KR102477419B1 - Cobalt-based Single-atom Dehydrogenation Catalysts Having Improved Thermal Stability and Method for Producing Corresponding Olefins from Paraffins Using the Same - Google Patents

Cobalt-based Single-atom Dehydrogenation Catalysts Having Improved Thermal Stability and Method for Producing Corresponding Olefins from Paraffins Using the Same Download PDF

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Abstract

본 개시 내용에서는 실리카를 열처리 및 고온 수계 반응을 통하여 전처리한 후, 이를 지지체로 하여 단원자 형태의 코발트가 담지된 탈수소화 촉매 및 이의 제조방법, 그리고 상기 탈수소화 촉매의 존재 하에서 파라핀, 구체적으로 경질 파라핀을 탈수소화 반응시켜 이에 대응되는 올레핀을 제조하는 방법이 기재된다. In the present disclosure, after pretreatment of silica through heat treatment and high-temperature water-based reaction, a dehydrogenation catalyst carrying monoatomic cobalt using this as a support and a method for preparing the same, and paraffin in the presence of the dehydrogenation catalyst, specifically hard A method of dehydrogenating paraffins to produce the corresponding olefins is described.

Description

열적 내구성이 개선된 코발트계 단원자 탈수소화 촉매 및 이를 이용하여 파라핀으로부터 대응되는 올레핀을 제조하는 방법{Cobalt-based Single-atom Dehydrogenation Catalysts Having Improved Thermal Stability and Method for Producing Corresponding Olefins from Paraffins Using the Same}Cobalt-based Single-atom Dehydrogenation Catalysts Having Improved Thermal Stability and Method for Producing Corresponding Olefins from Paraffins Using the Same}

본 개시 내용은 열적 내구성이 개선된 코발트계 단원자 탈수소화 촉매 및 이를 이용하여 파라핀으로부터 대응되는 올레핀을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 실리카를 열처리 및 고온 수계 반응을 통하여 전처리한 후, 이를 지지체로 하여 단원자 형태의 코발트가 담지된 탈수소화 촉매 및 이의 제조방법, 그리고 상기 탈수소화 촉매의 존재 하에서 파라핀, 구체적으로 경질 파라핀을 탈수소화 반응시켜 이에 대응되는 올레핀을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a cobalt-based monoatomic dehydrogenation catalyst with improved thermal durability and a method for producing a corresponding olefin from paraffin using the same. More specifically, the present disclosure provides a dehydrogenation catalyst carrying monoatomic cobalt as a support after pretreatment of silica through heat treatment and high-temperature water-based reaction, a method for preparing the same, and paraffin in the presence of the dehydrogenation catalyst , Specifically, it relates to a method for producing olefins corresponding thereto by dehydrogenation of light paraffins.

최근, 지지체에 활성 금속을 담지하여 활용하는 촉매 기술이 관심을 받고 있는데, 특히 나노 기술이 발전함에 따라 나노 크기의 활성 금속을 지지체에 담지하여 활용하는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 그러나, 나노 크기의 활성 금속은 사이즈 분포가 넓으며, 불규칙한 형태학적 특성을 갖고 있기 때문에 기존의 촉매 대비 활성이 우수함에도 불구하고, 촉매로 활용될 경우에는 부반응을 유발하거나, 촉매의 비활성화가 급격히 진행되는 현상이 단점으로 지적되고 있다. Recently, a catalyst technology using an active metal supported on a support has attracted attention. In particular, with the development of nanotechnology, research on supporting and utilizing a nano-sized active metal on a support is being actively conducted. However, nano-sized active metals have a wide size distribution and irregular morphological characteristics, so they are superior in activity compared to conventional catalysts. However, when used as catalysts, side reactions or catalyst deactivation rapidly progress This phenomenon is pointed out as a disadvantage.

한편, 금속이 단원자 크기로 담지된 촉매의 경우, 나노 크기 이하의 원자 수준으로 금속 활성점의 크기를 감소시킴으로써 촉매 활성을 극대화할 수 있다. 특히, 극도로 단순화되고 이상적인 구조를 갖고 있기 때문에 계산과학 등을 통하여 얻은 이론적 결과를 모사하여 관련 연구를 수행하는데 적합한 장점을 제공한다. 이와 관련하여, 아연(Zn), 코발트(Co) 등과 같이 전이금속을 단원자 형태로 실리카 등의 지지체에 담지하여 경질 파라핀의 탈수소화 반응용 촉매로 사용된 예가 있다.On the other hand, in the case of a catalyst in which a metal is supported in a monoatomic size, the catalytic activity can be maximized by reducing the size of the metal active site to an atomic level of nanometer size or less. In particular, because it has an extremely simplified and ideal structure, it provides an advantage suitable for carrying out related research by simulating theoretical results obtained through computational science. In this regard, there is an example in which a transition metal, such as zinc (Zn) or cobalt (Co), is supported in a monoatomic form on a support such as silica and used as a catalyst for dehydrogenation of light paraffin.

또한, 단원자 형태의 활성 금속을 담지할 경우, 크래킹(cracking)의 최소화 및 반응 중 코크 생성 억제와 같은 장점이 보고된 바 있다(예를 들면, ACS Catal. 2014, 4, 4, 1091-1098). 다만, 상기 문헌 등에서는 반응물의 농도를 낮게 유지하기 위하여, 혼합 가스(반응물로서 3%의 프로판, 그리고 나머지 성분은 비활성 가스인 아르곤(Ar)으로 이루어진 혼합 가스)를 사용하여 부생성물을 억제하면서 파라핀을 이에 대응하는 올레핀으로 선택적으로 전환시키고, 촉매의 수명을 증가시키기 위하여 낮은 온도에서 반응시키는 등, 실제 상용 공정에서 적용하기 곤란하다. In addition, when the active metal in monatomic form is supported, advantages such as minimization of cracking and suppression of coke formation during the reaction have been reported (e.g., ACS Catal. 2014, 4, 4, 1091-1098 ). However, in the above literature, in order to keep the concentration of the reactants low, a mixed gas (a mixed gas consisting of 3% propane as a reactant and argon (Ar) as the remaining component) is used to suppress by-products and paraffin It is difficult to apply in a practical commercial process, such as selectively converting to olefin corresponding thereto and reacting at a low temperature to increase the life of the catalyst.

더욱이, 코발트 활성 금속을 단원자 형태로 지지체 상에 담지시킨 촉매의 존재 하에서 파라핀의 탈수소화 반응을 수행하는 방법의 경우, 고온에서 수행되는 탈수소화 반응에서 지지체 상에 고정된 코발트 원소의 상호 응집 현상 또는 환원 현상에 따른 코발트 금속 생성반응 등이 일어나기 때문에 장기적인 반응 안정성을 확보하는데 한계가 존재한다.Furthermore, in the case of a method for performing a dehydrogenation reaction of paraffin in the presence of a catalyst in which cobalt active metal is supported on a support in a monoatomic form, mutual aggregation of cobalt elements fixed on the support in the dehydrogenation reaction performed at a high temperature Alternatively, since a cobalt metal production reaction or the like occurs according to a reduction phenomenon, there is a limit to securing long-term reaction stability.

전술한 문제점을 억제하기 위하여 지지체에 알칼리 금속을 도입함으로써 지지체 표면의 코발트 활성 금속이 응집되는 현상을 줄이고자 하는 방법이 보고되었다(국내특허공개번호 제2020-0049209호). 그러나, 탈수소화 반응 시 고온에 지속적으로 노출됨에 따라 지지체의 수축 거동 등이 야기되어 활성 금속이 응집됨으로써 촉매의 안정성이 저하되는 문제점이 존재한다. 또한, 촉매 제조 중 도입된 알칼리 금속의 영향으로 인하여, 탈수소화 반응 중 실리카 지지체의 체적이 급격하게 감소한 결과, 표면적 감소에 따른 금속 이온의 응집 또는 소결 현상이 발생한다. 더욱이, 단원자 형태의 활성 금속을 담지하는 과정에서 알칼리 금속을 사용할 경우, 합성에 고비용의 복잡한 프로세스를 요구하는 등, 단원자 촉매를 상용화 규모로 합성하기 곤란하다. 따라서, 보다 간편하면서도 고온에서도 장기간에 걸쳐 활성 금속의 응집을 억제하여 단원자 형태를 유지할 수 있는 촉매의 제조방법이 요구된다. In order to suppress the above-described problems, a method for reducing aggregation of cobalt active metal on the surface of the support by introducing an alkali metal into the support has been reported (Korean Patent Publication No. 2020-0049209). However, there is a problem in that stability of the catalyst is lowered due to active metal aggregation caused by contraction behavior of the support due to continuous exposure to high temperatures during the dehydrogenation reaction. In addition, due to the effect of the alkali metal introduced during catalyst preparation, the volume of the silica support rapidly decreases during the dehydrogenation reaction, resulting in aggregation or sintering of metal ions due to the decrease in surface area. Moreover, when an alkali metal is used in the process of supporting a monoatomic active metal, it is difficult to synthesize a monoatomic catalyst on a commercial scale, such as requiring an expensive and complex process for synthesis. Therefore, there is a need for a simpler method for preparing a catalyst capable of maintaining a monoatomic form by suppressing aggregation of active metals over a long period of time even at high temperatures.

본 개시 내용의 일 구체예에서는 파라핀의 탈수소화 반응을 통하여 올레핀을 제조하는 반응에서와 같이 고온에 노출되는 경우에도 촉매 안정성 또는 장기 활성을 유지할 수 있는 단원자 형태의 코발트(Co) 담지 촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. In one embodiment of the present disclosure, a monoatomic form of cobalt (Co)-supported catalyst capable of maintaining catalyst stability or long-term activity even when exposed to high temperatures, such as in the reaction of preparing olefins through dehydrogenation of paraffin, and its It is intended to provide a manufacturing method.

본 개시 내용의 다른 구체예에서는 상업화에 적합하도록 고농도의 파라핀 함유 공급원료에 대하여도 파라핀의 전환율이 높고, 대응되는 올레핀에 대한 선택도가 우수한 탈수소화 공정을 제공하고자 한다.In another embodiment of the present disclosure, it is intended to provide a dehydrogenation process that has a high conversion rate of paraffin even for a high-concentration paraffin-containing feedstock and excellent selectivity for the corresponding olefin, suitable for commercialization.

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

단원자 형태의 코발트계 촉매의 제조방법으로서,As a method for producing a monoatomic cobalt-based catalyst,

a) 지지체로서 실리카를 600 내지 870℃의 범위에서 정하여지는 온도 조건 하에서 열처리하여 수축된 지지체를 유도함과 동시에 표면의 수산화기를 제거한 후, 고온 수계반응을 수행하는 것을 포함하는 전처리를 수행함으로써 실리카 상에 수산화기를 선택적으로 활성화시켜 전처리 실리카를 형성하는 단계;a) Heat treatment of silica as a support under a temperature condition determined in the range of 600 to 870 ° C. to induce a contracted support and at the same time remove hydroxyl groups on the surface, and then perform a pretreatment including performing a high-temperature water-based reaction on silica selectively activating hydroxyl groups to form pretreated silica;

b) 상기 전처리 실리카-함유 수계 분산물을 제조하는 단계;b) preparing the pretreated silica-containing aqueous dispersion;

c) 상기 전처리 실리카의 수계 분산물에 염기 성분을 첨가하여 pH를 적어도 10으로 조절함으로써 pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물을 제조하는 단계;c) preparing a pH-adjusted aqueous dispersion of pretreated silica by adding a base component to the aqueous dispersion of pretreated silica to adjust the pH to at least 10;

d) 이와 별도로, 3+의 산화가를 갖는 코발트 전구체의 수용액을 제조하고 염기 성분을 첨가하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하는 단계;d) separately, preparing an aqueous solution of a cobalt precursor having an oxidation value of 3+ and adding a basic component to prepare a pH-adjusted aqueous solution of a cobalt precursor;

e) 상기 pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물 및 상기 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 조합하여 3+의 산화가를 갖는 코발트 이온의 적어도 일부가 상기 전처리 실리카 표면에 흡착되어 있는 수계 분산물을 제조하는 단계;e) combining the pH-adjusted aqueous dispersion of the pretreated silica and the pH-adjusted aqueous cobalt precursor solution to prepare an aqueous dispersion in which at least some of the cobalt ions having an oxidation value of 3+ are adsorbed on the surface of the pretreated silica step;

f) 상기 전처리 실리카 표면에 흡착되지 않는 코발트 이온을 제거하는 단계; 및f) removing cobalt ions not adsorbed on the surface of the pretreated silica; and

g) 상기 단계 f)로부터 얻어진 코발트 이온이 흡착된 실리카를 열처리하는 단계;g) heat-treating the silica adsorbed with cobalt ions obtained from step f);

를 포함하고,including,

여기서, 상기 코발트계 촉매는 2+ 산화가를 갖는 코발트가 상기 전처리 실리카 상에서 단리된 단원자 형태로 존재하고, 또한 상기 2+ 산화가를 갖는 코발트는 전처리 실리카 표면에 존재하는 3원 수산화 고리에서 사면체 구조를 형성하며 배위되어 있는 방법이 제공된다.Here, in the cobalt-based catalyst, cobalt having an oxidation value of 2+ exists in the form of an isolated single atom on the pretreated silica, and cobalt having an oxidation value of 2+ is tetrahedral in a three-membered hydroxyl ring present on the surface of the pretreated silica. A method of coordinating and forming a structure is provided.

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

파라핀을 함유하는 공급원료를 제공하는 단계;providing a feedstock containing paraffin;

상술한 방법에 따라 제조된 촉매의 존재 하에서 500 내지 700℃의 온도 및 0.3 내지 2 bar의 압력 조건 하에 상기 공급원료에 대한 탈수소화 반응을 수행하는 단계; 및Performing a dehydrogenation reaction on the feedstock under conditions of a temperature of 500 to 700 ° C. and a pressure of 0.3 to 2 bar in the presence of a catalyst prepared according to the above method; and

상기 탈수소화 반응 생성물 중 상기 경질 파라핀에 대응되는 올레핀을 회수하는 단계;recovering olefins corresponding to the light paraffins from the dehydrogenation reaction products;

를 포함하는 파라핀으로부터 올레핀을 제조하는 방법이 제공된다.A method for producing olefins from paraffins containing is provided.

본 개시 내용에 따른 구체예에 따른 탈수소화 촉매는 열처리 및 선택적 수산화기의 활성화 단계를 수행하는 방식으로 전처리된 실리카 지지체 상에 단원자 형태의 코발트를 담지한 형태로서, 파라핀, 특히 경질 파라핀을 이에 대응하는 올레핀으로 탈수소화 반응시키는 과정 중 고온(예를 들면, 약 500 ℃ 이상)에 노출되는 경우에도 추가적인 금속 도입 없이도 지지체의 열적 내구성이 확보됨으로써 지지체 자체의 수축, 또는 이로 인하여 지지체 표면의 코발트가 서로 응집되거나 소결되는 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 탈수소화 반응 과정에서 고온에 장시간 노출되거나 탈수소화 반응으로부터 생성되는 수소와 접촉하는 경우에도 촉매의 변형 또는 변성이 효과적으로 억제되므로 촉매 활성을 장기간 유지할 수 있다.A dehydrogenation catalyst according to an embodiment according to the present disclosure is a type in which monoatomic cobalt is supported on a silica support pretreated by performing heat treatment and selective hydroxyl group activation, and paraffin, particularly hard paraffin, is used. Even when exposed to a high temperature (eg, about 500 ° C. or more) during the dehydrogenation reaction of Aggregation or sintering can be effectively suppressed. Therefore, even when exposed to high temperatures for a long time during the dehydrogenation reaction or in contact with hydrogen generated from the dehydrogenation reaction, the catalyst is effectively suppressed from deformation or denaturation, so that the catalyst activity can be maintained for a long period of time.

