의 분해 반응을 촉진할 수 있는 촉매 화합물과 촉매 화합물을 포함하여 흡열 연료 분해 반응이 촉진되고, 이에 따라 방열 성능이 우수한 연소 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a combustion device that includes a catalyst compound capable of promoting the decomposition reaction of an endothermic fuel and a catalyst compound, which promotes an endothermic fuel decomposition reaction, and thus has excellent heat dissipation performance.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 활성 탄소 기재; 상기 활성 탄소 기재 상에 제공되는 산점을 포함하고, 상기 산점은 브뢴스티드 산점(Bronsted acid site) 및 루이스 산점(Lewis acid site)을 포함하고, 상기 브뢴스티드 산점과 상기 루이스 산점의 비는 1.3 내지 1.6인, 촉매 화합물이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, an activated carbon substrate; and an acid site provided on the activated carbon substrate, wherein the acid site includes a Bronsted acid site and a Lewis acid site, and the ratio of the Bronsted acid site to the Lewis acid site is 1.3 to 1.6 Phosphorus, a catalyst compound is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산점은 약 산점(weak acid site), 중 산점(medium acid site), 및 강 산점(strong acid site) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 활성 탄소 기재 상의 상기 강 산점의 밀도는 0.5 mmol-NH3/g 내지 1.8 mol-NH3/g인, 촉매 화합물이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the acid site comprises at least one of a weak acid site, a medium acid site, and a strong acid site, wherein the steel on the activated carbon substrate is The catalyst compound is provided, wherein the density of acid sites is from 0.5 mmol-NH3/g to 1.8 mol-NH3/g.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물은 적어도 하나 이상의 포어를 갖고, 상기 포어는 메조포어(Mesopore) 및 마이크로포어(Micropore)를 포함하고, 상기 마이크로포어는 평균 직경이 약 2nm 이하인 포어이고 상기 메조포어는 마이크로포어 이외의 포어인, 촉매 화합물이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst compound has at least one or more pores, the pores include mesopores and micropores, and the micropores are pores having an average diameter of about 2 nm or less. A catalyst compound is provided, wherein the mesopores are pores other than micropores.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 메조포어의 체적은 0.4 cm3g-1 내지 0.6 cm3g-1인, 촉매 화합물이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the volume of the mesopores is 0.4 cm 3 g -1 to 0.6 cm 3 g -1 , the catalyst compound is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 포어의 평균 직경은 4.5nm 내지 6.0nm인, 촉매 화합물이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, the average diameter of the pores is 4.5nm to 6.0nm, the catalyst compound is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브뢴스티드 산점은 지방족 탄화수소 화합물의 카르보늄 이온(Carbonium Ion)으로의 전환을 촉진하는, 촉매 화합물이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the Bronsted acid site promotes the conversion of an aliphatic hydrocarbon compound to a carbonium ion (Carbonium Ion), a catalyst compound is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물은 비표면적이 560 m2g-1 내지 780 m2g-1 인, 촉매 화합물이 제공된다.According to one embodiment of the present invention, the catalyst compound has a specific surface area of 560 m 2 g -1 to 780 m 2 g -1 , the catalyst compound is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 배관으로부터 공급 받은 상기 연료를 연소시키는 연소실을 포함하고, 상기 연료 배관 일면에는 촉매 층이 제공되고, 상기 촉매 층은 활성 탄소 기재; 상기 활성 탄소 기재 상에 제공되는 산점을 포함하고, 상기 산점은 브뢴스티드 산점(Bronsted acid site) 및 루이스 산점(Lewis acid site)을 포함하고, 상기 브뢴스티드 산점과 상기 루이스 산점의 비는 1.3 내지 1.6인, 촉매 화합물을 포함하는, 연소 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a combustion chamber for burning the fuel supplied from the fuel pipe is provided, a catalyst layer is provided on one surface of the fuel pipe, and the catalyst layer is an activated carbon substrate; and an acid site provided on the activated carbon substrate, wherein the acid site includes a Bronsted acid site and a Lewis acid site, and the ratio of the Bronsted acid site to the Lewis acid site is 1.3 to 1.6 A combustion device comprising phosphorus, a catalyst compound is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물은 상기 연료에 포함된 탄화수소를 더 낮은 분자량을 갖는 탄화수소로 분해하는, 연소 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst compound decomposes hydrocarbons contained in the fuel into hydrocarbons having a lower molecular weight, a combustion device is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물에 의한 탄화수소의 분해는 흡열 반응이고, 상기 촉매 층은 상기 연소실로부터 발생하는 열을 흡수하는, 연소 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a combustion device, wherein the decomposition of hydrocarbons by the catalyst compound is an endothermic reaction, and the catalyst layer absorbs heat generated from the combustion chamber.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡열 연료 분해 반응을 촉진할 수 있는 촉매 화합물이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a catalyst compound capable of promoting an endothermic fuel decomposition reaction is provided.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매 화합물을 포함하여 흡열 연료 분해 반응이 촉진되고, 이에 따라 방열 성능이 우수한 연소 장치가 제공된다.In addition, according to an embodiment of the present invention, an endothermic fuel decomposition reaction is promoted by including a catalyst compound, and thus a combustion device having excellent heat dissipation performance is provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 활성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 활성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 활성을 나타낸 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing a combustion device according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are graphs showing compositions of catalyst compounds according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
3 is a graph showing the composition of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
4 is a graph showing the composition of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
5 is a graph showing the composition of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
6 is a graph showing the activity of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
7 is a graph showing the activity of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
8 is a graph showing the activity of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 분해 반응을 촉진하기 위한 촉매 화합물이 제공된다. 촉매 화합물에 의해 촉진되는 연료 분해 반응은 흡열 반응이기 때문에, 연료 분해 반응이 수행될 때 주변의 열이 제거될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a catalyst compound for accelerating a fuel cracking reaction is provided. Since the fuel cracking reaction promoted by the catalyst compound is an endothermic reaction, ambient heat can be removed when the fuel cracking reaction is performed.

촉매 화합물은 활성 탄소 기재와 활성 탄소 기재 상에 제공되는 산점을 포함한다.The catalyst compound comprises an activated carbon substrate and an acid site provided on the activated carbon substrate.

활성 탄소 기재는 다양한 소스로부터 얻어진 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 활성 탄소 기재로서 비튜멘-유래(bituminous coalderived) 활성탄, 석유 피치-유래(petroleum pitch-derived) 활성탄 등을 사용할 수 있다. As the activated carbon substrate, those obtained from various sources may be used. For example, bituminous coal-derived activated carbon, petroleum pitch-derived activated carbon, or the like may be used as the activated carbon substrate.

활성 탄소 기재는 적어도 하나 이상의 포어(Pore)를 포함할 수 있다. 포어는 활성 탄소 기재의 일면이 오픈된 기공 형태로 제공될 수 있으며, 다양한 형상과 다양한 크기를 가질 수 있다. 상술한 포어는 메조포어(Mesopore)와 마이크로포어(Micropore)를 포함할 수 있다. 메조포어는 직경의 길이가 약 2nm 이상인 포어를 의미하고, 마이크로포어는 직경의 길이가 약 2nm 이하인 포어를 의미할 수 있다. 이때 포어의 직경은 포어의 평균 직경을 의미하며, 포어가 비정형 형태인 경우, 포어와 입구와 동일한 면적을 가진 원의 직경을 포어의 직경으로 근사할 수 있다.The activated carbon substrate may include at least one or more pores. The pores may be provided in the form of pores having one surface of the activated carbon substrate open, and may have various shapes and various sizes. The aforementioned pores may include mesopores and micropores. Mesopores may mean pores having a diameter of about 2 nm or more, and micropores may mean pores having a diameter of about 2 nm or less. In this case, the diameter of the pore means the average diameter of the pore, and when the pore has an atypical shape, the diameter of a circle having the same area as the pore and the inlet may be approximated as the diameter of the pore.

