KR102504656B1 - Selective catalytic reduction catalysts comprising nitrogen doped titanium dioxide support and method of preparing same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질소 도핑된 이산화티타늄(N doped TiO2, N-TiO2)을 포함하는 지지체; 및 상기 지지체 상에 담지되고, 금속 산화물을 포함하는 활성물질;을 포함하는 선택적 환원 촉매에 관한 것이다. 본 발명의 선택적 환원 촉매 및 그의 제조방법은 질소가 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)을 포함하는 지지체를 사용함으로써, 촉매 활성물질의 응집을 막아 활성물질의 분산성을 향상시켜 높은 효율로 질소산화물을 제거할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a support comprising nitrogen-doped titanium dioxide (N doped TiO 2 , N-TiO 2 ); and an active material supported on the support and containing a metal oxide. The selective reduction catalyst and method for preparing the same of the present invention use a support containing nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) to prevent aggregation of catalytically active materials and improve dispersibility of active materials, resulting in high nitrogen efficiency. It has the effect of removing oxides.

Description

질소 도핑된 이산화티타늄 지지체를 포함하는 선택적 환원 촉매 및 그의 제조방법 {SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION CATALYSTS COMPRISING NITROGEN DOPED TITANIUM DIOXIDE SUPPORT AND METHOD OF PREPARING SAME}Selective reduction catalyst comprising nitrogen-doped titanium dioxide support and method for preparing the same

본 발명은 선택적 환원 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질소가 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)을 포함하는 지지체를 사용함으로써, 촉매 활성물질의 응집을 막아 활성물질의 분산성을 향상시켜 높은 효율로 질소산화물을 제거할 수 있는 선택적 환원 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a selective reduction catalyst and a method for preparing the same, and more particularly, by using a support containing nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) to prevent aggregation of catalytically active materials, thereby reducing active materials It relates to a selective reduction catalyst that can remove nitrogen oxides with high efficiency by improving acidity and a method for preparing the same.

질소산화물(NOx)은 이산화질소, 일산화질소 및 아산화질소 등으로 발전소, 각종 산업용 보일러 등과 같은 고정배출원에서 연소 과정 중에 생성되어 대기 중으로 배출됨에 따라 광화학 스모그와 산성비를 유발하는 대표적인 대기오염물질이다.Nitrogen oxides (NOx) are nitrogen dioxide, nitrous oxide, and nitrous oxide, which are generated during the combustion process in stationary emission sources such as power plants and various industrial boilers, and are discharged into the atmosphere, thereby causing photochemical smog and acid rain.

질소산화물을 제거하는 기술 중에서 현재 가장 널리 상업화된 기술로는 암모니아를 환원제로 하여 촉매 상에서 질소산화물을 무해한 물과 질소로 환원시켜 제거하는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 방식과, 촉매를 사용하지 않고 고온 영역에서 환원제(대표적으로, 암모니아) 만을 사용하여 질소산화물을 질소와 수증기로 전환시켜 저감하는 SNCR(Selective Non Catalytic Reduction) 방식이 있다.Among technologies for removing nitrogen oxides, currently the most widely commercialized technologies are the SCR (Selective Catalytic Reduction) method, which removes nitrogen oxides by reducing them to harmless water and nitrogen on a catalyst using ammonia as a reducing agent, and the high-temperature area without using a catalyst There is a SNCR (Selective Non Catalytic Reduction) method that reduces nitrogen oxides by converting them into nitrogen and water vapor using only a reducing agent (typically, ammonia).

SCR 방식은 고정 배출원에서 배출되는 배가스에 암모니아 또는 탄화수소류 환원제를 분사하여 배가스와 환원제를 혼합시킨 후에 촉매를 통과시켜서 질소산화물을 물과 질소로 환원시켜 질소산화물을 제거하게 되며, 이러한 SCR 방식은 배가스 중에서 질소산화물 제거에 매우 효과적이지만, 적정 온도범위를 벗어난 운전 조건, 예를 들어 배가스의 온도가 낮은 저부하 운전에서는 탈질 효과가 매우 저하될 수 있다.The SCR method injects ammonia or a hydrocarbon reducing agent into the exhaust gas discharged from a fixed emission source, mixes the exhaust gas and the reducing agent, and then passes through a catalyst to reduce nitrogen oxides to water and nitrogen to remove nitrogen oxides. This SCR method removes nitrogen oxides. Although it is very effective in removing nitrogen oxides, the denitrification effect may be greatly reduced in operating conditions outside the proper temperature range, for example, in low-load operation where the exhaust gas temperature is low.