특히, 기존의 알칼리 금속의 도입을 이용하여 열적 안정성을 확보하고자 한 실리카 기반의 코발트 금속 촉매의 경우, 실리카에 도입된 알칼리 금속의 영향으로 인하여 탈수소화 반응 중 실리카 지지체의 체적이 급격하게 감소한 결과, 표면적 감소에 따른 금속 이온의 응집 또는 소결 현상이 발생하여 촉매 활성을 장기간 연장시키는 데에는 한계가 있다. 그러나, 일 구체예에서는 알칼리 금속 이온의 도입 대신에 열처리 및 선택적 수산화기 활성화(수계고온 처리)를 수행하는 반응 전 열처리에 의하여 실리카 자체의 체적 수축을 억제할 수 있고, 또한 열처리에 의하여 수산화기가 소실된 후에 선택적 수산화기 활성화 단계를 수행하는 방식으로 표면 활성기를 재조립함으로써 활성 금속이온을 효과적으로 담지할 수 있는 장점을 제공한다. 더 나아가, 본 개시 내용의 구체예에 따른 촉매는 탈수소화 반응에 있어서 높은 함량의 파라핀을 함유하는 공급원료에 대하여도 양호한 전환율 및 올레핀 선택도를 나타낼 수 있기 때문에 상용화에 특히 유리하다.In particular, in the case of a silica-based cobalt metal catalyst to secure thermal stability using the introduction of an existing alkali metal, the volume of the silica support during the dehydrogenation reaction is rapidly reduced due to the influence of the alkali metal introduced into the silica, There is a limit to prolonging the catalytic activity for a long period of time due to the occurrence of aggregation or sintering of metal ions due to a decrease in surface area. However, in one embodiment, volumetric shrinkage of silica itself can be suppressed by heat treatment before the reaction of performing heat treatment and selective hydroxyl group activation (water-based high temperature treatment) instead of introduction of alkali metal ions, and also the hydroxyl group is lost by heat treatment. By reassembling the surface active groups in such a way that a selective hydroxyl group activation step is performed later, the active metal ion can be effectively supported. Furthermore, catalysts according to embodiments of the present disclosure are particularly advantageous for commercialization because they can exhibit good conversion and olefin selectivity even for feedstocks containing high paraffin content in dehydrogenation reactions.

도 1은 전처리된 실리카 지지체를 이용하여 제조된 코발트계 단원자 촉매(제조예 1) 및 전처리를 수행하지 않은 실리카 지지체를 이용하여 제조된 코발트계 단원자 촉매(비교제조예 1) 각각을 이용한 탈수소화 반응 시 시간에 따른 전환율 및 선택도를 나타내는 그래프이고,
도 2는 전처리를 거치지 않은 실리카, 전처리 중 열처리만을 거친 실리카 및 열처리-수산화기 활성화를 거친 실리카 입자를 각각 지지체로 사용하여 제조된 Co 단원자 촉매의 탈수소화 반응 전후의 변화를 보여주는 SEM 사진이고; 그리고
도 3은 탈수소화 반응 전후에 있어서 코발트 단원자 촉매의 EXAFS Wavelet Transform 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
1 shows dehydration using a cobalt-based monoatomic catalyst prepared using a pretreated silica support (Preparation Example 1) and a cobalt-based monoatomic catalyst prepared using a silica support without pretreatment (Comparative Preparation Example 1), respectively. It is a graph showing the conversion rate and selectivity over time during the digestion reaction,
2 is a SEM photograph showing changes before and after the dehydrogenation reaction of a monoatomic Co catalyst prepared using silica particles without pretreatment, silica particles subjected to only heat treatment during pretreatment, and silica particles subjected to heat treatment-hydroxyl group activation as supports, respectively; and
3 is a graph showing the results of EXAFS Wavelet Transform analysis of the monoatomic cobalt catalyst before and after the dehydrogenation reaction.

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, but the present invention is not necessarily limited thereto. In addition, it should be understood that the accompanying drawings are for illustrative purposes only, and the present invention is not limited thereto.

본 명세서에 있어서 사용되는 용어는 하기와 같이 정의될 수 있다.Terms used in this 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. A “heterogeneous catalyst” may refer to a catalyst that is present in a different phase from the reactants during a catalytic reaction, for example, a catalyst that does not dissolve in a reaction medium. In the case of a heterogeneous catalyst, in order for a reaction to occur, at least one reactant needs to be diffused and adsorbed on the surface of the heterogeneous catalyst, and after the reaction, a 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 있으며, 촉매 반응에 참여하거나 참여하지 않을 수 있다."Support" may mean a material with a high specific surface area (typically a solid material) to which a catalytically active component is attached, and may or may not participate in a catalytic reaction.

"결정성" 또는 "결정질"이라는 용어는 전형적으로 원자가 격자 구조(예를 들면 3차원적 규칙성(three-dimensional order))를 갖도록 정렬된 임의의 고상 물질을 의미할 수 있는 반면, "비정질"은 이러한 격자 구조를 갖지 않는 임의의 고상 물질을 의미할 수 있는 바, 일반적으로 X-선 회절 분석(XRD), 핵자기 공명 분석(NMR), 시차 주사 열량측정법(DSC) 또는 이들의 조합에 의하여 특정할 수 있다.The terms "crystalline" or "crystalline" can typically refer to any solid-state material in which atoms are arranged to have a lattice structure (eg, three-dimensional order), whereas "amorphous" can mean any solid material that does not have such a lattice structure, generally by X-ray diffraction analysis (XRD), nuclear magnetic resonance analysis (NMR), differential scanning calorimetry (DSC) or a combination thereof can be specified.

"경질 파라핀"은 탄소수 2 내지 5의 파라핀, 보다 구체적으로 탄소수 3 및 4의 파라핀을 의미할 수 있는 바, 구체적으로 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄, 펜탄 등을 예시할 수 있다. 또한, "이에 대응되는 올레핀"은 탈수소화 반응의 공급원료 내 경질 파라핀으로부터 수소 분자가 제거된 동일 탄소수의 올레핀을 의미할 수 있다."Hard paraffin" may mean paraffin having 2 to 5 carbon atoms, more specifically, paraffin having 3 to 4 carbon atoms, and specifically ethane, propane, n-butane, isobutane, pentane, and the like may be exemplified. In addition, "the olefin corresponding thereto" may mean an olefin having the same number of carbon atoms from which hydrogen molecules are removed from light paraffin in the feedstock for the dehydrogenation reaction.

"실리카"는 하나의 실리콘 원자가 4개의 산소 원자에 결합되어 형성된 사면체 구조의 물질을 의미할 수 있다. "Silica" may refer to a material having a tetrahedral structure formed by bonding one silicon atom to four oxygen atoms.

"다공성 실리카"는 다공성을 갖는 3차원의 네트워크 실리카를 의미할 수 있는 바, 1차 실리카 입자의 응집물(aggregate)로 이루어질 수도 있다. "Porous silica" may refer to a three-dimensional network silica having porosity, and may be composed of an aggregate of primary silica particles.

"열 처리(heat treatment)"는 전체 대상 또는 이의 일부분을 의도적으로 승온시키고, 필요에 따라서는 원하는 특정 구조 및 물성(또는 변화)을 달성하기 위하여 화학적 또는 추가적인 물리적 처리를 수반할 수 있는 것으로 고려된다."Heat treatment" is contemplated as intentionally raising the temperature of an entire object or a portion thereof, which may entail chemical or additional physical treatment, if necessary, to achieve certain desired structures and physical properties (or changes). .

"실질적으로 함유하지 않는다"는 표현은 의도적으로 특정 성분을 혼입시키지 않는다는 취지이며, 다만 해당 성분이 불순물 형태로 존재하는 경우는 포함하는 것으로 이해될 수 있다.The expression “substantially free” means that a specific component is not intentionally incorporated, but it can be understood to include the case where the component exists in the form of an impurity.

"상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 위치 개념으로 이해될 수 있다. It can be understood that the expressions "on" and "above" are used to refer to the concept of relative position. Therefore, not only when other components or layers are directly present in the mentioned layers, other layers (intermediate layers) or components may be interposed or present therebetween. Similarly, the expressions “under”, “under” and “below” and “between” may also be understood as relative concepts of position. In addition, the expression “sequentially” may also be understood as a relative positional concept.

본 명세서에 있어서, 특정 수치 범위를 기재한 경우, 해당 범위 내 임의의 값, 그리고 해당 범위 내 임의의 2개의 값을 각각 하한값 및 상한값으로 하는 서브 조합을 모두 기재한 것으로 고려될 수 있다. 예를 들면, "1 내지 5"의 경우, 1, 2, 3, 4 및 5 각각의 값은 물론, 임의의 서브 조합을 기재한 것으로 이해될 수 있다. In the present specification, when a specific numerical range is described, it can be considered that any value within the range and any subcombination of two arbitrary values within the range as the lower limit and the upper limit, respectively, are described. For example, in the case of "1 to 5", it can be understood that each value of 1, 2, 3, 4 and 5 is described as well as any subcombination.

본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성 요소 및/또는 단계를 더 포함할 수 있음을 의미한다. In this specification, when it is said that a certain component is "included", it means that it may further include other components and / or steps unless otherwise stated.

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 고농도의 파라핀(구체적으로, 경질 파라핀)을 함유하는 공급원료를 양호한 전환율 및 선택도로 이에 대응되는 올레핀으로 전환시키는데 적합하고, 탈수소화 반응 시 장기간 고온에 노출되더라도 양호한 열 안정성을 나타내는 단원자 형태의 코발트계 촉매, 구체적으로 실리카 지지체 상에 활성 금속으로서 단원자 형태의 코발트가 담지된 불균일 촉매가 제공된다.According to one embodiment of the present disclosure, it is suitable for converting a feedstock containing high concentration of paraffins (specifically, light paraffins) into olefins corresponding thereto with good conversion and selectivity, even when exposed to high temperatures for a long period of time during dehydrogenation reaction. A monoatomic cobalt-based catalyst exhibiting good thermal stability, specifically a heterogeneous catalyst in which monoatomic cobalt is supported as an active metal on a silica support is provided.

일 구체예에 따른 단원자 형태의 코발트계 촉매의 경우. 실리카, 구체적으로 실리카 지지체 상에서 수산화기를 선택적으로 활성화시키는 방식으로 이종 금속(예를 들면, 알칼리 금속)을 추가적으로 또는 별도로 도입하지 않으면서 활성 금속인 단원자 형태의 코발트를 담지할 수 있을 뿐만 아니라, 탈수소화 반응 중 체적 수축을 억제하여 열적 내구성 및 장기 활성을 확보할 수 있는 실리카를 지지체로 사용한다. In the case of a cobalt-based catalyst in the form of a single atom according to one embodiment. It is possible to carry cobalt in the form of a monoatomic active metal without additionally or separately introducing a heterogeneous metal (eg, an alkali metal) in a manner that selectively activates a hydroxyl group on a silica, specifically, a silica support, as well as dehydration. Silica, which can secure thermal durability and long-term activity by suppressing volumetric shrinkage during the digestion reaction, is used as a support.

실리카 지지체의 전처리Pre-treatment of silica support

일 구체예에 따르면, 전술한 실리카 지지체의 성상을 제공하기 위하여, 실리카(초기 실리카)에 대하여 열처리 및 고온수계 처리(수산화기 활성화)를 포함하는 전처리 단계를 수행할 수 있다. According to one embodiment, in order to provide the above-described properties of the silica support, a pretreatment step including heat treatment and high-temperature water treatment (hydroxyl group activation) may be performed on the silica (initial silica).

예시적 구체예에 따르면, 전처리 단계에 앞서 제공되는 초기 실리카는 특정 종류로 한정되는 것은 아니지만, 가급적 불순물 함량이 적은 고순도 실리카를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 초기 실리카는 비정질 실리카, 구체적으로 비정질의 다공성 실리카일 수 있는 바, 예를 들면 건식 실리카(Fumed Silica), 습식 실리카(Precipitated silica) 등을 포함할 수 있다. According to an exemplary embodiment, the initial silica provided prior to the pretreatment step is not limited to a specific type, but it may be advantageous to use high-purity silica having as little impurity content as possible. According to a specific embodiment, the initial silica may be amorphous silica, specifically, amorphous porous silica, for example, fumed silica, precipitated silica, and the like.

예시적 구체예에 따르면, 초기 실리카(전처리 전 실리카)는 입자 형태일 수 있는데, 이때 입자 사이즈(직경)은, 예를 들면 약 0.5 내지 5000 ㎛, 구체적으로 약 10 내지 1000 ㎛, 보다 구체적으로 약 400 내지 800 ㎛ 범위일 수 있다. 다만, 전술한 입자 사이즈 범위는 예시적으로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the initial silica (silica before pretreatment) may be in the form of particles, wherein the particle size (diameter) is, for example, about 0.5 to 5000 μm, specifically about 10 to 1000 μm, more specifically about It may range from 400 to 800 μm. However, the aforementioned particle size range can be understood as an example.

예시적 구체예에 따르면, 초기 실리카의 비표면적(BET 비표면적)은, 예를 들면 적어도 약 100 ㎡/g, 구체적으로 약 200 내지 1500 ㎡/g 보다 구체적으로 약 300 내지 1000 ㎡/g 범위일 수 있다. 또한, 초기 실리카의 포어 체적은, 예를 들면, 약 0.1 내지 10 ㎤/g, 구체적으로 약 0.3 내지 5 ㎤/g, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 3 ㎤/g 범위일 수 있다. 또한, 초기 실리카의 포어 사이즈(평균 직경)는, 예를 들면 약 0.5 내지 200 nm, 구체적으로 약 1 내지 100 nm, 보다 구체적으로 약 3 내지 30 nm 범위일 수 있다. 상기 수치 범위는 예시적 목적으로 기술된 것으로 이해되어야 한다. According to an exemplary embodiment, the specific surface area (BET specific surface area) of the initial silica is, for example, at least about 100 m / g, specifically about 200 to 1500 m / g, more specifically about 300 to 1000 m / g. can Further, the pore volume of the initial silica may be, for example, in the range of about 0.1 to 10 cm 3 /g, specifically about 0.3 to 5 cm 3 /g, and more specifically about 0.5 to 3 cm 3 /g. In addition, the pore size (average diameter) of the initial silica may be, for example, about 0.5 to 200 nm, specifically about 1 to 100 nm, and more specifically about 3 to 30 nm. It should be understood that the above numerical ranges are stated for illustrative purposes.

또한, 예시적 구체예에 따르면, 초기 실리카의 표면 수산화기 농도는, 예를 들면 약 3 내지 5 mmol/㏄, 구체적으로 약 3.2 내지 4.8 mmol/㏄, 보다 구체적으로 약 3.5 내지 4.5 mmol/㏄ 범위일 수 있다.Further, according to an exemplary embodiment, the surface hydroxyl group concentration of the initial silica may range, for example, from about 3 to 5 mmol/cc, specifically from about 3.2 to 4.8 mmol/cc, and more specifically from about 3.5 to 4.5 mmol/cc. can

일 구체예에 따르면, 전처리 과정 중 먼저 열처리(제1 열처리)에 의하여 초기 실리카의 체적을 수축시키는 단계를 수행한다. 이러한 열처리 단계는 종래의 코발트 단원자 촉매에서 지지체로 사용되는 실리카, 예를 들면 비정질 실리카가 고온에서 취약점을 나타내는 점을 보완할 수 있다. According to one embodiment, a step of shrinking the volume of the initial silica by heat treatment (first heat treatment) is first performed during the pretreatment process. This heat treatment step can compensate for the fact that silica used as a support in a conventional cobalt monoatomic catalyst, for example, amorphous silica, shows weakness at high temperatures.

일 구체예에 따르면, 초기 실리카를 고온, 예를 들면 약 600 내지 870℃, 구체적으로 약 650 내지 850℃, 보다 구체적으로 약 700 내지 800℃의 온도에서 열처리 또는 소성한다. 이와 관련하여, 열처리 온도가 지나치게 낮은 경우에는 원하는 체적 수축을 유도하기 곤란한 반면, 지나치게 높은 경우에는 과도한 수축으로 인하여 후속 단계(고온수계 처리)에서 수산화기의 회복(또는 활성화)이 용이하지 않다. 따라서, 전술한 열처리 온도 범위에서 설정하는 것이 유리하다.According to one embodiment, the initial silica is heat treated or calcined at a high temperature, for example, about 600 to 870 ° C, specifically about 650 to 850 ° C, more specifically about 700 to 800 ° C. In this regard, when the heat treatment temperature is too low, it is difficult to induce desired volumetric shrinkage, whereas when it is too high, it is not easy to recover (or activate) hydroxyl groups in a subsequent step (high-temperature water treatment) due to excessive shrinkage. Therefore, it is advantageous to set in the above heat treatment temperature range.