활성 탄소 기재에 포함된 포어의 평균 직경은 약 4.5nm 내지 약 6.0nm일 수 있다. 상술한 포어의 평균 직경은 메조포어와 마이크로포어를 포함하는 모든 포어의 평균 직경을 의미할 수 있다. 포어가 상술한 크기의 평균 직경을 가짐에 따라, 포어 내에서 코크가 생성되어 누적되는 것을 막을 수 있다. 또한 반응물과, 중간 생성물, 최종 생성물이 포어 내외를 자유롭게 이동할 수 있게 되어 촉매 활성이 우수하다.The average diameter of the pores included in the activated carbon substrate may be about 4.5 nm to about 6.0 nm. The above-mentioned average diameter of pores may mean the average diameter of all pores including mesopores and micropores. As the pores have the average diameter of the size described above, it is possible to prevent coke from being generated and accumulated in the pores. In addition, the reactants, intermediate products, and final products can freely move in and out of the pores, so the catalytic activity is excellent.

활성 탄소 기재에 포함된 포어는 연료 분해 반응 및 코크 형성 억제에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 연료를 수소화 분해(hydrocracking)하는 과정 중 전환율을 높이고 코크 형성을 억제하기 위하여는 메조포어의 비표면적 및 체적이 중요하게 고려될 수 있다. 메조포어는 탄화수소의 자유 라디컬의 확산을 용이하게 하고 탄화수소 분자의 중합 또는 축합을 억제하는 흡착점을 제공할 수 있다. 또는 활성 탄소 기재의 메조포어가 미셀(micelles) 및 응집물(aggregate)이 촉매 활성점에 용이하게 접근하도록 하여 코크 형성을 억제할 수 있다.The pores included in the activated carbon substrate may affect the fuel decomposition reaction and coke formation inhibition. For example, the specific surface area and volume of the mesopores may be considered important in order to increase the conversion rate and suppress the formation of coke during the process of hydrocracking fuel. Mesopores can provide adsorption sites that facilitate diffusion of free radicals of hydrocarbons and inhibit polymerization or condensation of hydrocarbon molecules. Alternatively, activated carbon-based mesopores allow micelles and aggregates to easily access the catalytically active site, thereby inhibiting coke formation.

활성 탄소 기재에 포함된 메조포어의 체적은 약 0.4 cm3g-1 내지 약 0.6 cm3g-1일 수 있다. 메조포어의 체적이 약 0.4 m2g-1 미만일 경우, 메조포어에 의한 코크 형성 억제 효과가 저하될 수 있다. 반면, 메조포어의 체적이 약 0.6 m2g-1을 초과할 경우 촉매 활성이 저하될 우려가 있다.The volume of the mesopores included in the activated carbon substrate may be from about 0.4 cm 3 g -1 to about 0.6 cm 3 g -1 . When the volume of the mesopores is less than about 0.4 m 2 g -1 , the effect of inhibiting coke formation by the mesopores may be reduced. On the other hand, when the volume of the mesopores exceeds about 0.6 m 2 g -1 , there is a fear that the catalytic activity is reduced.

활성 탄소 기재 또는 촉매 화합물은 비표면적이 약 560 m2g-1 내지 약 780 m2g-1일 수 있다. 활성 탄소 기재의 비표면적이 상술한 범위로 제공됨에 따라, 촉매 반응이 충분히 넓은 면적에서 수행되면서도 단위 촉매 화합물의 크기를 작게 유지할 수 있다.The activated carbon substrate or catalyst compound may have a specific surface area of from about 560 m 2 g −1 to about 780 m 2 g −1 . As the specific surface area of the activated carbon substrate is provided in the above range, the size of the unit catalyst compound can be kept small while the catalytic reaction is performed over a sufficiently large area.

활성 탄소 기재 상에는 산점이 제공된다. 산점은 활성 탄소 기재에 산성을 띠는 작용기가 결합한 형태로 제공될 수 있다. 상기 산점은 브뢴스티드 산점(Bronsted acid site) 및 루이스 산점(Lewis acid site)을 포함한다.Acid sites are provided on the activated carbon substrate. The acid site may be provided in a form in which an acidic functional group is bonded to the activated carbon substrate. The acid sites include Bronsted acid sites and Lewis acid sites.

산점은 연료 분해 반응을 촉진하는 촉매 활성점으로 기능할 수 있다. 산점은 구체적으로, 탄화수소(Hydrocarbon) 화합물을 저분자의 탄화수소 화합물로 분해하는 반응을 촉진할 수 있다.The acid sites can serve as catalytically active sites that promote fuel cracking reactions. The acid site may specifically promote a reaction for decomposing a hydrocarbon compound into a low molecular hydrocarbon compound.

예를 들어 연료가 n-도데칸인 경우, 연료의 분해 반응은 브뢴스티드 산점에서 반응물의 양성자 이전 반응(Protolysis)로부터 시작하여 펜타 배위 카르보늄 이온을 형성하는 것으로 시작될 수 있다. n-도데칸 카르보늄 이온은 작은 분자의 파라핀 또는 수소 분자와 카르베늄 이온으로 해리된다. 추가적으로 루이스 산점에서 수행되는 n-도데칸의 수화물 추출 반응에 의해 카르베늄 이온이 형성된다.For example, if the fuel is n-dodecane, the decomposition reaction of the fuel may begin with the formation of penta-coordinated carbonium ions starting from protolysis of the reactant at the Bronsted acid site. The n-dodecane carbonium ion dissociates into small molecules of paraffin or hydrogen molecules and carbenium ions. Additionally, carbenium ions are formed by the hydrate extraction reaction of n-dodecane carried out at the Lewis acid site.

형성된 카르베늄 이온은 중간 생성물과 수화물 전이 반응을 일으키거나 더 작은 카르베늄 이온으로 분해될 수 있다. 이에 따라, 알칸과 알켄 화합물이 만들어질 수 있다. 생성된 알칸과 알켄 화합물을 앞서 서술한 반응과 동일한 메커니즘을 거쳐 더 작은 분자량의 분자로 분해될 수 있다.The carbenium ions formed can undergo hydrate transfer reactions with intermediate products or decompose into smaller carbenium ions. Accordingly, alkane and alkene compounds can be made. The produced alkane and alkene compound can be decomposed into molecules of smaller molecular weight through the same mechanism as the reaction described above.

상술한 것과 같이 브뢴스티드 산점과 루이스 산점은 서로 상이한 기작에 의해 탄화수소 화합물을 더 작은 분자량의 분자로 분해한다. 따라서, 브뢴스티드 산점과 루이스 산점을 모두 포함함에 따라, 다양한 기작으로 탄화수소 화합물을 분해할 수 있어서 연료 분해 반응의 활성화 에너지를 크게 낮출 수 있다.As described above, the Bronsted acid site and the Lewis acid site decompose the hydrocarbon compound into molecules of smaller molecular weight by different mechanisms. Accordingly, since both Bronsted acid sites and Lewis acid sites are included, hydrocarbon compounds can be decomposed by various mechanisms, thereby greatly reducing the activation energy of the fuel decomposition reaction.