최근 미세먼지 범국민 대책위원회가 출범되는 등 미세먼지에 대한 우려가 급증함에 따라, 2차 생성 미세먼지의 대표적인 전구물질 중 하나인 질소산화물을 저감시키기 위한 연구에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 최근 강화되는 질소산화물 배출 규제를 준수하기 위해서는 보다 높은 효율의 촉매 개발이 필요하다.As concerns about fine dust rapidly increase, such as the recent launch of the Pan-National Countermeasures Committee for fine dust, interest in research to reduce nitrogen oxide, one of the representative precursors of secondary fine dust, is increasing. Therefore, it is necessary to develop a catalyst with higher efficiency in order to comply with recently strengthened nitrogen oxide emission regulations.

또한 촉매 반응은 표면반응이므로 활성물질들을 나노분산시켜 촉매 반응점을 증진시켜야 낮은 함량으로도 높은 효율을 나타낼 수 있으므로, 촉매 활성 물질의 응집을 막을 수 있는 기술 개발이 필요하다.In addition, since the catalytic reaction is a surface reaction, it is necessary to develop a technology capable of preventing aggregation of the catalytically active material because high efficiency can be achieved even with a low content when the catalytic reaction point is increased by nanodispersing the active materials.

본 발명의 목적은 질소가 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)을 포함하는 지지체를 사용함으로써, 촉매 활성물질의 응집을 막아 활성물질의 분산성을 향상시켜 높은 효율로 질소산화물을 제거할 수 있는 선택적 환원 촉매 및 그의 제조방법을 제공한다.An object of the present invention is to prevent aggregation of catalytic active materials by using a support containing nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ), thereby improving the dispersibility of the active materials to remove nitrogen oxides with high efficiency. A selective reduction catalyst and a method for preparing the same are provided.

본 발명의 일 측면에 따르면, 질소 도핑된 이산화티타늄(N doped TiO2, N-TiO2)을 포함하는 지지체; 및 상기 지지체 상에 담지되고, 금속 산화물을 포함하는 활성물질;을 포함하는 선택적 환원 촉매를 제공한다.According to one aspect of the present invention, a support comprising nitrogen-doped titanium dioxide (N doped TiO 2 , N-TiO 2 ); and an active material supported on the support and containing a metal oxide.

상기 지지체가 다공성 이산화티타늄; 및 상기 다공성 이산화티타늄의 표면 상에 형성된 상기 질소 도핑된 이산화티타늄을 포함할 수 있다.The support is porous titanium dioxide; and the nitrogen-doped titanium dioxide formed on the surface of the porous titanium dioxide.

상기 질소 도핑된 이산화티타늄이 상기 다공성 이산화티타늄의 외부와 인접하는 표면 상에 형성된 것일 수 있다.The nitrogen-doped titanium dioxide may be formed on a surface adjacent to the outside of the porous titanium dioxide.

상기 질소 도핑된 이산화티타늄이 상기 다공성 이산화티타늄의 기공과 인접하는 표면 상에 추가로 형성된 것일 수 있다.The nitrogen-doped titanium dioxide may be additionally formed on a surface adjacent to pores of the porous titanium dioxide.

상기 질소 도핑된 이산화티타늄은 질소(N)가 이산화티타늄(TiO2)의 산소(O)와 치환되거나 또는 이산화티타늄의 격자결함(lattice defect)에 침입하여 형성된 것일 수 있다.The nitrogen-doped titanium dioxide may be formed by replacing nitrogen (N) with oxygen (O) of titanium dioxide (TiO 2 ) or invading a lattice defect of titanium dioxide.

상기 금속 산화물이 바나듐 산화물 및 텅스텐 산화물을 포함할 수 있다.The metal oxide may include vanadium oxide and tungsten oxide.

상기 선택적 환원 촉매가 상기 지지체 100 중량부에 대하여, 상기 바나듐 산화물 0.1 내지 10 중량부; 상기 텅스텐 산화물 1 내지 10 중량부;를 포함할 수 있다.The selective reduction catalyst may include 0.1 to 10 parts by weight of the vanadium oxide based on 100 parts by weight of the support; 1 to 10 parts by weight of the tungsten oxide; may include.