예시적 구체예에 따르면, 실리카의 열처리는, 예를 들면 약 3 내지 12시간, 구체적으로 약 4 내지 11시간, 보다 구체적으로 약 5 내지 10시간에 걸쳐 수행할 수 있다. 또한, 열처리는 산소-함유 분위기, 예를 들면 공기 분위기 하에서 수행될 수 있다. 열처리 과정 중 승온 속도는, 예를 들면 약 1 내지 20 ℃/분, 구체적으로 약 2 내지 10 ℃/분, 보다 구체적으로 약 4 내지 7 ℃/분의 범위 내에서 조절 가능하나, 이는 예시적 취지로 이해될 수 있다.According to exemplary embodiments, the heat treatment of silica may be performed for, for example, about 3 to 12 hours, specifically about 4 to 11 hours, and more specifically about 5 to 10 hours. Also, the heat treatment may be performed under an oxygen-containing atmosphere, for example, an air atmosphere. The temperature increase rate during the heat treatment process is, for example, about 1 to 20 ° C / min, specifically about 2 to 10 ° C / min, more specifically about 4 to 7 ° C / min. can be understood as

상술한 열처리 과정 중 실리카, 구체적으로 비정질 실리카는 고온에 노출됨에 따라 결정화되고, 그 과정에서 물 분자가 제거되면서 체적이 수축되는 현상을 수반하게 된다. 일 예로서, 열처리된 실리카는 전처리 전(초기) 실리카 대비, 예를 들면 약 75% 이하, 구체적으로 약 5 내지 70%, 보다 구체적으로 약 10 내지 60%, 특히 구체적으로 약 20 내지 50% 감소된 체적(즉, 수축됨)을 나타낼 수 있다. During the above heat treatment process, silica, specifically amorphous silica, is crystallized as it is exposed to high temperatures, and in the process, water molecules are removed, resulting in volume contraction. As an example, the heat-treated silica is reduced by, for example, about 75% or less, specifically about 5 to 70%, more specifically about 10 to 60%, and particularly about 20 to 50%, compared to silica before pretreatment (initial). volume (i.e., contracted).

다만, 열처리 단계는 실리카(구체적으로, 비정질 실리카) 내부뿐만 아니라 표면의 수산화기까지 모두 산화규소로 전환시키기 때문에 활성 금속인 코발트를 고정할 수 있는 부위를 제공하는 수산화 기능기까지 제거한다. 구체적으로, 열처리된 실리카의 표면은 고온에 의하여 표면 수산화기가 소실되어 후술하는 바와 같이 코발트 전구체가 실리카 지지체 표면에 정전기적 상호작용으로 효과적으로 흡착 또는 고정될 수 없다. 이와 같이, 촉매 제조 과정에서 실리카 지지체에 대한 선제적인 열처리 단계를 수행한 결과, 탈수소화 반응에서 야기되는 촉매의 체적 수축은 어느 정도 억제할 수 있는 반면, 활성 금속인 코발트를 단원자 형태로 담지하는 기능은 저하된다. 예시적으로, 열 처리 후 실리카의 표면 수산화기 농도는, 예를 들면 약 0.2 mmol/㏄ 미만, 구체적으로 약 1.5 mmol/㏄ 미만, 보다 구체적으로 약 1 mmol/㏄ 미만일 수 있다.However, since the heat treatment step converts all of the hydroxyl groups on the surface as well as inside the silica (specifically, amorphous silica) into silicon oxide, even hydroxyl functional groups providing a site for fixing cobalt, an active metal, are removed. Specifically, since the surface hydroxyl group is lost by high temperature on the surface of the heat-treated silica, the cobalt precursor cannot be effectively adsorbed or fixed to the surface of the silica support by electrostatic interaction, as will be described later. As such, as a result of performing the preemptive heat treatment step on the silica support during the catalyst preparation process, the volumetric shrinkage of the catalyst caused by the dehydrogenation reaction can be suppressed to some extent, while the active metal cobalt is supported in the form of a single atom. function deteriorates. Illustratively, the surface hydroxyl group concentration of the silica after heat treatment may be, for example, less than about 0.2 mmol/cc, specifically less than about 1.5 mmol/cc, and more specifically less than about 1 mmol/cc.

이점을 고려하여, 일 구체예에서는 열처리에 의하여 체적 수축 과정을 거친 실리카 상에 존재하는 표면 수산화기(즉, 수산화 기능)를 선택적으로 활성화시키기 위하여 고온 수계 처리를 수행한다. 고온 수계 처리는 실리카의 표면에 자유 수산화기를 형성시킴으로써 후술하는 바와 같이 코발트 금속 이온을 효과적으로 흡착 또는 고정할 수 있도록 한다. 본 개시 내용이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 고온 수계 처리를 수행하는 이유는 하기와 같이 설명할 수 있다.Considering this, in one embodiment, a high-temperature water-based treatment is performed in order to selectively activate surface hydroxyl groups (ie, hydroxylation function) present on silica subjected to a volume shrinkage process by heat treatment. The high-temperature aqueous treatment forms free hydroxyl groups on the surface of the silica, thereby effectively adsorbing or immobilizing cobalt metal ions as will be described later. Although the present disclosure is not bound by any particular theory, the reason for performing the high-temperature water-based treatment can be explained as follows.

통상의 실리카(초기 실리카) 표면에는 수소 결합에 의한 수산화기, 자유 수산화기 등이 함께 존재한다. 그러나, 앞서 언급된 열처리에 의하여 실리카 표면의 수산화기를 제거한 후, 고온 수계 처리를 수행하여 표면의 수산화기를 활성화시킬 경우, 자유 수산화기가 다량으로 생성될 수 있다. 이와 같이 생성된 자유 수산화기는 코발트 이온을 고정할 수 있기 때문에 코발트 원자와 3원 수산화 고리 사면체 구조를 형성하는데 적합하다. On the surface of ordinary silica (initial silica), hydroxyl groups and free hydroxyl groups by hydrogen bonding exist together. However, when hydroxyl groups on the silica surface are removed by the aforementioned heat treatment and then hydroxyl groups on the surface are activated by performing a high-temperature water-based treatment, a large amount of free hydroxyl groups may be generated. Since the free hydroxyl groups thus produced can fix cobalt ions, they are suitable for forming a three-membered hydroxyl ring tetrahedral structure with cobalt atoms.

또한, 초기 실리카 표면에 존재하는 자유 수산화기는 고온 노출에 따른 지지체의 수축에 의하여 거리가 근접함에 따라 후속적으로 담지되는 코발트 이온들이 응집될 수 있다. 그러나, 열처리 및 고온 수계처리를 거친 후에는 실리카 지지체의 수축 없이 각각의 자유 수산화기가 코발트 이온을 일정한 거리를 두고 유지되도록 할 수 있다. 더 나아가, 고온 수계처리에 앞서 수행되는 열처리에 의하여 실리카 표면에 이미 존재하던 자유 수산화기 이외의 수소 결합에 의한 약한 수산화기 등이 제거되는 만큼, 추가적으로 열적 안정성을 확보할 수 있다.In addition, the free hydroxyl groups present on the initial silica surface may aggregate cobalt ions subsequently supported as the distance approaches due to contraction of the support due to exposure to high temperature. However, after heat treatment and high-temperature water treatment, each free hydroxyl group can be maintained at a certain distance from the cobalt ions without contraction of the silica support. Furthermore, as heat treatment performed prior to high-temperature water treatment removes weak hydroxyl groups due to hydrogen bonding other than free hydroxyl groups that already exist on the silica surface, additional thermal stability can be secured.

예시적 구체예에 따르면, 실리카 지지체는, 전술한 전처리(구체적으로 고온 수계 처리)를 통하여 생성된 자유 수산화기에 의하여, 전처리 실리카 지지체 기준으로, 예를 들면 적어도 약 0.8 중량%, 구체적으로 약 1 중량%, 보다 구체적으로 1 내지 2 중량%, 특히 구체적으로 약 1.2 내지 1.5 중량% 범위의 코발트 이온의 담지능을 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment, the silica support is, for example, at least about 0.8% by weight, specifically about 1% by weight, based on the pretreated silica support, by free hydroxyl groups generated through the above-described pretreatment (specifically, high temperature water treatment). %, more specifically from 1 to 2% by weight, particularly specifically from about 1.2 to 1.5% by weight of cobalt ions.

예시적 구체예에 따르면, 고온수계 처리는 앞서 열처리된 실리카를 수계 매질 내에 분산시켜 실리카-수계 분산물을 제조한 후, 예를 들면 약 70 내지 150 ℃, 구체적으로 약 90 내지 130 ℃, 보다 구체적으로 약 95 내지 110 ℃의 온도 조건 하에서, 예를 들면 약 0.5 내지 12시간, 구체적으로 약 1 내지 10 시간, 보다 구체적으로 약 3 내지 8 시간에 걸쳐 끓이는 과정을 수반할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the high-temperature water-based treatment is performed by dispersing the previously heat-treated silica in an aqueous medium to prepare a silica-aqueous dispersion, and then, for example, about 70 to 150 ° C., specifically about 90 to 130 ° C., more specifically It may involve a boiling process under a temperature condition of about 95 to 110 ° C., for example, about 0.5 to 12 hours, specifically about 1 to 10 hours, and more specifically about 3 to 8 hours.

이때, 고온 수계 반응용 실리카(구체적으로, 열처리된 실리카)의 분산물(분산액)을 제조하는데 사용되는 수계 매질은, 물, 구체적으로 증류수일 수 있는 바, 열처리된 실리카-수계 분산물 내 실리카의 함량은, 예를 들면 약 1 내지 30 중량%, 구체적으로 약 3 내지 20 중량%, 보다 구체적으로 약 5 내지 10 중량% 범위일 수 있다.At this time, the aqueous medium used to prepare the dispersion (dispersion) of silica for high-temperature aqueous reaction (specifically, heat-treated silica) may be water, specifically distilled water, and the silica in the heat-treated silica-aqueous dispersion The content may range, for example, from about 1 to 30% by weight, specifically from about 3 to 20% by weight, more specifically from about 5 to 10% by weight.

한편, 고온 수계처리를 통하여 열처리된 실리카의 체적은 증가할 수 있는 바(즉, 부피 팽창), 예를 들면 열처리된 실리카 대비 약 5 내지 50%, 구체적으로 약 10 내지 30%, 보다 구체적으로 약 15 내지 25% 증가된 체적을 나타낼 수 있다. 또한, 고온 수계처리 후 실리카의 입자 사이즈(직경)는, 예를 들면 약 0.3 내지 4000 ㎛, 구체적으로 약 5 내지 900 ㎛, 보다 구체적으로 약 300 내지 700 ㎛ 범위일 수 있으나, 이는 초기 실리카의 입자 사이즈 등에 의존하는 만큼, 예시적 취지로 이해될 수 있다. On the other hand, the volume of silica heat-treated through high-temperature water treatment may increase (ie, volume expansion), for example, about 5 to 50%, specifically about 10 to 30%, more specifically about 10 to 30% compared to heat-treated silica 15 to 25% increased volume. In addition, the particle size (diameter) of the silica after the high-temperature water treatment may range, for example, from about 0.3 to 4000 μm, specifically from about 5 to 900 μm, and more specifically from about 300 to 700 μm. As much as it depends on the size, etc., it can be understood for illustrative purposes.

예시적 구체예에 따르면, 상술한 고온수계 처리를 통하여 생성되는 수산화기(즉, 활성화된 수산화기)는 초기 실리카의 표면에 존재하는 수산화기에 비하여 열적 내구성이 우수하고, 또한 코발트를 고정하는 3원 수산화 고리 사면체 구조가 안정적으로 유지됨으로써 탈수소화 반응 중 활성 금속인 단원자 형태의 코발트가 응집되는 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 더 나아가, 사면체 구조의 안정도가 증가함에 따라 반응 중 발생되는 수소에 의한 영향이 감소하여 코발트의 환원 저항성이 증가하게 되고, 그 결과 탈수소화 반응 과정에서 활성이 급격히 저하되는 현상을 억제하는데 기여할 수 있다. 한편, 예시적 구체예에 따르면, 앞선 열 처리를 통하여 감소된 표면 수산화기의 량은 고온수계 처리를 통하여 초기 수준으로 회복할 수 있는 바, 예를 들면 약 3 내지 5 mmol/㏄, 구체적으로 약 3.2 내지 4.8 mmol/㏄, 보다 구체적으로 약 3.5 내지 4.5 mmol/㏄ 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. According to an exemplary embodiment, the hydroxyl group (ie, activated hydroxyl group) generated through the above-described high-temperature water treatment has excellent thermal durability compared to the hydroxyl group present on the surface of the initial silica, and also a three-membered hydroxyl ring that fixes cobalt. Since the tetrahedral structure is stably maintained, it is possible to effectively suppress the phenomenon of aggregation of cobalt in the form of a single atom, which is an active metal, during the dehydrogenation reaction. Furthermore, as the stability of the tetrahedral structure increases, the effect of hydrogen generated during the reaction decreases, and the reduction resistance of cobalt increases, which can contribute to suppressing the rapid decrease in activity during the dehydrogenation reaction. . On the other hand, according to an exemplary embodiment, the amount of surface hydroxyl groups reduced through the previous heat treatment can be restored to the initial level through the high-temperature water treatment, for example, about 3 to 5 mmol / cc, specifically about 3.2 to 4.8 mmol/cc, more specifically from about 3.5 to 4.5 mmol/cc, but this can be understood as an example.

본 개시 내용이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 고온수계 처리(반응) 후 실리카 표면에 존재하는 수산화기의 전체 량(농도)은 초기 상태와 유사한 수준으로 회복될 수 있으나, 실리카의 열 안정성이 확보됨에 따라 실리카 지지체의 수축은 억제되고, 이와 함께 단원자 형태의 코발트 이온의 담지(또는 고정)에 적합한 자유 수산화기는 높은 비율로 존재하는 한편, 수소 결합에 의한 수산화기와 같이 단원자 형태의 코발트 이온을 담지하는데 적합하지 않은 수산화기의 량은 감소하는 것으로 판단된다.Although the present disclosure is not bound by a particular theory, the total amount (concentration) of hydroxyl groups present on the silica surface after the high-temperature water treatment (reaction) can be recovered to a level similar to the initial state, but the thermal stability of the silica is secured. As a result, the shrinkage of the silica support is suppressed, and at the same time, a high proportion of free hydroxyl groups suitable for loading (or fixing) of monoatomic cobalt ions exist, while monoatomic cobalt ions are not supported, such as hydroxyl groups by hydrogen bonding. It is judged that the amount of hydroxyl groups that are not suitable for processing is reduced.

일 구체예에 따르면, 전처리 단계를 거친 실리카는 비표면적, 포어 체적 및 포어 사이즈 중 적어도 하나가 감소하는 특성을 나타낼 수 있는 바, 실리카의 고온 열처리를 통하여 현저한 부피 감소(수축)가 먼저 일어나고, 후속적으로 고온 수계처리를 수행하는 경우에도 초기(전처리 전) 상태로 완전히 복구되지 않기 때문으로 볼 수 있다.According to one embodiment, the silica that has undergone the pretreatment step may exhibit a characteristic of reducing at least one of the specific surface area, pore volume, and pore size, and a significant volume reduction (shrinkage) occurs first through high-temperature heat treatment of the silica, followed by subsequent This is because it is not completely restored to the initial (before pre-treatment) state even when the high-temperature water-based treatment is performed.