브뢴스티드 산점과 상기 루이스 산점의 비(브뢴스티드 산점의 수/루이스 산점의 수)는 약 1.3 내지 약 1.6일 수 있다. 상술한 범위로 브뢴스티드 산점과 루이스 산점이 제공됨에 따라, 카르베늄 이온의 형성, 카르보늄 이온의 형성, 및 탄화수소 화합물의 분해가 효율적으로 수행될 수 있다.The ratio of the Bronsted scattering points to the Lewis scattering points (the number of Bronsted scattering points/the number of Lewis scattering points) may be about 1.3 to about 1.6. As the Bronsted acid point and the Lewis acid point are provided in the above-described ranges, the formation of carbenium ions, formation of carbonium ions, and decomposition of hydrocarbon compounds can be efficiently performed.

산점은 약 산점(weak acid site), 중 산점(medium acid site), 및 강 산점(strong acid site)를 포함할 수 있다. 약 산점, 중 산점, 및 강 산점은 암모니아 승온 탈착(NH3-TPD) 수행 시 나타나는 피크의 위치에 따라 나누어질 수 있다. 구체적으로 약 산점은 피크의 위치가 약 323K 내지 약 473K이고, 중 산점은 피크의 위치가 약 473K 내지 약 773K이고, 강 산점은 피크의 위치가 약 773K 내지 약 923K일 수 있다. Acid sites may include weak acid sites, medium acid sites, and strong acid sites. A weak acid point, a medium acid point, and a strong acid point may be divided according to the position of a peak that appears when ammonia elevated temperature desorption (NH 3 -TPD) is performed. Specifically, the weak scattering point may have a peak position of about 323K to about 473K, a medium scattering point may have a peak position of about 473K to about 773K, and a strong scattering point may have a peak position of about 773K to about 923K.

강 산점은 앞서 서술한 형성된 카르베늄 이온 등을 안정화시킬 수 있으며 이에 따라 안정된 카르베늄 이온으로부터 저 분자량의 탄화수소를 생성하기 위한 연쇄 반응이 진행될 수 있다. 강 산점의 밀도는 약 0.5 mmol-NH3/g 내지 약 1.8 mol-NH3/g일 수 있다. 상술한 범위로 강 산점이 제공됨에 따라 카르베늄 이온의 안정화 및 안정된 카르베늄 이온으로부터 진행되는 연료의 연쇄 분해 반응이 보다 원활하게 일어날 수 있다. 이에 따라 촉매에 의한 연료 분해 반응 효율이 향상될 수 있다.The strong acid site may stabilize the above-described formed carbenium ions and the like, and thus a chain reaction for generating low molecular weight hydrocarbons from the stable carbenium ions may proceed. The density of strong acid sites may be from about 0.5 mmol-NH3/g to about 1.8 mol-NH3/g. As a strong acid site is provided in the above-described range, stabilization of carbenium ions and a chain decomposition reaction of fuel proceeding from stable carbenium ions may occur more smoothly. Accordingly, the fuel decomposition reaction efficiency by the catalyst may be improved.

산점은 활성 탄소 기재를 산소 분위기 하에서 열처리하는 반응을 포함하는 일련의 공정에 의해 제조될 수 있다.The acid site may be prepared by a series of processes including a reaction of heat-treating an activated carbon substrate in an oxygen atmosphere.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 화합물은 탄화수소를 포함하는 연료를 저 분자량의 탄화수소로 분해하는데 이용될 수 있다. 촉매 화합물의 존재로 인하여 연료 분해 반응이 촉진되고, 이에 따라 연료 분해 반응에 따른 반응열 흡수가 활발하게 일어난다. 반응열 흡수를 이용하여 항공기에서 발생하는 열을 제거할 수 있다.The catalyst compound according to an embodiment of the present invention may be used to decompose fuel containing hydrocarbons into low molecular weight hydrocarbons. Due to the presence of the catalyst compound, the fuel decomposition reaction is promoted, and accordingly, reaction heat absorption according to the fuel decomposition reaction occurs actively. Reaction heat absorption can be used to remove the heat generated by the aircraft.

이하에서는 상술한 촉매 화합물을 포함하는 연소 장치에 대하여 살펴보고자 한다.Hereinafter, a combustion device including the above-described catalyst compound will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 장치를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a combustion device according to an embodiment of the present invention.

연소 장치(10)는 이동체에 제공되어 이동체가 추진될 수 있도록 추진력을 제공하는 장치일 수 있다. 연소 장치(10)는 예를 들어, 선박, 항공기, 자동차, 트럭, 버스 등에 제공될 수 있다.The combustion device 10 may be a device that is provided to a moving body to provide a driving force so that the moving body can be propelled. Combustion device 10 may be provided, for example, on a ship, aircraft, automobile, truck, bus, or the like.

연소 장치(10)는 연료 배관(100) 및 연소실(200)을 포함한다.The combustion device 10 includes a fuel pipe 100 and a combustion chamber 200 .

연료 배관(100)은 이동체 내에 저장된 연료를 연소실(200)로 이동시키기 위한 통로이다. 연료 배관(100)에는 따라서 저장된 연료를 끌어올리고 이동시키기 위한 펌프가 더 제공될 수 있다.The fuel pipe 100 is a passage for moving the fuel stored in the moving body to the combustion chamber 200 . The fuel pipe 100 may thus further be provided with a pump for pulling up and moving the stored fuel.

연료 배관(100)은 사각 덕트, 원형 파이프 등 다양한 형태로 제공될 수 있다. 연료 배관(100)의 직경과 길이는 이동체의 종류 및 형태에 따라 달라질 수 있다.The fuel pipe 100 may be provided in various forms, such as a square duct, a round pipe, and the like. The diameter and length of the fuel pipe 100 may vary depending on the type and shape of the moving body.

연료 배관(100)은 연소실(200)과 인접하여 제공될 수 있다. 이에 따라, 연소실(200)에서 발생된 열이 연료 배관(100)으로 확산될 수 있다. 연료 배관(100)으로 확산된 열을 연료 배관(100) 내부를 지나는 연료를 가열한다. 연료가 가열되어 제공됨에 따라 연소실(200)에서 보다 빠르고 효율적으로 연료가 연소될 수 있다.The fuel pipe 100 may be provided adjacent to the combustion chamber 200 . Accordingly, heat generated in the combustion chamber 200 may be diffused to the fuel pipe 100 . The heat diffused to the fuel pipe 100 heats the fuel passing through the fuel pipe 100 . As the fuel is heated and provided, the fuel may be burned faster and more efficiently in the combustion chamber 200 .

연료 배관(100) 일면에는 촉매 층(150)이 제공된다. 촉매 층은 상술한 것과 같은 촉매 화합물을 포함한다. 촉매 화합물은 연료 배관(100)을 지나는 연료를 분해할 수 있다. 구체적으로, 탄화수소 화합물을 포함하는 연료는 촉매 화합물에 의하여 낮은 분자량의 탄화수소 분자로 분해된다. 예를 들어, n-도데칸과 같은 연료는 탄소수가 1~4인 알칸, 알켄, 또는 알켄 분자로 분해될 수 있다.A catalyst layer 150 is provided on one surface of the fuel pipe 100 . The catalyst layer comprises a catalyst compound as described above. The catalyst compound may decompose the fuel passing through the fuel piping 100 . Specifically, the fuel containing hydrocarbon compounds is decomposed into low molecular weight hydrocarbon molecules by the catalyst compound. For example, fuels such as n-dodecane can be decomposed into molecules of alkanes, alkenes, or alkenes having 1 to 4 carbon atoms.