고온수계 처리 후, 통상의 분리 및/또는 정제 수단(예를 들면, 여과, 정치, 세척 등으로부터 선택되는 적어도 하나)을 이용하여 분산물로부터 전처리 실리카를 분리하고, 이를 이용하여 후술하는 코발트 담지를 위한 지지체로 사용할 수 있다. 택일적으로, 별도의 분리 과정 없이 전처리된 실리카 함유 수계 분산물을 그대로 사용하여 코발트 담지에 사용할 수도 있다. After the high-temperature water-based treatment, the pretreated silica is separated from the dispersion using a conventional separation and/or purification means (for example, at least one selected from filtration, stilling, washing, etc.), and using this, the cobalt support described later can be used as a support for Alternatively, the pretreated silica-containing aqueous dispersion may be used as it is and used for cobalt support without a separate separation process.

전처리 실리카 지지체 상에 단원자 형태의 코발트 담지Cobalt in monatomic form supported on a pretreated silica support

일 구체예에 따르면, 전처리 실리카를 수계 매질 내에 분산시켜 전처리 실리카-함유 수계 분산물을 제조한다. 이때, 수계 매질은 전술한 바와 같이, 물, 구체적으로 증류수일 수 있으며, 또한 전처리 실리카-함유 수계 분산물 내 전처리 실리카의 함량은, 예를 들면 약 1 내지 30 중량%, 구체적으로 약 3 내지 20 중량 % 보다 구체적으로 약 5 내지 10 중량 % 범위일 수 있다.According to one embodiment, pretreated silica is dispersed in an aqueous medium to prepare a pretreated silica-containing aqueous dispersion. At this time, as described above, the aqueous medium may be water, specifically distilled water, and the content of the pretreated silica in the pretreated silica-containing aqueous dispersion is, for example, about 1 to 30% by weight, specifically about 3 to 20% by weight. weight percent more specifically in the range of about 5 to 10 weight percent.

그 다음, 전처리 실리카-함유 수계 분산물에 염기 성분을 첨가하여 pH 조절된 전처리 실리카 수계 분산물을 제조할 수 있다. 이때, 수계 분산물의 pH는, 예를 들면 적어도 약 10, 구체적으로 적어도 약 11, 보다 구체적으로 약 10.5 내지 11.5 범위로 조절할 수 있다. 분산물의 pH를 증가시키는 이유는 실리카 표면을 탈양성자화시키기 위함인 바, 구체적으로 전처리 실리카 표면에 존재하는 실란올기(Si-OH)로부터 수소 이온(H+)을 제거하여(즉, 수산화기로부터 수소 이온을 제거하여) 음의 전하를 띄도록 할 수 있다. 즉, 이온은 실리카의 영 전하점(Zero Charge)에서는 흡착되지 않고 수산화기가 유지되므로, pH 조정을 통하여 실리카 표면을 탈양성자시킴으로써 음의 전하를 나타내도록 할 수 있다. Then, a base component may be added to the pretreated silica-containing aqueous dispersion to prepare a pH-adjusted aqueous dispersion of pretreated silica. At this time, the pH of the aqueous dispersion may be adjusted to, for example, at least about 10, specifically at least about 11, and more specifically in the range of about 10.5 to 11.5. The reason for increasing the pH of the dispersion is to deprotonate the silica surface, specifically by removing hydrogen ions (H + ) from silanol groups (Si-OH) present on the surface of the pretreated silica (i.e., hydrogen from hydroxyl groups). ions can be removed) so that they have a negative charge. That is, since the ion is not adsorbed at the zero charge point of silica and the hydroxyl group is maintained, negative charge can be displayed by deprotonating the silica surface through pH adjustment.

그 결과, 탈양성자화된 실리카 표면의 수산화기 음이온과 실리카 표면에 존재하는 수산화기, 구체적으로 3원 수산화기가 염기성 수계 매질 내에서 3개의 수산화기 음이온을 형성하는데, 이는 후속 공정에서 정전기적 상호작용(즉, 정전기적 흡착)에 의하여 코발트가 단원자 형태로 고정되거나 그래프팅되는 부위를 제공할 수 있다(즉, 수산화기의 선택적 활성화). 이러한 고정 메커니즘은 알칼리 금속을 코발트 이온들 사이에 개재시킴으로써 코발트 이온들이 단원자 형태로 고정되는 부위를 제공하는 수동적인 방식과는 구별된다. 특히, 알칼리 금속의 사용으로부터 기인하는 탈수소화 반응 중 실리카 지지체 자체의 가속화된 수축 현상을 효과적으로 억제하는 점에서 주목할만하다.As a result, the hydroxyl anion on the surface of the deprotonated silica and the hydroxyl group present on the silica surface, specifically the 3-membered hydroxyl group, form three hydroxyl anions in the basic aqueous medium, which in the subsequent process have an electrostatic interaction (i.e., It is possible to provide a site where cobalt is fixed or grafted in the form of a single atom by electrostatic adsorption (ie, selective activation of a hydroxyl group). This fixation mechanism is different from a passive method in which an alkali metal is interposed between the cobalt ions to provide a site where the cobalt ions are fixed in a monoatomic form. In particular, it is noteworthy in that it effectively suppresses the accelerated shrinkage of the silica support itself during the dehydrogenation reaction resulting from the use of an alkali metal.

예시적 구체예에 따르면, 염기 성분은 예를 들면, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄 등으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있는 바, 구체적으로는 암모늄-함유 염기, 보다 구체적으로는 수산화암모늄(암모니아수)를 사용한다. 이때, 첨가되는 염기로서 코발트 전구체의 수용액과 조합 또는 혼합 시 침전을 유발하지 않는 종류를 사용하는 것이 유리하다.According to an exemplary embodiment, the base component may be, for example, at least one selected from sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonium hydroxide, etc., specifically an ammonium-containing base, more specifically ammonium hydroxide (aqueous ammonia) Use At this time, it is advantageous to use a type that does not cause precipitation when combined or mixed with an aqueous solution of a cobalt precursor as the base to be added.

본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 전술한 pH 조절된 염기-처리 실리카의 수계 분산물의 제조 단계와는 별도로, 코발트 전구체의 수용액을 제조하고, 염기 성분을 첨가하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하는 단계가 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, separately from the step of preparing an aqueous dispersion of pH-adjusted base-treated silica, an aqueous solution of cobalt precursor is prepared, and a pH-adjusted aqueous cobalt precursor solution is prepared by adding a base component. steps may be performed.

이와 관련하여, 코발트 전구체는 3+의 산화가를 갖는 코발트(Co(III)) 착이온을 포함하는 전구체일 수 있는 바, 예를 들면 Co(NH3)6Cl3를 직접 사용하거나, 또는Co(NO3)2, CoCl2, Co(acac)3 등으로부터 선택되는 적어도 하나의 코발트 화합물(전구체)을 암모니아수로 처리한 후에 여과를 통하여 코발트 착이온을 포함하는 전구체를 얻을 수 있다. 다만, 코발트 단원자 촉매로의 원활한 형성을 위하여 제조 단계를 최소화할 수 있는 Co(NH3)6Cl3를 전구체로 사용하는 것이 유리할 수 있다. In this regard, the cobalt precursor may be a precursor containing a cobalt (Co(III)) complex ion having an oxidation value of 3+, for example, Co(NH 3 ) 6 Cl 3 is directly used, or Co After treating at least one cobalt compound (precursor) selected from (NO 3 ) 2 , CoCl 2 , Co(acac) 3 and the like with ammonia water, a precursor containing cobalt complex ions may be obtained through filtration. However, it may be advantageous to use Co(NH 3 ) 6 Cl 3 as a precursor, which can minimize manufacturing steps for smooth formation of a cobalt monoatomic catalyst.

예시적 구체예에서 전구체 수용액 내 코발트 전구체의 농도는, 예를 들면 약 0.1 내지 20 중량%, 구체적으로 약 0.5 내지 10 중량%, 보다 구체적으로 약 1 내지 5 중량% 범위일 수 있다.In an exemplary embodiment, the concentration of the cobalt precursor in the aqueous precursor solution may range, for example, from about 0.1 to 20% by weight, specifically from about 0.5 to 10% by weight, and more specifically from about 1 to 5% by weight.

또한, 염기 성분을 첨가하여 코발트 전구체 용액의 pH를 조절할 수 있는 바, 이 역시 후속 단계 중 pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물과의 조합 시 실리카 표면이 탈양성자화된 상태(즉, 음의 전하를 갖도록 개질된 상태)를 안정적으로 유지시킴으로써 양의 전하를 갖는 전구체의 코발트 이온(Co3+)이 실리카 표면에 정전기적 흡착 방식으로 고정될 수 있다. 이때, 염기 성분은 앞서 전처리 실리카의 수계 분산물의 제조에서 사용된 종류 중 적어도 하나를 선택하여 사용할 수 있으며, 이때 모두 동일한 염기 성분 또는 염기 화합물을 사용할 수 있으나, 경우에 따라서는 상이한 염기 성분을 사용할 수도 있다. 다만, 첨가하는 염기로서 전술한 바와 같이 코발트 전구체의 수용액과 혼합될 경우에 침전을 유발하지 않는 종류를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 예시적 구체예에 따르면, 염기 첨가를 통하여, 코발트 전구체 수용액의 pH는, 예를 들면 적어도 약 10, 구체적으로 적어도 약 11보다 구체적으로 약 10.5 내지 11.5 범위로 조절할 수 있다.In addition, the pH of the cobalt precursor solution can be adjusted by adding a base component, which is also in a state where the silica surface is deprotonated (i.e., negatively charged) when combined with an aqueous dispersion of pH-adjusted pretreated silica during a subsequent step. The cobalt ion (Co 3+ ) of the precursor having a positive charge can be fixed on the silica surface in an electrostatic adsorption manner by stably maintaining the modified state) to have a positive charge. At this time, the base component may be selected from at least one of the types previously used in the preparation of the aqueous dispersion of pretreated silica, and in this case, the same base component or base compound may be used, but in some cases, different base components may be used. have. However, as the base to be added, it is preferable to use a kind that does not cause precipitation when mixed with the aqueous solution of the cobalt precursor as described above. In addition, according to an exemplary embodiment, the pH of the aqueous cobalt precursor solution may be adjusted to, for example, at least about 10, specifically at least about 11, and more specifically in the range of about 10.5 to 11.5 through the addition of a base.

전술한 바와 같이, pH 조절된 Co(III) 전구체의 수용액이 제조되면, pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물과 조합하는 단계가 수행된다. 이때, pH 조절된 코발트 전구체 수용액과 pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물의 혼합 비는 코발트 전구체 수용액 내 코발트 이온이 전처리 실리카의 표면에 단원자 형태(구체적으로 단일 층의 단원자 형태)로 고정되는 량을 고려하여 정하여질 수 있다. 이와 관련하여, 코발트 이온은 전처리 실리카 표면에 최대 약 2 내지 3 중량% 만큼 단원자 형태로 담지 가능하나, 실제로는 사용된 코발트 전구체 전부가 전처리 실리카 표면에 고정될 수 없는 만큼, 이론 량에 비하여 과량의 코발트(Co(III)) 전구체를 용해시킬 수 있다. 예시적 구체예에 있어서, 코발트 전구체가, 전처리 실리카 중량을 기준으로, 예를 들면 적어도 약 1 중량%, 구체적으로 약 1 내지 20 중량%, 보다 구체적으로 약 2 내지 10 중량%, 특히 구체적으로 약 3 내지 8 중량% 범위가 되도록 코발트 전구체 수용액과 전처리 실리카의 수계 분산물의 혼합 비를 조절할 수 있다. As described above, once the aqueous solution of the pH adjusted Co(III) precursor has been prepared, a step of combining it with the aqueous dispersion of the pH adjusted pretreated silica is performed. At this time, the mixing ratio of the pH-adjusted aqueous cobalt precursor solution and the aqueous dispersion of the pH-adjusted pretreated silica is the amount of cobalt ions in the aqueous cobalt precursor solution fixed in a monoatomic form (specifically, a monoatomic form of a single layer) on the surface of the pretreated silica. can be determined taking into account In this regard, cobalt ions can be supported in the form of a single atom by up to about 2 to 3% by weight on the surface of the pretreated silica, but in practice, as all of the cobalt precursors used cannot be fixed on the surface of the pretreated silica, an excess amount compared to the theoretical amount of cobalt (Co(III)) precursor. In an exemplary embodiment, the cobalt precursor is, for example, at least about 1% by weight, specifically about 1 to 20% by weight, more specifically about 2 to 10% by weight, particularly specifically about The mixing ratio of the aqueous dispersion of the aqueous cobalt precursor solution and the pretreated silica may be adjusted to be in the range of 3 to 8% by weight.

예시적 구체예에 따르면, 2가지 수계 유체(수계 실리카-분산물 및 코발트 전구체 수용액)의 조합은 교반 하에서 수행될 수 있는 바, 교반 속도는, 예를 들면 약 200 내지 500 rpm, 구체적으로 약 250 내지 400 rpm 범위일 수 있고, 또한 교반 시간은, 예를 들면 적어도 약 3분, 구체적으로 적어도 약 5 분, 보다 구체적으로 약 5 내지 10분 범위일 수 있는 바, 반드시 상기 조건에 한정되는 것은 아니다. 또한, 조합 시 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 10 내지 40℃, 구체적으로 약 20 내지 30℃, 보다 구체적으로는 상온으로 설정할 수 있다.According to an exemplary embodiment, the combination of the two aqueous fluids (aqueous silica-dispersion and aqueous cobalt precursor solution) can be performed under stirring, such that the stirring speed is, for example, about 200 to 500 rpm, specifically about 250 rpm. to 400 rpm, and the stirring time may be, for example, at least about 3 minutes, specifically at least about 5 minutes, more specifically about 5 to 10 minutes, but is not necessarily limited to the above conditions. . In addition, the temperature at the time of combination is not particularly limited, but may be set to, for example, about 10 to 40°C, specifically about 20 to 30°C, and more specifically, room temperature.

그 다음, 코발트 전구체가 흡착된 실리카의 수계 분산물로부터 실리카 표면에 단원자 형태로 고정되지 않은 코발트를 가급적 완전히 제거한다. 이는 함침 방식의 담지 방법과 구별되는 것으로, 실리카 표면에 전기적 상호 작용에 의하여 단원자 형태로 고정되어 있는 코발트(또는 Co3+)만을 남기고 제거하기 위함이다. 만약, 통상의 함침법에서와 같이 코발트 전구체가 실리카 표면에 벌크 상태로 부착될 경우에는 탈수소화 반응 중 환원, 응집 등과 같이 활성을 저하시키는 현상이 유발될 수 있다.Then, from the aqueous dispersion of silica to which the cobalt precursor has been adsorbed, the cobalt not fixed to the silica surface in monoatomic form is removed as completely as possible. This is to be distinguished from the impregnation-type supporting method, and is to remove and leave only cobalt (or Co 3+ ) fixed in a monoatomic form by electrical interaction on the surface of the silica. If, as in the conventional impregnation method, when the cobalt precursor is attached to the silica surface in a bulk state, phenomena such as reduction and aggregation may occur during the dehydrogenation reaction to decrease activity.

상술한 점을 고려하여, 조합된 분산물 내 고형분(코발트 전구체가 흡착된(고정된) 전처리 실리카)을 정치(settling), 여과(filtering) 등과 같은 통상의 고-액 분리 공정에 의하여 분리할 수 있고, 필요 시 분리된 고형분에 물, 구체적으로 증류수를 첨가하여 교반을 수행하고, 다시 고형분을 분리하는 과정을 반복할 수 있다. 또한, 분리된 고형분에 대하여는 물, 구체적으로 증류수를 이용하여 적어도 1회, 구체적으로 복수 회에 걸쳐 세척함으로써 흡착되지 않고 잔류하는 코발트 전구체를 가급적 남김없이 제거할 수도 있다. 이후, 수득된 고형분을 건조하는 단계가 수행될 수 있는 바, 건조 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 10 내지 40℃, 구체적으로 약 20 내지 30℃, 보다 구체적으로는 상온으로 설정할 수 있다. 이때, 코발트 이온의 산화 상태는 여전히 +3으로 유지된다.Considering the foregoing, the solid content (pretreated silica to which the cobalt precursor is adsorbed (immobilized)) in the combined dispersion may be separated by conventional solid-liquid separation processes such as settling and filtering. If necessary, water, specifically distilled water is added to the separated solids to perform stirring, and the process of separating the solids can be repeated. In addition, the separated solid content may be washed with water, specifically distilled water, at least once, specifically, multiple times, so that the cobalt precursor remaining without being adsorbed may be removed as thoroughly as possible. Thereafter, a step of drying the obtained solid content may be performed, and the drying temperature is not particularly limited, but may be set to, for example, about 10 to 40 ° C, specifically about 20 to 30 ° C, and more specifically, room temperature. have. At this time, the oxidation state of cobalt ions is still maintained at +3.

후속 단계로서, 코발트 이온이 흡착된(고정된) 실리카를 열처리함으로써 탈수소화 촉매로 전환시킨다(제2 열처리). 이때, 열처리는 산소-함유 분위기 하에서 수행될 수 있는 바, 예를 들면 약 250 내지 1000℃, 구체적으로 약 270 내지 800℃, 보다 구체적으로 약 280 내지 600 ℃, 특히 구체적으로 약 290 내지 400℃ 범위에서 열 처리 온도를 설정할 수 있다. 본 구체예에 있어서, 코발트가 흡착된(고정된) 실리카를 열처리함에 따라 실리카 상에 흡착된 3+의 산화가를 갖는 코발트가 2+의 산화가를 갖는 코발트로 전환된다. 또한, 열 처리 과정에서 승온 속도는, 예를 들면 약 1 내지 20 ℃/분, 구체적으로 약 1.5 내지 10 ℃/분, 보다 구체적으로 2 내지 7 ℃/분의 범위 내에서 조절 가능하다. As a subsequent step, silica on which cobalt ions are adsorbed (fixed) is converted into a dehydrogenation catalyst by heat treatment (second heat treatment). At this time, the heat treatment may be performed in an oxygen-containing atmosphere, for example, about 250 to 1000 ° C, specifically about 270 to 800 ° C, more specifically about 280 to 600 ° C, particularly specifically about 290 to 400 ° C range. You can set the heat treatment temperature in In this specific embodiment, cobalt having an oxidation value of 3+ adsorbed on the silica is converted to cobalt having an oxidation value of 2+ by heat-treating the silica on which cobalt is adsorbed (fixed). In addition, the temperature increase rate in the heat treatment process is, for example, about 1 to 20 °C / min, specifically about 1.5 to 10 ° C / min, more specifically, it is possible to adjust within the range of 2 to 7 ° C / min.

다만, 선택적으로, 산소-함유 분위기 하에서의 열 처리 단계에 앞서 추가 건조 단계를 수행할 수 있는 바, 이때 추가 건조 온도는, 예를 들면 약 50 내지 150 ℃, 구체적으로 약 120 내지 150℃ 범위일 수 있다. 이와 같이 상대적으로 높은 온도에서 건조하는 과정 중 3+ 산화가로 존재하는 코발트의 적어도 일부가 미리 2+ 산화가의 코발트로 부분 환원될 수 있으며, 열 처리를 통하여 나머지 코발트가 2+ 산화가를 갖도록 전환될 수 있다.However, optionally, an additional drying step may be performed prior to the heat treatment step in an oxygen-containing atmosphere, wherein the additional drying temperature may be, for example, in the range of about 50 to 150 °C, specifically about 120 to 150 °C. have. During the drying process at a relatively high temperature, at least a portion of cobalt present with an oxidation value of 3+ may be partially reduced to cobalt with an oxidation value of 2+ in advance, and the remaining cobalt may have a oxidation value of 2+ through heat treatment. can be converted

본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만 열처리 후 코발트의 산화가가 2+로 유지되는 이유는 하기와 같이 설명될 수 있다. Although the present invention is not bound by any particular theory, the reason why the oxidation number of cobalt is maintained at 2+ after heat treatment can be explained as follows.

코발트는 3+인 경우에는 최외각 오비탈에 6개의 전자를 차지하기 때문에 6개의 결합(bond)이 형성되는 8면체(octahedral)만 가능하다. 한편, 2+인 경우에는 최외각 오비탈에 7개의 전자가 존재하므로 주로 4면체(tetrahedral)를 형성하나 CoO의 경우에서와 같이 8면체도 가능하다. 본 구체예의 경우, 구조적으로 3원 수산화기와 결합하여야 하므로 4면체 구조를 형성하기 위하여 2+로 변화하는 것으로 볼 수 있다. 반면, 다시 3+로 존재하려면 주변과 어울려서 8면체를 형성해야 하는 바, 실리콘(Si)은 4면체 이외에 다른 구조를 갖지 않는 원소이므로 주변 환경과 부합되지 않아 3+의 코발트로 전환되지 않는 것으로 판단된다. 또한, 비활성화는 Si와의 연결(커뮤니케이션)이 절단되어 단독으로 Co 금속으로 응집된 것이기 때문에 산소와 접촉하여 산화물을 형성할 경우, 3+의 코발트를 포함하는 Co3O4가 될 수 있는 것으로 판단된다.When cobalt is 3+, it occupies 6 electrons in the outermost orbital, so only an octahedral shape with 6 bonds is possible. On the other hand, in the case of 2+, since there are 7 electrons in the outermost orbital, a tetrahedral is mainly formed, but an octahedral is also possible as in the case of CoO. In the case of this specific example, since it must be structurally combined with a 3-membered hydroxyl group, it can be considered to be changed to 2+ to form a tetrahedral structure. On the other hand, in order to exist as 3+ again, it is necessary to form an octahedron in harmony with the surroundings. Since silicon (Si) is an element that does not have a structure other than a tetrahedron, it is judged that it does not conform to the surrounding environment and does not convert to 3+ cobalt. do. In addition, since inactivation is when the connection (communication) with Si is cut and aggregated into Co metal alone, it is determined that Co 3 O 4 containing 3+ cobalt can be formed when an oxide is formed in contact with oxygen. .

또한, 열 처리 시간은 3+의 코발트가 2+의 코발트로 전환되는데 충분한 시간인 한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 2 내지 12시간, 구체적으로 약 2.5 내지 8 시간, 보다 구체적으로 약 3 내지 4 시간 범위일 수 있다.In addition, the heat treatment time is not particularly limited as long as it is a time sufficient for converting 3+ cobalt to 2+ cobalt, and is, for example, about 2 to 12 hours, specifically about 2.5 to 8 hours, more specifically about 2+ hours. It may range from 3 to 4 hours.

상술한 열 처리 단계에서 소정 온도 이상으로 가열함에 따라 전환된 2+ 산화가의 코발트는 산소-함유(또는 산화) 분위기(또는 하소 분위기) 하에서 열처리가 지속되더라도 다시 3+ 산화가의 코발트로 전환되지 않는 바, 이는 단원자로서 사면체 구조를 유지해야 하기 때문이다. 더욱이, 촉매가 소정 온도 이상에서 운전되는 탈수소화 반응에 적용되는 경우에도 이러한 산화 상태는 변화하지 않는 바, 이는 본 구체예에 따른 촉매가 환원에 대한 내성을 갖고 있음을 지시한다.Cobalt with an oxidation value of 2+ converted by heating to a predetermined temperature or higher in the heat treatment step is not converted back to cobalt with an oxidation value of 3+ even if the heat treatment is continued in an oxygen-containing (or oxidizing) atmosphere (or a calcination atmosphere). This is because the tetrahedral structure must be maintained as a single atom. Moreover, even when the catalyst is applied to a dehydrogenation reaction operated at a predetermined temperature or higher, this oxidation state does not change, indicating that the catalyst according to the present embodiment has resistance to reduction.

본 구체예에 따르면, 전처리 실리카 표면 상에 존재하는 음 전하의 SiO-와 2+ 산화가를 갖는 코발트 이온이 정전기적 상호작용 또는 흡착에 의하여 단리된 단원자 형태로 결합될 수 있다. 이러한 단원자 형태의 코발트는 실리카의 표면에 존재하는 수산화기 3개에 의하여 3원 수산화 고리에서 사면체 구조를 형성하며 배위되어 있다.According to this specific embodiment, the negatively charged SiO present on the surface of the pretreated silica and the cobalt ion having an oxidation value of 2+ can be bonded in the form of isolated single atoms by electrostatic interaction or adsorption. Cobalt in this monoatomic form is coordinated by forming a tetrahedral structure in a three-membered hydroxyl ring by three hydroxyl groups present on the surface of silica.

일 구체예에서와 같이 코발트를 담지하기에 앞서 실리카 지지체를 열처리 및 고온 수계처리를 수행하는 경우, 종래의 알칼리 금속을 이용한 기술과 차별화되는 장점은 하기와 같다:As in one embodiment, when the silica support is subjected to heat treatment and high-temperature aqueous treatment prior to carrying cobalt, the advantages differentiated from the conventional alkali metal technology are as follows:

즉, 열적 내구성을 보완하거나 확보하기 위하여, 알칼리 금속을 도입할 경우, 오히려 체적 수축을 촉진하여 반응 중 실리카 지지체 자체의 체적이 약 30% 이상 감소하는 현상이 발생한다. 반면, 본 구체예에서는 탈수소화 반응 중 실리카의 체적 수축을 억제하기 위하여, 활성 금속, 즉 코발트(Co)를 단원자 형태로 담지하기 전에 열처리하여 가능한 체적 수축을 선제적으로 수행함으로써 반응 과정에서 유발되는 지지체의 수축을 억제할 수 있다. That is, when an alkali metal is introduced in order to supplement or secure thermal durability, a phenomenon in which the volume of the silica support itself decreases by about 30% or more occurs during the reaction by promoting volumetric shrinkage. On the other hand, in the present embodiment, in order to suppress the volumetric shrinkage of silica during the dehydrogenation reaction, heat treatment is performed before supporting the active metal, that is, cobalt (Co) in the form of a single atom to preemptively perform possible volumetric shrinkage, thereby causing in the reaction process. shrinkage of the supporting body can be suppressed.

또한, 촉매 내에 불순물로서 미량의 알칼리 금속이 불가피하게 함유되는 경우(예를 들면, 촉매 기준으로, 예를 들면 약 0.001 중량% 미만)는 허용될 수 있으나, 종래의 코발트 단원자 촉매의 제조방법에서와 같이 코발트의 담지 부위를 제공하기 위하여 의도적으로 알칼리 금속을 도입하는 경우는 배제될 수 있다. 이러한 관점에서, 특정 구체예에 따른 탈수소화 촉매에서 알칼리 금속은 실질적으로 함유하지 않는다. In addition, if a trace amount of an alkali metal is unavoidably contained as an impurity in the catalyst (for example, based on the catalyst, for example, less than about 0.001% by weight), it can be tolerated, but in the conventional method for producing a monoatomic cobalt catalyst As in the case of intentionally introducing an alkali metal to provide a supported site for cobalt, it can be excluded. From this point of view, the dehydrogenation catalyst according to certain embodiments is substantially free of alkali metals.

따라서, 일 구체예에 따른 코발트 단원자 촉매는 추가적인 금속 이온을 도입하지 않고도 체적 수축에 따른 코발트의 응집 현상을 억제할 수 있고, 또한 열적 내구성을 갖는 자유 수산화기를 다량으로 도입함으로써 코발트 이온이 단리된 단원자 형태로 유지할 수 있다. 그 결과, 탈수소화 촉매 자체의 활성 유지 및 장기 내구성이 확보될 수 있다.Therefore, the monoatomic cobalt catalyst according to one embodiment can suppress cobalt aggregation due to volumetric shrinkage without introducing additional metal ions, and also introduces a large amount of free hydroxyl groups having thermal durability, so that cobalt ions are isolated. It can be maintained in monoatomic form. As a result, the activity maintenance and long-term durability of the dehydrogenation catalyst itself can be secured.

예시적 구체예에 따르면, 탈수소화 촉매 내 코발트의 함량(담지량)은, 예를 들면 적어도 약 1 중량%, 구체적으로 적어도 약 1.1 내지 3 중량%, 특히 구체적으로 약 1.2 내지 2 중량% 범위일 수 있다. 상술한 담지량은 실리카 종류에 따라 다소 변화 가능하나, 전술한 바와 같이 단원자 형태로 존재할 수 있는 코발트의 량은 전형적으로 최대 약 2 내지 3 중량%인 만큼, 이를 고려하여 정하여질 수 있을 것이다. According to an exemplary embodiment, the content (supported amount) of cobalt in the dehydrogenation catalyst may be, for example, at least about 1% by weight, specifically at least about 1.1 to 3% by weight, particularly specifically about 1.2 to 2% by weight. have. The above-mentioned supported amount may vary somewhat depending on the type of silica, but as described above, the amount of cobalt that may exist in the form of a single atom is typically up to about 2 to 3% by weight, so it may be determined in consideration of this.

탈수소화 반응dehydrogenation reaction

본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 전술한 단원자 형태의 코발트계 촉매를 이용하여 파라핀, 구체적으로 경질 파라핀(보다 구체적으로 탄소수 2 내지 5의 경질 파라핀)을 탈수소화 반응에 의하여 이에 대응되는 올레핀으로 전환시키는 공정이 제공된다. 특히, 경질 파라핀으로서 프로판을 함유할 수 있다. 이와 관련하여, 공급원료는 가스 상으로 제공될 수 있다.According to another embodiment of the present disclosure, paraffin, specifically, light paraffin (more specifically, light paraffin having 2 to 5 carbon atoms) is dehydrogenated using the above-described monoatomic cobalt-based catalyst to obtain an olefin corresponding thereto A process for converting to is provided. In particular, it may contain propane as hard paraffin. In this regard, the feedstock may be provided in the gas phase.

이때, 주목할 점은 상술한 촉매를 적용할 경우에 높은 파라핀 함량의 공급원료를 사용하더라도 양호한 전환율및 선택도를 달성할 수 있다는 것이다. 예시적으로, 공급원료 내 파라핀 함량은, 예를 들면 적어도 약 50 체적%, 구체적으로 적어도 약 70 체적%, 보다 구체적으로 적어도 약 80 체적% 범위일 수 있고, 더 나아가 약 99 체적%를 초과하는 수준일 수도 있다. 이는 종래의 단원자 촉매(예를 들면, Zn 촉매)에 관한 실험에서 최대 약 20 체적%의 파라핀을 함유하는 공급원료를 대상으로 탈수소화 반응을 수행하는 점과 구별된다.At this time, it should be noted that when the above-described catalyst is applied, good conversion rate and selectivity can be achieved even when a feedstock having a high paraffin content is used. Illustratively, the paraffin content in the feedstock may range, for example, from at least about 50 vol%, specifically at least about 70 vol%, more specifically at least about 80 vol%, and even greater than about 99 vol%. level may be. This is different from experiments on conventional monoatomic catalysts (eg, Zn catalysts) in which dehydrogenation is performed on feedstocks containing up to about 20% by volume of paraffins.

예시적 구체예에 따른 탈수소화 반응에 있어서, 반응 온도는, 예를 들면 약 500 내지 700℃, 구체적으로 약 550 내지 650℃, 보다 구체적으로 약 570 내지 620℃ 범위일 수 있고, 또한 반응 압력은, 예를 들면 약 0.3 내지 2 bar, 구체적으로 약 0.4 내지 1.5 bar, 보다 구체적으로 약 0.5 내지 1 bar 범위에서 조절될 수 있다. 이외에도, 표준상태에서 기상공간속도(GHSV)는, 예를 들면 약 100 내지 2000 hr-1, 구체적으로 약 200 내지 1500 hr-1, 보다 구체적으로 약 300 내지 1000 hr-1 범위 내에서 정하여질 수 있다. 상술한 탈수소화 반응 조건은, 공급원료 내 파라핀의 종류, 촉매 내 활성 금속 및 알칼리 금속의 담지 량 및 이의 비율 등을 고려하여 변경 가능하다. In the dehydrogenation reaction according to an exemplary embodiment, the reaction temperature may be, for example, about 500 to 700 ° C, specifically about 550 to 650 ° C, more specifically about 570 to 620 ° C, and the reaction pressure is , For example, it may be adjusted in the range of about 0.3 to 2 bar, specifically about 0.4 to 1.5 bar, and more specifically about 0.5 to 1 bar. In addition, the gaseous space velocity (GHSV) in the standard state is, for example, about 100 to 2000 hr -1 , specifically about 200 to 1500 hr -1 , more specifically about 300 to 1000 hr -1 Can be set within the range have. The above-described dehydrogenation reaction conditions can be changed in consideration of the type of paraffin in the feedstock, the supported amount and ratio of the active metal and alkali metal in the catalyst, and the like.