촉매 층(150)의 상술한 반응은 흡열 반응이다. 이에 따라, 연료 분해에 필요한 반응열만큼을 연소실(200)로부터 흡수할 수 있다. 특히, 연료 배관(100)이 연소실(200)과 인접하여 제공됨에 따라, 연소실(200)에서 발생하는 열이 연료 배관(100) 내부의 연료에 제공될 수 있다. 연료에 제공된 열은 연료 분해 반응의 반응열로 소모될 수 있다. 이에 따라, 연소실(200)에서 발생한 열이 제거될 수 있다.The above-described reaction of the catalyst layer 150 is an endothermic reaction. Accordingly, only the reaction heat required for fuel decomposition can be absorbed from the combustion chamber 200 . In particular, as the fuel pipe 100 is provided adjacent to the combustion chamber 200 , heat generated in the combustion chamber 200 may be provided to the fuel inside the fuel pipe 100 . The heat provided to the fuel can be consumed as reaction heat of the fuel decomposition reaction. Accordingly, heat generated in the combustion chamber 200 may be removed.

촉매 층(150)은 연료 배관(100) 내에 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 촉매 층(150)은 연료 배관(100)의 안쪽 표면을 커버하는 형태로 제공될 수 있다. 또는 촉매 층(150)은 격자 형태로 연료 배관(100) 내부에 위치하여 보다 넓은 면적에서 연료와 접촉할 수 있다. 촉매 층(150)의 형태는 연료 배관(100)의 형태 및 이동체의 종류 등에 따라 달리할 수 있다.The catalyst layer 150 may be provided in various forms in the fuel pipe 100 . For example, the catalyst layer 150 may be provided to cover the inner surface of the fuel pipe 100 . Alternatively, the catalyst layer 150 may be positioned inside the fuel pipe 100 in a lattice form to contact the fuel over a larger area. The shape of the catalyst layer 150 may vary depending on the shape of the fuel pipe 100 and the type of moving body.

연소실(200)은 촉매 층(150)을 거쳐 저분자의 화합물로 분해된 연료가 연소되는 곳이다. 연료는 연소실(200) 내에 제공된 연소 팁(210)에서 점화되어 연소될 수 있다. 연료의 연소에 의해 이동체는 추진력을 얻을 수 있다.The combustion chamber 200 is a place where fuel decomposed into low molecular weight compounds through the catalyst layer 150 is burned. The fuel may be ignited and combusted at a combustion tip 210 provided in the combustion chamber 200 . By burning the fuel, the moving body can obtain propulsion.

본 발명의 일 실시예에 따르면 촉매 화합물이 연료를 분해하면서 반응 열을 흡수하고 이에 따라 이동체에 방열 효과를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst compound absorbs reaction heat while decomposing the fuel, thereby providing a heat dissipation effect to the moving body.

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 화합물 및 촉매 화합물을 포함하는 연소 장치의 구성에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 상술한 촉매 화합물의 유리한 효과에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.In the above, a catalyst compound according to an embodiment of the present invention and a configuration of a combustion device including the catalyst compound have been described. Hereinafter, the advantageous effects of the above-described catalyst compounds will be looked at in more detail.

시험예 1. 촉매 화합물의 물리적 특성 시험Test Example 1. Physical property test of catalyst compound

실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물을 준비한 후, 그 물리적 특성을 시험하였다. 실시예 1과 실시예 2에 따른 촉매 화합물은 30 메쉬(mesh) 내지 50 메쉬 크기의 활성 차콜을 공기 중에서 약 2시간동안 각각 약 673K와 약 473K에서 산화시켜 제조하였다. 실시예 1 및 실시예 2에 따른 촉매 화합물은 상온으로부터 약 5K/min 속도로 가열됨으로써 제조되었다.After preparing the catalyst compounds according to Examples and Comparative Examples, their physical properties were tested. The catalyst compounds according to Examples 1 and 2 were prepared by oxidizing active charcoal having a size of 30 mesh to 50 mesh at about 673 K and about 473 K, respectively, for about 2 hours in air. Catalyst compounds according to Examples 1 and 2 were prepared by heating from room temperature at a rate of about 5 K/min.

비교예 1에 따른 촉매 화합물로는 아무 처리도 하지 않은 활성 차콜을 사용하였으며, 비교예 2에 따른 촉매 화합물로는 ZSM-5 제올라이트(SiO2/Al2O3 몰 비 = 23)를 사용하였다.As the catalyst compound according to Comparative Example 1, untreated active charcoal was used, and as the catalyst compound according to Comparative Example 2, ZSM-5 zeolite (SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio = 23) was used.

시료sample 비표면적
(m2g-1)
specific surface area
(m 2 g -1 )
마이크로포어 비표면적
(m2g-1)
micropore specific surface area
(m 2 g -1 )
메조포어 비표면적
(m2g-1)
mesopore specific surface area
(m 2 g -1 )
체적
(cm3g-1)
volume
(cm 3 g -1 )
마이크로포어 체적
(cm3g-1)
micropore volume
(cm 3 g -1 )
메조포어 체적
(cm3g-1)
mesopore volume
(cm 3 g -1 )
포어 평균직경
(nm)
average pore diameter
(nm)
사용 전before use 비교예2Comparative Example 2 294294 248248 4646 0.180.18 0.120.12 0.060.06 2.52.5 비교예1Comparative Example 1 575575 323323 252252 0.430.43 0.170.17 0.260.26 4.84.8 실시예2Example 2 563563 318318 245245 0.420.42 0.170.17 0.250.25 4.84.8 실시예1Example 1 769769 356356 413413 0.700.70 0.180.18 0.520.52 5.75.7 사용 후after use 비교예2Comparative Example 2 8.58.5 -- 8.58.5 0.0250.025 0.00060.0006 0.02440.0244 226226 비교예1Comparative Example 1 176176 47.647.6 128.4128.4 0.170.17 0.020.02 0.150.15 5.35.3 실시예2Example 2 147147 26.926.9 120.1120.1 0.160.16 0.010.01 0.150.15 5.45.4 실시예1Example 1 126126 24.724.7 101.3101.3 0.160.16 0.010.01 0.150.15 6.76.7

표 1을 참고하면 실시예에 따른 촉매 화합물은 비교예에 따른 촉매 화합물보다 더 넓은 메조포어 체적을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 실시예에 따른 촉매 화합물이 비교예에 따른 촉매 화합물에 비하여 확장된 포어 구조를 갖는다는 것을 의미한다. 특히, 실시예 1에 따른 촉매 화합물은 고온에 의하여 포어 구조가 확장될 수 있음을 나타낸다. 실시예 1에 따른 촉매 화합물은 고온에 의하여 마이크로포어를 이루는 격벽 중 일부가 붕괴되고 이에 따라 메조포어가 생성될 수 있음을 나타낸다.Referring to Table 1, it can be seen that the catalyst compound according to the example has a larger mesopore volume than the catalyst compound according to the comparative example. This means that the catalyst compound according to the example has an expanded pore structure compared to the catalyst compound according to the comparative example. In particular, the catalyst compound according to Example 1 shows that the pore structure can be expanded by high temperature. The catalyst compound according to Example 1 shows that some of the partition walls constituting the micropores are collapsed by high temperature, and thus mesopores can be generated.

메조포어 구조의 증가와 비표면적의 증가로 인하여 코크 등의 탄소 적층에 의한 촉매 비활성화가 방지될 수 있다. 또한 메조포어를 통해 반응물과 중간 생성물이 자유롭게 이동함에 따라 촉매 활성 및 연쇄 반응 속도가 향상될 수 있다.Catalyst deactivation due to carbon deposition such as coke can be prevented due to an increase in the mesopore structure and an increase in specific surface area. In addition, as the reactants and intermediate products move freely through the mesopores, the catalytic activity and chain reaction rate can be improved.