예시적 구체예에 따르면, 탈수소화 반응 공정에 있어서 전환율 및 선택도 각각은, 예를 들면 적어도 약 30%(구체적으로 적어도 약 40%), 그리고 적어도 약 70%(구체적으로 적어도 약 80%) 수준일 수 있다.According to an exemplary embodiment, each of the conversion rate and selectivity in the dehydrogenation reaction step is, for example, at least about 30% (specifically at least about 40%) and at least about 70% (specifically at least about 80%) level. can be

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 can be more clearly understood by the following examples, which are only for illustrative purposes of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

본 실시예에서 사용된 분석 기기 및 분석 방법은 하기와 같다.The analysis equipment and analysis method used in this Example are as follows.

- EXAFS- EXAFS

코발트 단원자 촉매의 코발트 단원자 규명 및 코발트 단원자 주변 환경의 변화를 분석하기 위하여 포항방사광가속기 (PAL PLS-II)의 8C 빔라인 (nano-XAFS, 4keV ∼ 20keV, 1012 photons/sec)에서 Co K-edge (7.709 keV) X-ray absorption spectroscopy (XAFS)를 측정하였다. I0의 흡수율은 15%, It+Ir의 흡수율은 85%가 되도록 가스를 조절하였으며, 모노크로매이터는 70%로 detune 하였다. 레퍼런스를 제외 (0.1 mm)한 모든 시료는 파우더를 2 mm 슬릿에 채워 넣어 편평하게 한 후 투과 모드로 측정하였다. Wavelet Transformation은 HAMA-Fortran 프로그램으로 k = 2-11 Å-1, R = 1-4 Å 범위에서 Morlet mother wavelet을 이용하여 η=8, σ=1으로 수행하였다. In order to identify the cobalt single atom of the cobalt single atom catalyst and analyze the change in the surrounding environment of the cobalt single atom, Co K-edge (7.709 keV) X-ray absorption spectroscopy (XAFS) was measured. The gas was adjusted so that the absorption rate of I 0 was 15% and the absorption rate of It+Ir was 85%, and the monochromator was detuned to 70%. All samples except for the reference (0.1 mm) were measured in transmission mode after flattening by filling a 2 mm slit with powder. Wavelet transformation was performed with η=8 and σ=1 using the Morlet mother wavelet in the range of k = 2-11 Å -1 , R = 1-4 Å with the HAMA-Fortran program.

- 전환율 및 선택도 계산- Calculate conversion rate and selectivity

프로판의 전환율 및 선택도는 하기 수학식 1 및 2에 따라 산출하였다.Conversion and selectivity of propane were calculated according to Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021043784317-pat00001
Figure 112021043784317-pat00001

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021043784317-pat00002
Figure 112021043784317-pat00002

제조예 1Preparation Example 1

상업적으로 시판 중인 실리카(Fuji사의 제품명 Q6) 중 입자의 평균 사이즈가 500 ㎛ 이상, 비표면적 450 ㎡/g 이상, 그리고 포어 체적 0.8 ㎤/g 이상인 것을 선택하여 사용하였으며, 850 ℃ 및 공기 분위기 하에서 6 시간 동안 열처리한 후, 냉각시켜 열처리 실리카를 수득하였다. 그 다음, 열처리 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시키고, 100 ℃에서 2시간 동안 끓인 후, 냉각시키고 필터링하여 전처리 실리카 입자를 수득하였다. 이하에서, 열처리 및 고온 수계처리된 실리카는 "전처리 후 실리카"로 지칭한다. Among commercially available silica (Fuji's product name Q6), one having an average particle size of 500 μm or more, a specific surface area of 450 m 2 / g or more, and a pore volume of 0.8 cm 3 / g or more was selected and used. After heat treatment for a period of time, it was cooled to obtain heat treated silica. Then, 10 g of the heat-treated silica was dispersed in 100 mL of distilled water, boiled at 100° C. for 2 hours, cooled, and filtered to obtain pre-treated silica particles. Hereinafter, silica subjected to heat treatment and high-temperature water treatment is referred to as "silica after pretreatment".

전처리 후 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시켜 준비하고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 분산물의 pH가 11이 되도록 하여 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물을 제조하였다.After pretreatment, 10 g of silica was prepared by dispersing in 100 mL of distilled water, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH of the dispersion to 11 to prepare an aqueous dispersion of silica after pretreatment with the pH adjusted.

이와 별도로, 비이커에 0.5 g의 코발트 전구체(Co(NH3)6Cl3)를 50 mL의 증류수에 용해시키고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 pH가 11이 되도록 조절하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하였다. Separately, 0.5 g of a cobalt precursor (Co(NH 3 ) 6 Cl 3 ) was dissolved in 50 mL of distilled water in a beaker, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH to 11. An aqueous conditioned cobalt precursor solution was prepared.

그 다음, pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물에 첨가하고 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반이 완료된 분산물을 여과하고, 증류수로 수회에 걸쳐 세척하였다.Then, an aqueous solution of the pH-adjusted cobalt precursor was added to the aqueous dispersion of silica after pH-adjusted pretreatment and stirred at room temperature for 1 hour. After completion of stirring, the dispersion was filtered and washed several times with distilled water.

여과된 시료는 상온에서 건조시키고, 120 ℃에서 6시간 동안 건조시킨 다음, 승온 속도 분당 2 ℃로 300 ℃까지 승온시킨 후, 2시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하여 탈수소화 촉매를 제조하였다. The filtered sample was dried at room temperature, dried at 120 ° C. for 6 hours, heated up to 300 ° C. at a heating rate of 2 ° C. per minute, and then heat-treated in an air atmosphere for 2 hours to prepare a dehydrogenation catalyst.

비교제조예 1Comparative Preparation Example 1

상업적으로 시판 중인 실리카(Fuji사의 제품명 Q6) 중 입자의 평균 사이즈가 500 ㎛ 이상인 것을 선택하여 사용하였고, 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시켜 준비하였으며, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 분산물의 pH가 11이 되도록 하여 pH 조절된 실리카의 수계 분산물을 제조하였다.Among commercially available silica (Fuji's product name Q6), one with an average particle size of 500 μm or more was selected and used, and 10 g of silica was prepared by dispersing in 100 mL of distilled water, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added. A pH-adjusted aqueous dispersion of silica was prepared by adjusting the pH of the dispersion to 11.

이와 별도로 비이커에 0.5 g의 코발트 전구체(Co(NH3)6Cl3)를 50 mL의 증류수에 용해시키고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 pH가 11이 되도록 조절하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하였다. Separately, 0.5 g of cobalt precursor (Co(NH 3 ) 6 Cl 3 ) was dissolved in 50 mL of distilled water in a beaker, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH to 11 to adjust the pH. An aqueous cobalt precursor solution was prepared.

그 다음, pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 pH 조절된 실리카 분산물에 첨가하고 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반이 완료된 분산물을 여과하고, 증류수로 수회에 걸쳐 세척하였다.Then, the pH-adjusted aqueous cobalt precursor solution was added to the pH-adjusted silica dispersion and stirred at room temperature for 1 hour. After completion of stirring, the dispersion was filtered and washed several times with distilled water.

여과된 시료는 상온에서 건조시키고, 120 ℃에서 6시간 동안 건조시킨 다음, 승온 속도 분당 2 ℃로 300 ℃까지 승온시킨 후, 2시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하여 탈수소화 촉매를 제조하였다.The filtered sample was dried at room temperature, dried at 120 ° C. for 6 hours, heated up to 300 ° C. at a heating rate of 2 ° C. per minute, and then heat-treated in an air atmosphere for 2 hours to prepare a dehydrogenation catalyst.

제조예 2Preparation Example 2

상업적으로 시판 중인 실리카(Fuji사의 제품명 Q6) 중 입자의 평균 사이즈가 500 ㎛ 이상, 비표면적 450 ㎡/g 이상, 그리고 포어 체적 0.8 ㎤/g 이상인 것을 선택하여 사용하였으며, 600 ℃에서 6시간 동안 열 처리한 후 냉각시켜 열처리 실리카를 수득하였다. 그 다음, 열처리된 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시키고, 100 ℃에서 2시간 동안 끓인 후, 냉각시키고 필터링하여 실리카 입자를 수득하였다. 이때, 열처리 및 고온수계 처리를 거친 실리카는 "전처리 후 실리카"로 지칭한다. Among commercially available silica (Fuji's product name Q6), one having an average particle size of 500 μm or more, a specific surface area of 450 m 2 / g or more, and a pore volume of 0.8 cm 3 / g or more was selected and used, and was heated at 600 ° C for 6 hours. After treatment, it was cooled to obtain heat-treated silica. Then, 10 g of the heat-treated silica was dispersed in 100 mL of distilled water, boiled at 100° C. for 2 hours, cooled, and filtered to obtain silica particles. At this time, silica that has undergone heat treatment and high-temperature water treatment is referred to as "silica after pretreatment".

전처리 후 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시켜 준비하고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 분산물의 pH가 11이 되도록 하여 pH 조절된 열처리 후 실리카의 수계 분산물을 제조하였다. After pretreatment, 10 g of silica was prepared by dispersing in 100 mL of distilled water, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH of the dispersion to 11 to prepare an aqueous dispersion of silica after heat treatment with the pH adjusted.

이와 별도로, 비이커에 0.5 g의 코발트 전구체(Co(NH3)6Cl3)를 50 mL의 증류수에 용해시키고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 pH가 11이 되도록 조절하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하였다. Separately, 0.5 g of a cobalt precursor (Co(NH 3 ) 6 Cl 3 ) was dissolved in 50 mL of distilled water in a beaker, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH to 11. An aqueous conditioned cobalt precursor solution was prepared.

그 다음, pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 pH 조절된 열처리 후 실리카의 수계 분산물에 첨가하고 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반이 완료된 분산물을 여과하고, 증류수로 수회에 걸쳐 세척하였다.Then, an aqueous solution of the pH-adjusted cobalt precursor was added to the aqueous dispersion of silica after a pH-adjusted heat treatment and stirred at room temperature for 1 hour. After completion of stirring, the dispersion was filtered and washed several times with distilled water.

여과된 시료는 상온에서 건조시키고, 120 ℃에서 6시간 동안 건조시킨 다음, 승온 속도 분당 2 ℃로 300 ℃까지 승온시킨 후, 2시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하여 탈수소화 촉매를 제조하였다. The filtered sample was dried at room temperature, dried at 120 ° C. for 6 hours, heated up to 300 ° C. at a heating rate of 2 ° C. per minute, and then heat-treated in an air atmosphere for 2 hours to prepare a dehydrogenation catalyst.

제조예 3Preparation Example 3

상업적으로 시판 중인 실리카(Fuji사의 제품명 Q6) 중 입자의 평균 사이즈가 500 ㎛ 이상, 비표면적 450 ㎡/g 이상, 그리고 포어 체적 0.8 ㎤/g 이상인 것을 선택하여 사용하였으며 700 ℃ 및 공기 분위기 하에서 6시간 동안 열처리한 후, 냉각시켜 열처리 실리카를 수득하였다. 그 다음, 열처리 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시키고, 100 ℃에서 2시간 동안 끓인 후, 냉각시키고 필터링하여 전처리 실리카 입자를 수득하였다. 이하에서, 열처리 및 고온수계 처리된 실리카는 "전처리 후 실리카"로 지칭한다. Among commercially available silica (Fuji's product name Q6), one having an average particle size of 500 μm or more, a specific surface area of 450 m 2 / g or more, and a pore volume of 0.8 cm 3 / g or more was selected and used for 6 hours at 700 ° C. in an air atmosphere. After heat treatment, it was cooled to obtain heat-treated silica. Then, 10 g of the heat-treated silica was dispersed in 100 mL of distilled water, boiled at 100° C. for 2 hours, cooled, and filtered to obtain pre-treated silica particles. Hereinafter, the silica treated with heat treatment and high-temperature water system is referred to as "silica after pretreatment".

전처리 후 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시켜 준비하고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 분산물의 pH가 11이 되도록 하여 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물을 제조하였다.After pretreatment, 10 g of silica was prepared by dispersing in 100 mL of distilled water, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH of the dispersion to 11 to prepare an aqueous dispersion of silica after pretreatment with the pH adjusted.

이와 별도로, 비이커에 0.5 g의 코발트 전구체(Co(NH3)6Cl3)를 50 mL의 증류수에 용해시키고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 pH가 11이 되도록 조절하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하였다. Separately, 0.5 g of a cobalt precursor (Co(NH 3 ) 6 Cl 3 ) was dissolved in 50 mL of distilled water in a beaker, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH to 11. An aqueous conditioned cobalt precursor solution was prepared.

그 다음, pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물에 첨가하고 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반이 완료된 분산물을 여과하고, 증류수로 수회에 걸쳐 세척하였다.Then, an aqueous solution of the pH-adjusted cobalt precursor was added to the aqueous dispersion of silica after pH-adjusted pretreatment and stirred at room temperature for 1 hour. After completion of stirring, the dispersion was filtered and washed several times with distilled water.

여과된 시료는 상온에서 건조시키고, 120 ℃에서 6시간 동안 건조시킨 다음, 승온 속도 분당 2 ℃로 300 ℃까지 승온시킨 후, 2시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하여 탈수소화 촉매를 제조하였다. The filtered sample was dried at room temperature, dried at 120 ° C. for 6 hours, heated up to 300 ° C. at a heating rate of 2 ° C. per minute, and then heat-treated in an air atmosphere for 2 hours to prepare a dehydrogenation catalyst.

제조예 4Production Example 4

상업적으로 시판 중인 실리카(Fuji사의 제품명 Q6) 중 입자의 평균 사이즈가 500 ㎛ 이상, 비표면적 450 ㎡/g 이상, 그리고 포어 체적 0.8 ㎤/g 이상인 것을 선택하여 사용하였으며, 800 ℃ 및 공기 분위기 하에서 6시간 동안 처리한 후, 냉각시켜 열처리 실리카를 수득하였다. 그 다음, 열처리 실리카 10g은 증류수 100 mL에 분산시키고, 100 ℃에서 2시간 끓인 후, 냉각시키고 필터링하여 전처리 실리카 입자를 수득하였다. 이하에서, 열처리 및 고온수계 처리된 실리카는 "전처리 후 실리카"로 지칭한다. Of commercially available silica (Fuji's product name Q6), one having an average particle size of 500 μm or more, a specific surface area of 450 m 2 / g or more, and a pore volume of 0.8 cm 3 / g or more was selected and used. After treatment for an hour, it was cooled to obtain heat-treated silica. Then, 10 g of the heat-treated silica was dispersed in 100 mL of distilled water, boiled at 100° C. for 2 hours, cooled, and filtered to obtain pre-treated silica particles. Hereinafter, the silica treated with heat treatment and high-temperature water system is referred to as "silica after pretreatment".

전처리 후 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시켜 준비하고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 분산물의 pH가 11이 되도록 하여 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물을 제조하였다.After pretreatment, 10 g of silica was prepared by dispersing in 100 mL of distilled water, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH of the dispersion to 11 to prepare an aqueous dispersion of silica after pretreatment with the pH adjusted.

이와 별도로, 비이커에 0.5 g의 코발트 전구체(Co(NH3)6Cl3)를 50 mL의 증류수에 용해시키고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 pH가 11이 되도록 조절하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하였다. Separately, 0.5 g of a cobalt precursor (Co(NH 3 ) 6 Cl 3 ) was dissolved in 50 mL of distilled water in a beaker, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH to 11. An aqueous conditioned cobalt precursor solution was prepared.

그 다음, pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물에 첨가하고 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반이 완료된 분산물을 여과하고, 증류수로 수회에 걸쳐 세척하였다.Then, an aqueous solution of the pH-adjusted cobalt precursor was added to the aqueous dispersion of silica after pH-adjusted pretreatment and stirred at room temperature for 1 hour. After completion of stirring, the dispersion was filtered and washed several times with distilled water.

여과된 시료는 상온에서 건조시키고, 120 ℃에서 6시간 동안 건조시킨 다음, 승온 속도 분당 2 ℃로 300 ℃까지 승온시킨 후, 2시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하여 탈수소화 촉매를 제조하였다. The filtered sample was dried at room temperature, dried at 120 ° C. for 6 hours, heated up to 300 ° C. at a heating rate of 2 ° C. per minute, and then heat-treated in an air atmosphere for 2 hours to prepare a dehydrogenation catalyst.

비교 제조예 2Comparative Preparation Example 2

상업적으로 시판 중인 실리카(Fuji사의 제품명 Q6) 중 입자의 평균 사이즈가 500 ㎛ 이상, 비표면적 450 ㎡/g 이상, 그리고 포어 체적 0.8 ㎤/g 이상인 것을 선택하여 사용하였으며, 900 ℃ 및 공기 분위기 하에서 6시간 동안 열처리한 후, 냉각시켜 열처리 실리카를 수득하였다. 그 다음, 열처리된 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시키고, 100 ℃에서 2시간 끓인 후, 냉각시키고 필터링하여 실리카 입자를 수득하였다. 이하에서, 열처리 및 고온수계 처리된 실리카는 "전처리 후 실리카"로 지칭한다. Among commercially available silica (Fuji's product name Q6), one having an average particle size of 500 μm or more, a specific surface area of 450 m 2 / g or more, and a pore volume of 0.8 cm 3 / g or more was selected and used. After heat treatment for a period of time, it was cooled to obtain heat treated silica. Then, 10 g of the heat-treated silica was dispersed in 100 mL of distilled water, boiled at 100° C. for 2 hours, cooled, and filtered to obtain silica particles. Hereinafter, the silica treated with heat treatment and high-temperature water system is referred to as "silica after pretreatment".

전처리 후 실리카 10g을 증류수 100 mL에 분산시켜 준비하고, 28 중량 %의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 분산물의 pH가 11이 되도록 하여 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물을 제조하였다.After pretreatment, 10 g of silica was prepared by dispersing in 100 mL of distilled water, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH of the dispersion to 11 to prepare an aqueous dispersion of silica after pretreatment with the pH adjusted.

이와 별도로 비이커에 0.5 g의 코발트 전구체(Co(NH3)6Cl3)를 50 mL의 증류수에 용해시키고, 28 중량%의 암모니아수(Sigma-Aldrich)를 첨가하여 pH가 11이 되도록 조절하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하였다. Separately, 0.5 g of cobalt precursor (Co(NH 3 ) 6 Cl 3 ) was dissolved in 50 mL of distilled water in a beaker, and 28% by weight of ammonia water (Sigma-Aldrich) was added to adjust the pH to 11 to adjust the pH. An aqueous cobalt precursor solution was prepared.

그 다음, pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 pH 조절된 전처리 후 실리카의 수계 분산물에 첨가하고 1시간 동안 상온에서 교반하였다. 교반이 완료된 분산물을 여과하고, 증류수로 수회에 걸쳐 세척하였다.Then, an aqueous solution of the pH-adjusted cobalt precursor was added to the aqueous dispersion of silica after pH-adjusted pretreatment and stirred at room temperature for 1 hour. After completion of stirring, the dispersion was filtered and washed several times with distilled water.

여과된 시료는 상온에서 건조시키고, 120 ℃에서 6시간 동안 건조시킨 다음, 승온 속도 분당 2 ℃로 300 ℃까지 승온시킨 후, 2시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리하여 탈수소화 촉매를 제조하였다. The filtered sample was dried at room temperature, dried at 120 ° C. for 6 hours, heated up to 300 ° C. at a heating rate of 2 ° C. per minute, and then heat-treated in an air atmosphere for 2 hours to prepare a dehydrogenation catalyst.

제조예 1 내지 3, 그리고 비교제조예 1 내지 3 각각에 따라 제조된 촉매 내 코발트 함량을 하기 표 1에 나타내었다.Cobalt contents in the catalysts prepared according to Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.

비교
제조예 1
compare
Preparation Example 1
제조예 2Preparation Example 2 제조예 3Preparation Example 3 제조예 4Production Example 4 제조예 1Preparation Example 1 비교 제조예 2Comparative Preparation Example 2
Co 함량 (중량%)Co content (% by weight) 1.21.2 1.11.1 1.11.1 1.51.5 1.31.3 0.70.7

상기 표에서 제조예 1 내지 4, 그리고 비교제조예 2를 비교하면, 코발트 담지량은 실리카의 전처리 단계 중 열처리 온도에 영향을 받음을 알 수 있다. 구체적으로, 비교제조예 2에서는 열처리 온도가 지나치게 높아 열처리 이후 고온수계 처리가 수행된다 해도 불충분한 수산화기의 활성화로 인하여 단원자 형태의 코발트를 적절한 량으로 담지하는데 한계가 있음을 지시한다. Comparing Preparation Examples 1 to 4 and Comparative Preparation Example 2 in the table above, it can be seen that the supported amount of cobalt is affected by the heat treatment temperature during the pretreatment step of silica. Specifically, in Comparative Preparation Example 2, the heat treatment temperature is too high, indicating that there is a limit to carrying an appropriate amount of monoatomic cobalt due to insufficient activation of the hydroxyl group even if a high-temperature water-based treatment is performed after the heat treatment.

실험예 1Experimental Example 1

본 실험예에서는 제조예 1 내지 4, 그리고 비교 제조예 1 및 2 각각에 따라 제조된 코발트계 촉매의 존재 하에서 고함량의 파라핀을 함유하는 반응물 가스로부터 올레핀을 합성하기 위한 탈수소화 반응을 수행하였다.In this Experimental Example, a dehydrogenation reaction was performed to synthesize olefins from a reactant gas containing a high paraffin content in the presence of cobalt-based catalysts prepared according to Preparation Examples 1 to 4 and Comparative Preparation Examples 1 and 2, respectively.

촉매 평가를 위한 탈수소화 반응은 3/4 인치 석영관 반응기 (촉매 로딩 영역의 직경은 3/4 인치이고, 이를 제외한 관의 직경은 1/4 인치임)를 사용하여 수행하였다. 각각의 가스의 유량은 질량 흐름 제어기(Mass Flow Controller)를 이용하여 조절하였고, 반응기를 거친 생성물 가스는 온라인 가스크로마토그래피 장치 (50 m, HP-Plot 컬럼)을 통하여 분석하였다.The dehydrogenation reaction for catalyst evaluation was carried out using a 3/4 inch quartz tube reactor (the diameter of the catalyst loading zone is 3/4 inch, and the diameter of the tube excluding it is 1/4 inch). The flow rate of each gas was controlled using a mass flow controller, and the product gas passing through the reactor was analyzed through an online gas chromatography device (50 m, HP-Plot column).

6 cc의 촉매를 계량하여 석영 솜으로 반응관에 지지한 다음, 100 cc/min의 유량으로 N2를 흘려주면서 상온으로부터 590 ℃ 까지 분당 5℃/min의 속도로 승온시켰다. 6 cc of catalyst was weighed and supported in a reaction tube with quartz wool, and the temperature was raised from room temperature to 590 °C at a rate of 5 °C/min per minute while flowing N 2 at a flow rate of 100 cc/min.

파란핀의 탈수소화 반응을 위하여 반응물 가스는 99.5% 프로판(리가스)을 20 cc/min의 유량으로 반응기 내에 주입되도록 하였다. 반응기를 거친 생성물 가스의 조성은 FID(Flame ionization detector)를 이용하여 분석하였다. For the dehydrogenation reaction of paranfin, 99.5% propane (gas) was injected into the reactor at a rate of 20 cc/min as the reactant gas. The composition of the product gas passing through the reactor was analyzed using a flame ionization detector (FID).

- 전환율 및 선택도 평가- Conversion rate and selectivity evaluation

전처리된 실리카 지지체를 이용하여 제조된 코발트계 단원자 촉매(제조예 1) 및 전처리를 수행하지 않은 실리카 지지체를 이용하여 제조된 코발트계 단원자 촉매(비교제조예 1) 각각을 이용한 탈수소화 반응 시 시간에 따른 전환율 및 선택도를 도 1에 나타내었다. In dehydrogenation reaction using each of the cobalt-based monoatomic catalyst prepared using a pretreated silica support (Preparation Example 1) and the cobalt-based monoatomic catalyst prepared using a silica support without pretreatment (Comparative Preparation Example 1) Conversion and selectivity over time are shown in FIG. 1 .

상기 도면에 따르면, 탈수소화 반응 수행 결과, 제조예 1에 따른 촉매의 경우, 비교제조예 1에 따른 촉매에 비하여 촉매 대비 선택도는 유사한 수준이나, 전환율은 높은 수준인 바, 이는 올레핀의 수율 면에서는 동등 이상을 의미한다.According to the figure, as a result of the dehydrogenation reaction, in the case of the catalyst according to Preparation Example 1, the selectivity to the catalyst is similar to that of the catalyst according to Comparative Preparation Example 1, but the conversion rate is at a high level, which is means more than equal.

- SEM 분석- SEM analysis

전처리를 거치지 않은 실리카 입자를 지지체로 하는 Co 단원자 촉매(A) 및 열처리-수산화기 활성화를 거친 실리카 입자를 지지체로 하는 Co 단원자 촉매(C)에 대하여 탈수소화 반응 전후의 변화를 SEM에 의하여 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 또한, 열처리만을 거친 실리카 입자를 사용하여 제조된 Co 단원자 촉매(B)를 별도로 제조하여 탈수소화 반응 전후의 변화를 관찰한 결과를 도 2에 함께 나타내었다. The changes before and after the dehydrogenation reaction were analyzed by SEM for a Co monoatomic catalyst (A) using silica particles without pretreatment as a support and a Co monoatomic catalyst (C) using silica particles after heat treatment and hydroxyl activation as a support. And the results are shown in Figure 2. In addition, the results of observing the change before and after the dehydrogenation reaction by separately preparing a Co monoatomic catalyst (B) prepared using silica particles subjected to only heat treatment are shown in FIG. 2 together.

상기 도면에 따르면, 전처리를 거치지 않은 실리카를 지지체로 사용한 Co 단원자 촉매(A)는 탈수소화 반응 후에 실리카 지지체의 수축에 의하여 입자의 크기가 10% 이상 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 열처리만을 수행한 실리카를 지지체로 사용한 Co 단원자 촉매(B)는 전처리를 거치지 않은 실리카를 지지체로 사용한 Co 단원자 촉매 대비 40% 정도 체적 수축이 일어났으나, 열처리에 의하여 선제적으로 수축된 체적은 탈수소화 반응 후에 크게 증가하거나 감소하지는 않았다. 다만, 탈수소화 반응 중 촉매 표면에 크랙(crack)이 생성되어 촉매가 파손된 현상이 일부 관찰되었다. According to the figure, it was confirmed that the particle size of the Co monoatomic catalyst (A) using untreated silica as a support was reduced by 10% or more due to shrinkage of the silica support after the dehydrogenation reaction. In addition, the Co monoatomic catalyst (B) using only heat-treated silica as a support exhibited a volume shrinkage of about 40% compared to the Co monoatomic catalyst using untreated silica as a support, but preemptively shrinked by heat treatment. The volume obtained did not significantly increase or decrease after the dehydrogenation reaction. However, cracks were formed on the surface of the catalyst during the dehydrogenation reaction, and the catalyst was partially damaged.

반면, 열처리 후 고온 수계처리(수산화기 활성화)를 거친 실리카를 지지체로 사용한 Co 단원자 촉매(C)는 열처리만을 수행한 경우의 Co 단원자 촉매 대비 입자 사이즈가 20% 정도 증가하였으나, 탈수소화 반응 전후의 사이즈 변화는 크지 않는 것이 관찰되었고, 또한 탈수소화 반응 온도에 의한 입자의 파쇄 등은 관찰되지 않았다. On the other hand, the particle size of the Co monoatomic catalyst (C) using silica subjected to high-temperature water treatment (hydroxyl group activation) as a support after heat treatment increased by about 20% compared to the Co monoatomic catalyst when only heat treatment was performed, but before and after the dehydrogenation reaction. It was observed that the size change of was not large, and the crushing of the particles due to the dehydrogenation reaction temperature was not observed.

상술한 결과에 따르면, 전처리되지 않은 실리카를 지지체로 사용한 Co 촉매가 탈수소화 반응 중 열에 의하여 야기되는 체적 수축을 완화시키기 위하여, 전처리 과정에서 실리카에 대한 열처리를 선제적으로 수행할 경우, 탈수소화 반응 중 촉매 지지체의 체적 수축을 억제할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 열처리에 의한 실리카의 표면 수산화기가 소실됨에 따른 촉매 내 활성 금속의 담지율 저하 현상을 고온 수계 처리(수산화기 활성화) 과정을 통하여 보완함으로써 체적 수축에 대한 내성을 증가시키고, 이와 함께 최적량의 활성 금속을 담지할 수 있기 때문에 열적 내구성이 양호한 촉매를 제조할 수 있는 것으로 판단된다.According to the above results, in order to mitigate the volumetric shrinkage caused by heat during the dehydrogenation reaction of the Co catalyst using untreated silica as a support, when heat treatment is preemptively performed on the silica during the dehydrogenation reaction, the dehydrogenation reaction It is judged that the volumetric shrinkage of the heavy catalyst support can be suppressed. In addition, resistance to volume shrinkage is increased by supplementing the reduction in the loading rate of active metals in the catalyst due to the disappearance of hydroxyl groups on the surface of silica by heat treatment through a high-temperature water-based treatment (activation of hydroxyl groups), and at the same time, the optimal amount of activity Since the metal can be supported, it is believed that a catalyst having good thermal durability can be prepared.

- EXAFS Wavelet Transform 분석- EXAFS Wavelet Transform Analysis

실시예 1 및 비교제조예 2 각각에 따라 제조된 코발트계 촉매에 대한 EXAFS Wavelet Transform 분석 결과를 도 3에 나타내었다.EXAFS Wavelet Transform analysis results for the cobalt-based catalysts prepared according to Example 1 and Comparative Preparation Example 2 are shown in FIG. 3 .

상기 도면을 참조하면, Co 금속인 경우 R = 2.2 Å 에서 단일 패턴이 확인되었는 바, 이는 Co-Co 결합으로서 Co 금속이 존재하는 경우에 나타나는 특성이다.Referring to the figure, in the case of Co metal, a single pattern was confirmed at R = 2.2 Å, which is a characteristic that appears when Co metal exists as a Co-Co bond.

통상의 Co 산화물에 상당하는 Co3O4의 패턴은 제1 패턴(R = 1.5 Å)의 Co-O 및 제2 패턴(R = 2.5 Å)의 Co-O-Co가 관찰된다. 이와 관련하여, 벌키한 산화물에서는 기본 격자 단위로부터 구조가 반복적으로 나타난다. 이때, 가장 인접한 원자의 수(4개, 6개) 대비 2번째로 인접한 원자의 수(8개, 12개)가 많기 때문에 통상적으로 높은 R 값에서의 패턴 세기가 1번째 패턴 세기보다 강하게 발현된다. 즉, 산화물인 경우에는 입자 내 결정질로 존재하여 단위 셀의 구조가 반복되므로 제2 패턴이 잘 발달되어 있다. 따라서, 제2 패턴이 잘 발달되어 있는 그래프는 코발트 산화물의 형태로 존재함을 알 수 있다. As for the pattern of Co 3 O 4 corresponding to normal Co oxide, Co-O in the first pattern (R = 1.5 Å) and Co-O-Co in the second pattern (R = 2.5 Å) are observed. In this regard, in bulky oxides, structures appear repeatedly from basic lattice units. At this time, since the number of second adjacent atoms (8, 12) is greater than the number of closest atoms (4, 6), the pattern intensity at a high R value is usually stronger than the first pattern intensity. . That is, in the case of the oxide, the second pattern is well developed because the structure of the unit cell is repeated because it exists as a crystal in the particle. Accordingly, it can be seen that the graph in which the second pattern is well developed exists in the form of cobalt oxide.