시험예 2. XPS 분석Test Example 2. XPS analysis

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성을 XPS 분석을 통해 나타낸 것이다.2a and 2b show the composition of the catalyst compound according to an embodiment of the present invention and a comparative example through XPS analysis.

실시예와 비교예의 촉매 화합물의 표면 작용기 특성 및 구조적 결함에 관하여 분석하고자 XPS 분석을 실시하였다. 본 시험예에 제공된 실시예 및 비교예의 촉매 화합물은 시험예 1에서 제공된 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물과 동일하다.XPS analysis was performed to analyze the surface functional group characteristics and structural defects of the catalyst compounds of Examples and Comparative Examples. The catalyst compounds of Examples and Comparative Examples provided in this Test Example are the same as the catalyst compounds of Examples and Comparative Examples provided in Test Example 1.

도 2a는 촉매 화합물의 C1 피크 분석 결과이며, 도 2b는 촉매 화합물의 O1 피크 분석 결과이다.FIG. 2A is a C1 peak analysis result of the catalyst compound, and FIG. 2B is an O1 peak analysis result of the catalyst compound.

도 2a를 참고하면, 실시예와 비교예 모두 약 284.78 eV에서 주요 피크를 보였으며, 이는 활성 탄소 기재의 흑연 구조에 기인한 것이다. 또한 약 285.59 eV에서의 피크는 활성 탄소 기재 영역에서 다이아몬드 구조를 가진 탄소와 같은 구조적 결함에 기인한다. 약 286.19 eV, 약 287.21 eV 및 약 289.44 eV에서의 피크는 각각 1개, 2개, 및 3 개의 산소 원자에 결합 된 탄소 원자에 기인한다. 전기 음성적인 산소 원자가 탄소 원자에 양전하를 유도하기 때문이다. 마지막으로 약 291.17 eV에서의 피크는 π-π * 전이 손실 피크로 확인되었다. Referring to FIG. 2A , both the Example and the Comparative Example showed a main peak at about 284.78 eV, which is due to the graphite structure of the activated carbon substrate. Also, the peak at about 285.59 eV is due to structural defects such as carbon with diamond structure in the activated carbon-based region. The peaks at about 286.19 eV, about 287.21 eV, and about 289.44 eV are due to carbon atoms bonded to one, two, and three oxygen atoms, respectively. This is because the electronegative oxygen atom induces a positive charge on the carbon atom. Finally, the peak at about 291.17 eV was identified as a π-π * transition loss peak.

도 2b를 참고하면, 약 533.36 eV에서 O1 피크는 산소와 탄소의 단일 결합에 기인한다. 또한 약 531.80 eV의 피크는 산소와 탄소의 이중 결합에 기인하며, 약 530.29 eV 피크는 물리적으로 흡착된 산소 종에 기인한다.Referring to FIG. 2B , the O1 peak at about 533.36 eV is due to a single bond between oxygen and carbon. Also, the peak at about 531.80 eV is due to the double bond between oxygen and carbon, and the peak at about 530.29 eV is due to the physically adsorbed oxygen species.

실시예 2에 따른 촉매 화합물은 비교예 1에 따른 촉매 화합물과 비교하였을 때 산소에 결합 된 탄소 원자(CO, C=O, O-C=O)의 상대적인 양은 약 31.0%에서 약 22.4%로 감소한 반면, 탄소에 결합된 탄소(C-C, 결함 C)의 상대적 양은 약 63.4%에서 약 70%로 증가했다. 특히, 산소에 단일 결합 된 탄소 원자(C-O)의 양은 약 16.2%에서 약 9.8%로 현저하게 감소했다. 이는 단일 결합 산소의 양이 약 78.3%에서 약 47.0%로 감소했음을 보여주는 O1 피크 분석 결과와 일치한다.In the catalyst compound according to Example 2, the relative amount of carbon atoms bound to oxygen (CO, C = O, OC = O) was reduced from about 31.0% to about 22.4% when compared to the catalyst compound according to Comparative Example 1, The relative amount of carbon bound to carbon (CC, defect C) increased from about 63.4% to about 70%. In particular, the amount of carbon atoms single-bonded to oxygen (C-O) decreased significantly from about 16.2% to about 9.8%. This is consistent with the O1 peak analysis results showing that the amount of single bound oxygen decreased from about 78.3% to about 47.0%.

따라서 실시예에 따른 촉매 화합물을 제조하기 위한 산화 공정에 의하여 활성 탄소 기재 표면에 존재하는 약한 산소 결합 작용기(C-O)가 우선적으로 제거됨을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the weak oxygen-bonding functional group (C-O) present on the surface of the activated carbon substrate is preferentially removed by the oxidation process for preparing the catalyst compound according to the embodiment.

한편, 더 높은 온도에서 산화된 실시예 1에 따른 촉매 화합물은 탄소와 결합된 산소의 총량이 비교예에 따른 촉매 화합물과 유사하였다. 특히, 이중 산소 배위 탄소(C=O) 및 삼중 산소 배위 탄소(O-C=O)의 양이 약 12.6 %에서 약 18.1 %로 급격히 증가하여 분자 산소에 의한 탄소 원자의 재산화를 통해 강한 결합이 형성됨을 알 수 있다.Meanwhile, in the catalyst compound according to Example 1 oxidized at a higher temperature, the total amount of oxygen bound to carbon was similar to the catalyst compound according to Comparative Example. In particular, the amount of double oxygen coordinated carbon (C=O) and triple oxygen coordinated carbon (OC=O) rapidly increased from about 12.6% to about 18.1%, forming strong bonds through reoxidation of carbon atoms by molecular oxygen. can be known

시험예 3. FT-IR 분석Test Example 3. FT-IR analysis

도 3은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성을 FT-IR 분석을 통해 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing the composition of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention through FT-IR analysis.

실시예와 비교예의 촉매 화합물 표면에 제공된 화학 작용기를 조사하기 위하여 흡광도 모드에서 FT-IR 분석을 수행하였다. 본 시험예에 제공된 실시예 및 비교예의 촉매 화합물은 시험예 1에서 제공된 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물과 동일하다.In order to examine the chemical functional groups provided on the surface of the catalyst compounds of Examples and Comparative Examples, FT-IR analysis was performed in absorbance mode. The catalyst compounds of Examples and Comparative Examples provided in this Test Example are the same as the catalyst compounds of Examples and Comparative Examples provided in Test Example 1.

실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물 모두에서 약 2920cm-1와 약 2850 cm-1에 중심을 둔 두 밴드와 약 2985cm-1 내지 약 3666 cm-1의 광대역 밴드가 명확하게 관찰되었다. 이들은 잔류 메틸렌 작용기의 C-H 대칭 및 비대칭 신장 밴드가 약 2850cm-1 및 약 2920cm-1에서 나타난 것으로 확인된다. 이들 밴드는 비교예와 실시예의 스펙트럼 모두에서 발견되었으며, 강도 및 피크 형태 또한 동일 하였다. In both the catalyst compounds according to Examples and Comparative Examples, two bands centered at about 2920 cm -1 and about 2850 cm -1 and a broadband band from about 2985 cm -1 to about 3666 cm -1 were clearly observed. It is confirmed that CH symmetric and asymmetric elongation bands of residual methylene functional groups appear at about 2850 cm -1 and about 2920 cm -1 . These bands were found in both the spectra of the comparative example and the example, and the intensity and peak shape were also the same.

약 2985cm-1 내지 약 3666cm-1의 광대역 밴드는 O-H 스트레칭을 나타낸다. 이 밴드는 표면에 두 가지 형태의 하이드록실 화학 종에 의한 것으로, 약 3500 cm-1에서 카르복실 산과 약 3605cm-1 및 약 3393cm-1에서 페놀기로부터 O-H 스트레칭에 기인한다.A broad band from about 2985 cm −1 to about 3666 cm −1 indicates OH stretching. This band will be caused by the hydroxyl species two types of the surface, at about 3500 cm -1 on the carboxylic acid and about 3605cm -1 and about 3393cm -1 due to the OH group from a phenol stretching.

촉매 화합물에서 다른 산소-함유 작용기의 흡수 밴드는 약 2000cm-1 미만에서 나타났다. 약 1700cm-1 및 약 1560cm-1에서의 밴드는 각각 카복실산 및 케톤 작용기에서 C=O 부분의 스트레칭 진동에 기인한다. 또한, 약 1300cm-1 내지 약 1100cm-1 범위의 중첩 밴드는 에테르의 대칭 스트레칭 진동 및 페놀 작용기의 C-OH 스트레칭에 기인한다.Absorption bands of other oxygen-containing functional groups in the catalyst compound appeared below about 2000 cm −1 . The bands at about 1700 cm -1 and about 1560 cm -1 are due to stretching oscillations of the C=O moieties in the carboxylic acid and ketone functional groups, respectively. In addition, about 1300cm -1 to 1100cm -1 overlapping band of approximately range is due to the symmetrical stretching of the C-OH stretching vibration and the phenol functional group of ether.

전반적으로, 촉매 화합물 표면상의 지배적인 작용기는 하이드록실 및 케톤 종이었다. 산소-함유 작용기의 유형 및 AC 표면에서의 존재는 산화 전처리 온도에 민감하였고, 이는 시험예 2의 XPS 결과와 일치하였다. 예를 들어, 가장 고온에서 산화 처리된 실시예 1에 따른 촉매 화합물 스펙트럼에서 약 1700cm-1의 카르복실 산 스트레칭 밴드가 현저하게 관찰되었다.Overall, the dominant functional groups on the catalyst compound surface were hydroxyl and ketone species. The type of oxygen-containing functional groups and their presence on the AC surface were sensitive to the oxidation pretreatment temperature, which was consistent with the XPS results of Test Example 2. For example, a carboxylic acid stretching band of about 1700 cm -1 was remarkably observed in the spectrum of the catalyst compound according to Example 1, which was subjected to oxidation treatment at the highest temperature.

시험예 4. 산 특성 확인 (1)Test Example 4. Confirmation of acid properties (1)

도 4는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성 중 산 특성을 암모니아 승온 탈착(NH3-TPD)을 통해 분석한 그래프이다. 4 is a graph analyzing the acid properties of the composition of the catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention through ammonia elevated temperature desorption (NH 3 -TPD).

도 4의 NH3-TPD 프로파일에서 탈착 피크는 탈착 온도에 따라 약 산점(α: 323-473K), 중 산점(β: 473-773K), 및 강 산점(γ: 773-923K)으로 분류되었다. 피크 면적을 적분하여 산 밀도(ASD, mmol-NH3/g-cat)를 계산하고, 결과를 표 2에 요약 하였다.The desorption peak in the NH3-TPD profile of FIG. 4 was classified into a weak acid point (α: 323-473K), a medium acid point (β: 473-773K), and a strong acid point (γ: 773-923K) according to the desorption temperature. The acid density (ASD, mmol-NH 3 /g-cat) was calculated by integrating the peak area, and the results are summarized in Table 2.

시료sample 약 산점(α)
(mmol-NH3/g)
Weak scatter point (α)
(mmol-NH 3 /g)
중 산점(β)
(mmol-NH3/g)
middle acid (β)
(mmol-NH 3 /g)
강 산점(γ) (mmol-NH3/g)Strong acid point (γ) (mmol-NH 3 /g) 전체 산점(mmol-NH3/g)Total acid point (mmol-NH 3 /g) 브뢴스티드/루이스 산점 비Bronsted/Lewis Sanjomby 브뢴스티드 산점Bronsted Mountains 루이스 산점Lewis Scattered
비교예2Comparative Example 2 0.478(30)0.478 (30) 1.099(70)1.099(70) -- 1.5771.577 2.362.36 1.1081.108 0.4690.469 비교예1Comparative Example 1 0.080(8)0.080(8) 0.411(41)0.411(41) 0.521(51)0.521(51) 1.0121.012 1.011.01 0.5090.509 0.5030.503 실시예2Example 2 -- 0.361(40)0.361 (40) 0.542(60)0.542 (60) 0.9030.903 1.351.35 0.5180.518 0.3850.385 실시예1Example 1 0.052(3)0.052(3) -- 1.751(97)1.751 (97) 1.8031.803 1.481.48 1.0771.077 0.7260.726

비교예 2의 촉매 화합물에서는 약한 (α) 및 배지 (β) 탈착 피크 만이 관찰되었다. 활성 탄소 기재를 포함하는 촉매 화합물의 경우 산 특성은 비교예, 실시예 1, 실시예 2에서 큰 차이를 보였다. 실시예 2의 경우 이전 시험예에서 살펴보았듯이 표면의 산소 함량이 낮아 총 산 밀도가 비교예보다 낮았다. 대조적으로, 실시예 1의 경우, 카르복실산 작용기(O-C=O)의 존재로 인하여 산점의 세기뿐만 아니라 총 산 밀도도 증가했다. 구체적으로, 강 산점의 산 밀도는 비교예 2에서 약 0.521mmol-NH3/g었으나, 실시예 1에서는 약 1.751mmol-NH3/g으로 높게 측정되었다.In the catalyst compound of Comparative Example 2, only weak (α) and medium (β) desorption peaks were observed. In the case of the catalyst compound including the activated carbon substrate, the acid properties showed a significant difference in Comparative Examples, Examples 1 and 2, respectively. In the case of Example 2, the total acid density was lower than that of the comparative example because the oxygen content on the surface was low as seen in the previous test example. In contrast, in the case of Example 1, not only the intensity of acid sites but also the total acid density increased due to the presence of carboxylic acid functional groups (OC=O). Specifically, the acid density of the strong acid point was about 0.521 mmol-NH 3 /g in Comparative Example 2, but was measured as high as about 1.751 mmol-NH 3 /g in Example 1.

시험예 5. 산 특성 확인 (2)Test Example 5. Confirmation of acid properties (2)

도 5는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 조성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the composition of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

도 5의 그래프를 참고하면, NH3 흡착된 촉매 화합물의 FT-IR 스펙트럼을 통해 실시예와 비교예의 촉매 화합물에 존재하는 산의 유형을 확인할 수 있다. 비교예 2의 경우, 약 1470cm-1 및 약 1637cm-1의 흡착 밴드는 각각 브뢴스티드(B) 산점 및 루이스(L) 산점을 나타내는 것으로 확인된다. 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1의 경우, 약 1447cm-1 및 약 1606cm-1에 중심을 둔 두 밴드가 각각 브뢴스티드 산점 및 루이스 산점을 나타내는 것으로 확인된다. Referring to the graph of FIG. 5 , the types of acids present in the catalyst compounds of Examples and Comparative Examples can be confirmed through the FT-IR spectrum of the NH3 adsorbed catalyst compound. In the case of Comparative Example 2, it is confirmed that the adsorption bands of about 1470 cm -1 and about 1637 cm -1 represent Bronsted (B) and Lewis (L) scattered points, respectively. In the case of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, it is confirmed that two bands centered at about 1447 cm -1 and about 1606 cm -1 represent Bronsted scattering and Lewis scattering, respectively.