이와 관련하여, 코발트 단원자 촉매는 낮은 R값 (R = 1.5 Å)에서의 패턴만이 아주 강하게 발현되는 특징을 나타내었다.In this regard, the monoatomic cobalt catalyst exhibited a feature in which only a pattern at a low R value (R = 1.5 Å) was expressed very strongly.

도 3을 참조하면, 제조예 1 및 비교제조예 2 각각에 따라 제조된 코발트 촉매 2종(반응 전)은 모두 제 1 패턴은 잘 발달되어 있으나, 제2 패턴은 확인되지 않았는 바, 이는 Co로부터 거리가 멀어지면서 구조가 발달되어 있지 않음을 지시한다. 이러한 결과를 고려하면, 2개의 시료 모두 반응 전의 상태는 Co가 단원자의 형태로 존재하고 있음을 시사한다. Referring to FIG. 3, in the two cobalt catalysts (before reaction) prepared according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2, the first pattern was well developed, but the second pattern was not confirmed. Increasing distance indicates that the structure is not developed. Considering these results, the state before the reaction in both samples suggests that Co exists in the form of a single atom.

실험예 2Experimental Example 2

본 실험예에서는 제조예 1 및 비교제조예 2에 따라 제조된 코발트계 촉매를 사용하여 고함량의 파라핀을 함유하는 반응물 기체로부터 올레핀을 제조하기 위한 탈수소화 반응을 복수 회 반복하였다. In this Experimental Example, a dehydrogenation reaction for preparing olefins from a reactant gas containing a high paraffin content was repeated a plurality of times using the cobalt-based catalyst prepared according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2.

구체적으로, 실험예 1에서와 동일한 장치 및 초기 반응 조건에서 탈수소화 반응을 수행하였다. 이때, 최초 탈수소화 반응에서 반응물 가스로 99.5% 프로판(리가스)을 20 cc/min의 유량으로 반응기 내에 주입하고 1시간 동안 유지하였다. 1시간 동안 탈수소화 반응을 수행한 다음, 30 분에 걸쳐 N2 가스를 100 cc/min로 흘려주면서 반응관 내부를 퍼지시켰다. 반응기를 거친 생성물 가스의 조성은 15분 간격으로 자동 채취하여 FID(Flame ionization detector)로 분석하였다. 촉매의 재생 단계에서는 공기(99.999%)를 100 cc/min의 유량으로 흘려주어 반응 단계에서 생성된 코크를 제거하였고, 이후 다시 30분 동안 N2 가스를 10 cc/min의 유량으로 흘려주어 반응관 내부를 퍼지시켰다. Specifically, the dehydrogenation reaction was performed in the same apparatus and initial reaction conditions as in Experimental Example 1. At this time, in the first dehydrogenation reaction, 99.5% propane (gas) as a reactant gas was injected into the reactor at a flow rate of 20 cc/min and maintained for 1 hour. After performing the dehydrogenation reaction for 1 hour, the inside of the reaction tube was purged while flowing N 2 gas at 100 cc/min over 30 minutes. The composition of the product gas passing through the reactor was automatically collected at 15-minute intervals and analyzed with a flame ionization detector (FID). In the catalyst regeneration step, air (99.999%) was flowed at a flow rate of 100 cc/min to remove coke generated in the reaction step, and then N 2 gas was flowed at a flow rate of 10 cc/min for another 30 minutes to cool the reaction tube. The inside was purged.

상술한 바와 같이, 반응-퍼지-재생-퍼지의 4개 단계를 반복하였으며, 반복 반응 실험을 5회 반복한 후의 촉매 변화를 EXAFS를 통하여 분석하였는 바, 그 결과를 도 3에 나타내었다. As described above, the four steps of reaction-purge-regeneration-purge were repeated, and the catalyst change after repeating the repeated reaction experiment 5 times was analyzed through EXAFS, and the results are shown in FIG. 3.

상기 도면에 따르면, 제조예 1 및 비교제조예 2 각각에 따른 촉매를 이용한 탈수소화 반응 후 분석 결과, 제조예 1에서는 반응 전과 거의 동일한 현상을 나타내었으나, 비교제조예 2에서는 반응 후 제2 패턴(R = 2.5 Å)이 반응 전에 비하여 상대적으로 많이 발달한 것을 확인할 수 있다. 이는 탈수소화 반응 과정에서 도중 Co 단원자 형태가 산화물의 형태로 전환되었음을 지시한다. 따라서, 제조예 1의 경우에는 반응 전후의 Co 단원자 상태가 유지되는 반면, 비교제조예 2의 경우에는 반응 전후의 Co 존재 상태가 상이해짐을 시사한다.According to the figure, as a result of analysis after dehydrogenation using the catalysts according to Preparation Example 1 and Comparative Preparation Example 2, Preparation Example 1 showed almost the same phenomenon as before the reaction, but in Comparative Preparation Example 2, the second pattern after the reaction ( It can be seen that R = 2.5 Å) is relatively more developed than before the reaction. This indicates that the monoatomic form of Co was converted to an oxide form during the dehydrogenation reaction. Therefore, in the case of Preparation Example 1, the monoatomic state of Co before and after the reaction is maintained, whereas in the case of Comparative Preparation Example 2, the Co existence state before and after the reaction is different.

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 skilled in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

Claims (19)

파라핀의 탈수소화 반응을 위한 단원자 형태의 코발트계 촉매의 제조방법으로서,
a) 지지체로서 실리카를 600 내지 870℃의 범위에서 정하여지는 온도 조건 하에서 열처리하여 수축된 지지체를 유도함과 동시에 표면의 수산화기를 제거한 후, 고온 수계반응을 수행하는 것을 포함하는 전처리를 수행함으로써 실리카 상에 수산화기를 선택적으로 활성화시켜 전처리 실리카를 형성하는 단계;
b) 상기 단계 a)에서 얻어진 전처리 실리카의 수계 분산물을 제조하는 단계;
c) 상기 전처리 실리카의 수계 분산물에 염기 성분을 첨가하여 pH를 적어도 10으로 조절함으로써 pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물을 제조하는 단계;
d) 이와 별도로, 3+의 산화가를 갖는 코발트 전구체의 수용액을 제조하고 염기 성분을 첨가하여 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 제조하는 단계;
e) 상기 pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물 및 상기 pH 조절된 코발트 전구체 수용액을 조합하여 3+의 산화가를 갖는 코발트 이온의 적어도 일부가 상기 전처리 실리카 표면에 흡착되어 있는 수계 분산물을 제조하는 단계;
f) 상기 전처리 실리카 표면에 흡착되지 않는 코발트 이온을 제거하는 단계; 및
g) 상기 단계 f)로부터 얻어진 코발트 이온이 흡착된 실리카를 열처리하는 단계;
를 포함하고,
여기서, 상기 코발트계 촉매는 2+ 산화가를 갖는 코발트가 상기 전처리 실리카 상에서 단리된 단원자 형태로 존재하고, 또한 상기 2+ 산화가를 갖는 코발트는 전처리 실리카 표면에 존재하는 3원 수산화 고리에서 사면체 구조를 형성하며 배위되어 있는 방법.
As a method for producing a monoatomic cobalt-based catalyst for the dehydrogenation of paraffin,
a) Heat treatment of silica as a support under a temperature condition determined in the range of 600 to 870 ° C. to induce a contracted support and at the same time remove hydroxyl groups on the surface, and then perform a pretreatment including performing a high-temperature water-based reaction on silica selectively activating hydroxyl groups to form pretreated silica;
b) preparing an aqueous dispersion of the pretreated silica obtained in step a);
c) preparing a pH-adjusted aqueous dispersion of pretreated silica by adding a base component to the aqueous dispersion of pretreated silica to adjust the pH to at least 10;
d) separately, preparing an aqueous solution of a cobalt precursor having an oxidation value of 3+ and adding a basic component to prepare a pH-adjusted aqueous solution of a cobalt precursor;
e) combining the pH-adjusted aqueous dispersion of the pretreated silica and the pH-adjusted aqueous cobalt precursor solution to prepare an aqueous dispersion in which at least some of the cobalt ions having an oxidation value of 3+ are adsorbed on the surface of the pretreated silica step;
f) removing cobalt ions not adsorbed on the surface of the pretreated silica; and
g) heat-treating the silica adsorbed with cobalt ions obtained from step f);
including,
Here, in the cobalt-based catalyst, cobalt having an oxidation value of 2+ exists in the form of an isolated single atom on the pretreated silica, and cobalt having an oxidation value of 2+ is tetrahedral in a three-membered hydroxyl ring present on the surface of the pretreated silica. The way in which structure is formed and coordinated.
제1항에 있어서, 상기 단계 a) 중 열처리에 의하여 실리카는 전처리 전 실리카 대비 75% 이하 감소된 체적을 나타내고, 또한 고온 수계반응에 의하여 열처리된 실리카 대비 5 내지 50% 증가된 체적을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the silica exhibits a volume reduced by 75% or less compared to silica before pretreatment by heat treatment in step a), and exhibits a volume increased by 5 to 50% compared to silica heat treated by high-temperature water-based reaction How to. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)에서 전처리 전 실리카는 비정질 실리카인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the silica before pretreatment in step a) is amorphous silica. 제3항에 있어서, 상기 단계 a)에서 전처리 전 실리카는 입자 형태로서 입자 사이즈는 0.5 내지 5000 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 3, wherein the silica before pretreatment in step a) is in the form of particles and has a particle size ranging from 0.5 to 5000 μm. 제1항에 있어서, 상기 단계 a) 중 열처리 전 실리카의 표면 수산화기 농도는 3 내지 5 mmol/㏄ 범위이고, 열 처리 후 실리카의 표면 수산화기 농도는 0.2 mmol/㏄ 미만이며, 그리고
상기 단계 a) 중 고온 수계반응 후 실리카의 표면 수산화기 농도는 3 내지 5 mmol/㏄의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein in step a), the surface hydroxyl group concentration of the silica before heat treatment is in the range of 3 to 5 mmol/cc, and the surface hydroxyl group concentration of the silica after heat treatment is less than 0.2 mmol/cc, and
The method, characterized in that the surface hydroxyl group concentration of the silica after the high-temperature water-based reaction in step a) is in the range of 3 to 5 mmol / cc.
제1항에 있어서, 상기 전처리 실리카는 적어도 0.8 중량%의 코발트 이온의 담지능을 갖는 것을 특징으로 하는 방법. 2. The method of claim 1, wherein the pretreated silica has a carrying capacity of at least 0.8% by weight of cobalt ions. 제1항에 있어서, 상기 단계 a) 중 고온수계 처리는 상기 열처리된 실리카를 수계 매질 내에 분산시켜 열처리된 실리카-수계 분산물을 제조하는 단계; 및
상기 열처리된 실리카-수계 분산물을 70 내지 150℃의 온도 조건 하에서 끓이는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the high-temperature water-based treatment in step a) comprises preparing a heat-treated silica-aqueous dispersion by dispersing the heat-treated silica in an aqueous medium; and
Boiling the heat-treated silica-aqueous dispersion under a temperature condition of 70 to 150 ° C;
A method comprising a.
제7항에 있어서, 상기 열처리된 실리카-수계 분산물 내 실리카의 함량은 1 내지 30 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 방법.8. The method according to claim 7, characterized in that the content of silica in the heat-treated silica-aqueous dispersion ranges from 1 to 30% by weight. 제1항에 있어서, 상기 단계 a)로부터 얻어진 전처리 실리카의 입자 사이즈는 0.3 내지 4000 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, characterized in that the particle size of the pretreated silica obtained from step a) ranges from 0.3 to 4000 μm. 제1항에 있어서, 상기 단계 b)에서 제조되는 전처리 실리카-함유 수계 분산물의 농도는 1 내지 30 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, characterized in that the concentration of the pretreated silica-containing aqueous dispersion prepared in step b) is in the range of 1 to 30% by weight. 제1항에 있어서, 상기 단계 c) 및 상기 단계 d) 각각에서 사용된 염기 성분은 서로 동일하거나 상이하며, 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the basic components used in each of step c) and step d) are the same as or different from each other and are at least one selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide and ammonium hydroxide. . 제1항에 있어서, 상기 단계 d) 중 코발트 전구체는 3+의 산화가를 갖는 코발트(Co(III)) 착이온을 포함하는 전구체이고, 그리고
상기 코발트 전구체 수용액 내 코발트 전구체의 농도는 0.1 내지 20 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1, wherein the cobalt precursor in step d) is a precursor containing a cobalt (Co(III)) complex ion having an oxidation value of 3+, and
The method, characterized in that the concentration of the cobalt precursor in the aqueous solution of the cobalt precursor ranges from 0.1 to 20% by weight.
제12항에 있어서, 상기 코발트 전구체로서 Co(NH3)6Cl3를 직접 사용하거나, 또는 Co(NO3)2, CoCl2, 및 Co(acac)3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 코발트 화합물을 암모니아수로 처리한 후에 여과를 통하여 얻어진 코발트 착이온을 포함하는 전구체를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 12, wherein Co(NH 3 ) 6 Cl 3 is directly used as the cobalt precursor, or at least one cobalt compound selected from the group consisting of Co(NO 3 ) 2 , CoCl 2 , and Co(acac) 3 A method characterized by using a precursor containing cobalt complex ions obtained through filtration after treating with ammonia water. 제1항에 있어서, 상기 단계 e) 중 pH 조절된 코발트 전구체 수용액과 pH 조절된 전처리 실리카의 수계 분산물의 혼합 비는 코발트 전구체가 실리카 중량을 기준으로 적어도 1 중량%가 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the mixing ratio of the aqueous dispersion of the pH-adjusted cobalt precursor solution and the pH-adjusted pretreated silica in step e) is adjusted so that the cobalt precursor is at least 1% by weight based on the weight of the silica. Way. 제1항에 있어서, 상기 단계 g)의 열처리는 산소-함유 분위기 및 250 내지 1000℃의 온도 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the heat treatment in step g) is performed in an oxygen-containing atmosphere and at a temperature of 250 to 1000 °C. 제1항에 있어서, 상기 촉매 내 코발트의 함량은 적어도 1 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.2. A method according to claim 1, characterized in that the content of cobalt in the catalyst is at least 1% by weight. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 알칼리 금속을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, wherein the catalyst is free of alkali metals. 파라핀을 함유하는 공급원료를 제공하는 단계;
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따라 제조된 촉매의 존재 하에서 500 내지 700℃의 온도 및 0.3 내지 2 bar의 압력 조건 하에 상기 공급원료에 대한 탈수소화 반응을 수행하는 단계; 및
상기 탈수소화 반응 생성물 중 상기 파라핀에 대응되는 올레핀을 회수하는 단계;
를 포함하는 파라핀으로부터 올레핀을 제조하는 방법.
providing a feedstock containing paraffin;
Performing a dehydrogenation reaction on the feedstock under conditions of a temperature of 500 to 700 ° C. and a pressure of 0.3 to 2 bar in the presence of a catalyst prepared according to any one of claims 1 to 17; and
recovering olefins corresponding to the paraffins from the dehydrogenation reaction products;
Method for producing olefins from paraffins comprising a.
제18항에 있어서, 상기 공급원료 내 파라핀의 함량은 적어도 50 체적%인 것을 특징으로 하는 파라핀으로부터 올레핀을 제조하는 방법.19. The process of claim 18, wherein the paraffin content in the feedstock is at least 50% by volume.
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