브뢴스티드 산점에 흡착된 NH4+ 이온의 양은 실시예의 촉매 화합물을 제조하기 위한 산화 공정 온도가 증가함에 따라 증가했다. 산화 공정 온도가 증가함에 따라 활성 탄소 기재는 루이스 산점 보다 브뢴스티드 산점이 더 풍부한 것으로 나타났다. The amount of NH 4+ ions adsorbed to the Bronsted acid sites increased as the oxidation process temperature for preparing the catalyst compounds of Examples increased. As the oxidation process temperature increased, the activated carbon substrate was found to be richer in Bronsted acid sites than Lewis acid sites.

시험예 6. 분해 반응 평가Test Example 6. Decomposition reaction evaluation

도 6은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 활성을 n-도데칸 분해 반응 결과 분석을 통해 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the activity of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention through n-dodecane decomposition reaction result analysis.

실시예와 비교예의 촉매 화합물을 사용하여 n-도데칸(n-dodecane) 분해 활성을 측정하였다. 본 시험예에 제공된 실시예 및 비교예의 촉매 화합물은 시험예 1에서 제공된 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물과 동일하며, 대조군은 촉매를 포함하지 않은 경우를 나타낸다.The decomposition activity of n-dodecane was measured using the catalyst compounds of Examples and Comparative Examples. Catalyst compounds of Examples and Comparative Examples provided in this Test Example are the same as catalyst compounds according to Examples and Comparative Examples provided in Test Example 1, and the control indicates a case in which the catalyst is not included.

n-도데칸 분해에 대한 촉매 활성은 서로 다른 온도 조건(약 673K, 약 723K, 및 약 773K) 및 약 4 MPa의 일정한 압력 조건에서 측정되었다. 대조군과 비교하였을 때 촉매 화합물이 도입 시 n-도데칸 분해에 의한 전환율 및 가스 수율이 현저하게 향상되었다. n-도데칸의 분해에 의한 전환율은 실시예 1이 가장 높았다. n-도데 칸의 분해는 촉매 표면상의 산점과 관련이 있기 때문에, 표 2의 총 산 밀도의 순서에 따라 n-도데칸의 전환율이 결정될 수 있다. Catalytic activity for n-dodecane decomposition was measured under different temperature conditions (about 673K, about 723K, and about 773K) and a constant pressure condition of about 4 MPa. When the catalyst compound was introduced, the conversion rate and gas yield by n-dodecane decomposition were significantly improved when compared with the control. Example 1 had the highest conversion rate by decomposition of n-dodecane. Since the decomposition of n-dodecane is related to the acid sites on the catalyst surface, the conversion of n-dodecane can be determined according to the order of the total acid density in Table 2.

장쇄 탄화수소를 가스 생성물로의 전환하기 위해서는 장쇄 탄화수소 내 C-C 결합이 완전히 분리되어야 한다. 이러한 반응은 강 산점에서 수행되며, 강 산점은 전체 반응의 활성화 에너지를 낮추는 기능을 수행하게 된다. 시험된 촉매 화합물들 중에서, 가스 수율은 실시예 1> 실시예 2> 비교예 1> 비교예 2> 대조군의 순서로 감소하였고, 이는 시험예 4의 강 산점의 순서와 일치 하였다. Conversion of long-chain hydrocarbons to gaseous products requires complete dissociation of the C-C bonds in the long-chain hydrocarbons. Such a reaction is carried out at a strong acid site, and the strong acid site performs a function of lowering the activation energy of the entire reaction. Among the tested catalyst compounds, the gas yield decreased in the order of Example 1> Example 2> Comparative Example 1> Comparative Example 2> Control, which was consistent with the order of strong acid sites in Test Example 4.

따라서, 실시예 1은 높은 산 밀도 및 많은 양의 강 산점으로 인해 다른 촉매에 비해 우수한 활성을 나타냄을 확인할 수 있었다.Therefore, it was confirmed that Example 1 exhibited superior activity compared to other catalysts due to high acid density and a large amount of strong acid sites.

시험예 7. 분해 반응 결과물 분포 분석Test Example 7. Analysis of the distribution of the decomposition reaction product

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물의 활성을 n-도데칸 분해 반응 결과물 분포 분석을 통해 나타낸 그래프이다. 본 시험예에 제공된 실시예 및 비교예의 촉매 화합물은 시험예 1에서 제공된 실시예와 비교예에 따른 촉매 화합물과 동일하며, 대조군은 촉매를 포함하지 않은 경우를 나타낸다.7 and 8 are graphs showing the activity of a catalyst compound according to an embodiment and a comparative example of the present invention through n-dodecane decomposition reaction product distribution analysis. Catalyst compounds of Examples and Comparative Examples provided in this Test Example are the same as catalyst compounds according to Examples and Comparative Examples provided in Test Example 1, and the control indicates a case in which the catalyst is not included.

도 7은 약 723K 및 약 4MPa 조건에서 n-도데칸의 촉매 분해에 의한 가스 생성물 분포를 보여준다. 에탄, 프로판 및 n-부탄이 주요 알칸 생성물이었으며, 에틸렌 및 1-부텐이 주요 알켄 생성물이었다. 7 shows the gas product distribution by the catalytic decomposition of n-dodecane at about 723K and about 4 MPa conditions. Ethane, propane and n-butane were the major alkane products, and ethylene and 1-butene were the major alkene products.

기체 생성물 분포는 촉매에 따라 다양하였다. 비교예 2의 촉매에 대한 기체 생성물의 분포는 알켄 대 알칸의 비가 약 0.7에 불과했다. 한편, 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1의 경우, 알켄 대 알칸 비가 증가하여 약 1.3 정도로 확인됐다.The gaseous product distribution varied depending on the catalyst. The distribution of gaseous product for the catalyst of Comparative Example 2 had an alkene to alkane ratio of only about 0.7. On the other hand, in the case of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, the alkene to alkane ratio increased and was confirmed to be about 1.3.

전체 생성물은 도 8에 나타낸 바와 같이 파라핀, C2-C4 올레핀, C5-C12 올레핀, 방향족, 및 나프텐으로 분류되었다. 촉매 없이 열분해가 수행된 경우, 파라핀 함량은 약 56 %를 초과하였다. C5-C12 올레핀의 함량은 비교예 2의 촉매 화합물을 사용하였을 때 가장 높았으며, 활성 탄소 기재를 사용하였을 때는 C5-C12 올레핀 함량이 대조군 시험 결과보다도 낮았다. 이는 촉매 표면에 존재하는 여러 유형의 산점에 영향 때문이다. 예를 들어, 비교예 2의 경우 약 산점을 다수 포함하고 있으며, 이에 따라 코크스 전구체인 방향족 탄화수소가 다수 형성되었다.The overall product was classified as paraffins, C2-C4 olefins, C5-C12 olefins, aromatics, and naphthenes as shown in FIG. 8 . When the pyrolysis was carried out without a catalyst, the paraffin content exceeded about 56%. The C5-C12 olefin content was the highest when the catalyst compound of Comparative Example 2 was used, and when the activated carbon substrate was used, the C5-C12 olefin content was lower than the control test results. This is due to the influence of the different types of acid sites present on the catalyst surface. For example, in Comparative Example 2, a large number of weak acid sites were included, and thus, a large number of aromatic hydrocarbons, which were coke precursors, were formed.

시험예 8. 방열 성능 시험Test Example 8. Heat dissipation performance test

시험예 1에 개시된 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1, 비교예 2의 촉매 화합물을 사용하여 n-도데칸 분해 반응을 수행할 때와, 촉매 없이 n-도데칸 분해 반응을 수행할 때(대조군)의 방열 성능을 시험하였다.When the n-dodecane decomposition reaction was performed using the catalyst compounds of Examples 1 and 2, and Comparative Examples 1 and 2 disclosed in Test Example 1, and the n-dodecane decomposition reaction was performed without a catalyst. The heat dissipation performance at the time (control) was tested.

방열 용량은 촉매를 사용함으로써 향상되었다. 시험 된 촉매들 중에서, 실시예 1의 촉매는 가장 높은 약 2,716kJ/kg의 방열 용량을 보였으며, 이는 촉매를 사용하지 않는 대조군보다 약 350kJ/kg 더 높은 것이었다. 약 2,502kJ/kg 내지 약 2,545kJ/kg 범위의 방열 용량을 보이는 비교예 1, 비교예 2에 비해서도 높은 것이다. 실시예의 촉매는 발달된 메조포어 구조 및 높은 밀도의 강 산점으로 인해 경질 알켄을 다수 생성하고 높은 n-도데칸의 전환율을 보였으며, 이에 따라 방열 성능 또한 우수한 것으로 나타났다.The heat dissipation capacity was improved by using a catalyst. Among the tested catalysts, the catalyst of Example 1 showed the highest heat dissipation capacity of about 2,716 kJ/kg, which was about 350 kJ/kg higher than the control without catalyst. It is also higher than Comparative Examples 1 and 2 showing a heat dissipation capacity in the range of about 2,502 kJ/kg to about 2,545 kJ/kg. The catalyst of Example produced a large number of light alkenes due to the developed mesopore structure and high density of strong acid sites, and showed a high conversion of n-dodecane, and thus also showed excellent heat dissipation performance.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the technical field will not depart from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that various modifications and variations of the present invention can be made without departing from the scope of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.Accordingly, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

10: 연소 장치 100: 연료 배관
150: 촉매 층 200: 연소실
210: 연소 팁
10: combustion device 100: fuel pipe
150: catalyst layer 200: combustion chamber
210: combustion tip

Claims (10)

활성 탄소 기재;
상기 활성 탄소 기재 상에 제공되는 산점을 포함하고,
상기 산점은 브뢴스티드 산점(Bronsted acid site) 및 루이스 산점(Lewis acid site)을 포함하고,
상기 브뢴스티드 산점과 상기 루이스 산점의 비는 1.3 내지 1.6이고,
상기 산점은 NH3-TPD 프로파일에서 탈착 온도에 따라 분류되는 약 산점(323-473K), 중 산점(473-773K), 강 산점(773-923K) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 활성 탄소 기재 상의 상기 강 산점의 밀도는 0.5 mmol-NH3/g 내지 1.8 mol-NH3/g인, 촉매 화합물.
activated carbon substrate;
an acid site provided on the activated carbon substrate;
The acid sites include Bronsted acid sites and Lewis acid sites,
The ratio of the Bronsted acid point to the Lewis acid point is 1.3 to 1.6,
The acid point includes at least one of a weak acid point (323-473K), a medium acid point (473-773K), and a strong acid point (773-923K), which are classified according to the desorption temperature in the NH3-TPD profile,
wherein the density of the strong acid sites on the activated carbon substrate is from 0.5 mmol-NH3/g to 1.8 mol-NH3/g.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 촉매 화합물은 적어도 하나 이상의 포어를 갖고,
상기 포어는 메조포어(Mesopore) 및 마이크로포어(Micropore)를 포함하고,
상기 마이크로포어는 평균 직경이 약 2nm 이하인 포어이고 상기 메조포어는 마이크로포어 이외의 포어인, 촉매 화합물.
According to claim 1,
the catalyst compound has at least one pore,
The pores include mesopores (Mesopore) and micropores (Micropore),
wherein the micropores are pores having an average diameter of about 2 nm or less and the mesopores are pores other than micropores.
제3항에 있어서,
상기 메조포어의 체적은 0.4 cm3g-1 내지 0.6 cm3g-1인, 촉매 화합물.
4. The method of claim 3,
The volume of the mesopores is 0.4 cm 3 g -1 to 0.6 cm 3 g -1 , the catalyst compound.
제3항에 있어서,
상기 포어의 평균 직경은 4.5nm 내지 6.0nm인, 촉매 화합물.
4. The method of claim 3,
The average diameter of the pores is 4.5 nm to 6.0 nm, the catalyst compound.
제1항에 있어서,
상기 브뢴스티드 산점은 지방족 탄화수소 화합물의 카르보늄 이온(Carbonium Ion)으로의 전환을 촉진하는, 촉매 화합물.
According to claim 1,
The Bronsted acid site promotes the conversion of an aliphatic hydrocarbon compound to a carbonium ion (Carbonium Ion), a catalyst compound.
제1항에 있어서,
상기 촉매 화합물은 비표면적이 560 m2g-1 내지 780 m2g-1 인, 촉매 화합물.
According to claim 1,
The catalyst compound has a specific surface area of 560 m 2 g -1 to 780 m 2 g -1 , the catalyst compound.
탄화수소를 포함하는 연료가 지나가는 연료 배관; 및
상기 연료 배관으로부터 공급 받은 상기 연료를 연소시키는 연소실을 포함하고,
상기 연료 배관 일면에는 촉매 층이 제공되고,
상기 촉매 층은
활성 탄소 기재;
상기 활성 탄소 기재 상에 제공되는 산점을 포함하고,
상기 산점은 브뢴스티드 산점(Bronsted acid site) 및 루이스 산점(Lewis acid site)을 포함하고,
상기 브뢴스티드 산점과 상기 루이스 산점의 비는 1.3 내지 1.6인, 촉매 화합물을 포함하고,
상기 산점은 NH3-TPD 프로파일에서 탈착 온도에 따라 분류되는 약 산점(323-473K), 중 산점(473-773K), 강 산점(773-923K) 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 활성 탄소 기재 상의 상기 강 산점의 밀도는 0.5 mmol-NH3/g 내지 1.8 mol-NH3/g인, 연소 장치.
a fuel pipe through which fuel containing hydrocarbons passes; and
and a combustion chamber for burning the fuel supplied from the fuel pipe,
A catalyst layer is provided on one surface of the fuel pipe,
The catalyst layer is
activated carbon substrate;
an acid site provided on the activated carbon substrate;
The acid sites include Bronsted acid sites and Lewis acid sites,
The ratio of the Bronsted acid site to the Lewis acid site is 1.3 to 1.6, including a catalyst compound,
The acid point includes at least one of a weak acid point (323-473K), a medium acid point (473-773K), and a strong acid point (773-923K), which are classified according to the desorption temperature in the NH3-TPD profile,
wherein the density of the strong acid sites on the activated carbon substrate is from 0.5 mmol-NH3/g to 1.8 mol-NH3/g.
제8항에 있어서,
상기 촉매 화합물은 상기 연료에 포함된 탄화수소를 더 낮은 분자량을 갖는 탄화수소로 분해하는, 연소 장치.
9. The method of claim 8,
The catalytic compound decomposes hydrocarbons contained in the fuel into hydrocarbons having a lower molecular weight.
제9항에 있어서,
상기 촉매 화합물에 의한 탄화수소의 분해는 흡열 반응이고,
상기 촉매 층은 상기 연소실로부터 발생하는 열을 흡수하는, 연소 장치.
10. The method of claim 9,
The decomposition of hydrocarbons by the catalyst compound is an endothermic reaction,
and the catalyst layer absorbs heat generated from the combustion chamber.
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