상기 선택적 환원 촉매의 형태가 분말(powder), 벌집(honeycomb), 판(plate), 물결(corrugated shape) 및 과립(granule)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 형태를 포함할 수 있다.The form of the selective reduction catalyst may include any one form selected from the group consisting of powder, honeycomb, plate, corrugated shape, and granule.

상기 선택적 환원 촉매는 기공을 갖는 다공성일 수 있다.The selective reduction catalyst may be porous having pores.

상기 선택적 환원 촉매의 기공 크기는 5 내지 20 nm 일 수 있다.The pore size of the selective reduction catalyst may be 5 to 20 nm.

상기 선택적 환원 촉매의 입자 크기는 10 내지 50 nm 일 수 있다.The particle size of the selective reduction catalyst may be 10 to 50 nm.

상기 선택적 환원 촉매가 질소산화물(NOx) 제거에 사용하기 위한 것일 수 있다.The selective reduction catalyst may be used to remove nitrogen oxides (NOx).

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 질소 도핑된 이산화티타늄(N doped TiO2, N-TiO2)을 포함하는 지지체를 포함하는 지지체 용액을 제조하는 단계; (b) 금속 산화물 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 지지체 용액 및 상기 전구체 용액을 혼합하고, 초음파 조사하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 혼합용액을 교반하고, 건조하여 상기 선택적 환원 촉매를 제조하는 단계; 를 포함하는 선택적 환원 촉매의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, (a) preparing a support solution including a support including nitrogen-doped titanium dioxide (N doped TiO 2 , N-TiO 2 ); (b) preparing a precursor solution containing a metal oxide precursor; (c) preparing a mixed solution by mixing the support solution and the precursor solution and irradiating with ultrasonic waves; and (d) preparing the selective reduction catalyst by stirring and drying the mixed solution; It provides a method for producing a selective reduction catalyst comprising a.

단계 (a)가 (a-1) 이산화티타늄(TiO2) 및 질소 전구체를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (a-2) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 질소 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)를 포함하는 지지체를 제조하는 단계; 및 (a-3) 상기 지지체를 물과 혼합하여 상기 지지체 용액을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.Step (a) is (a-1) preparing a solution containing titanium dioxide (TiO 2 ) and a nitrogen precursor; (a-2) preparing a support containing nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) by drying and heat-treating the solution; and (a-3) preparing the support solution by mixing the support with water.

상기 질소 전구체는 우레아(CH4N2O), 질산암모늄(NH4NO3), 수산화암모늄(NH4OH) 및 암모니아(NH3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The nitrogen precursor may include at least one selected from the group consisting of urea (CH 4 N 2 O), ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ), ammonium hydroxide (NH 4 OH), and ammonia (NH 3 ).

상기 금속 산화물 전구체는 바나듐 산화물 전구체 및 텅스텐 산화물 전구체를 포함할 수 있다.The metal oxide precursor may include a vanadium oxide precursor and a tungsten oxide precursor.

상기 바나듐 산화물 전구체는 메타바나듐산암모늄(NH4VO3), 바나딜 설페이트(VOSO4), 바나딜 옥살레이트(VOC2O4·xH2O) 및 바나딜 아세틸아세토네이트[VO(acac)2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The vanadium oxide precursor is ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), vanadyl sulfate (VOSO 4 ), vanadyl oxalate (VOC 2 O 4 xH 2 O) and vanadyl acetylacetonate [VO(acac) 2 ] may include one or more selected from the group consisting of.

상기 텅스텐 산화물 전구체는 암모늄 메타텅스테이트 하이드레이트(Ammonium metatungstate, (NH4)6H2W12O40·xH2O), 암모늄 텅스테이트(Ammonium tungstate, (NH4)10H2(W2O7)6) 암모늄 파라텅스테이트 하이드레이트(Ammoniumparatungstate, (NH4)10(H2W12O42)·4H2O) 및 산화텅스텐 (Tungsten oxide, WO3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The tungsten oxide precursor is ammonium metatungstate hydrate (Ammonium metatungstate, (NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0 xH 2 O), ammonium tungstate (Ammonium tungstate, (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O) 7 ) 6 ) Ammoniumparatungstate hydrate (Ammoniumparatungstate, (NH 4 ) 10 (H 2 W 12 O 42 )·4H 2 O) and tungsten oxide (WO 3 ) includes at least one selected from the group consisting of can do.

단계 (b)가 (b-1) 상기 바나듐 산화물 전구체를 포함하는 제1 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 (b-2) 상기 텅스텐 산화물 전구체를 포함하는 제2 전구체 용액을 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.Step (b) is (b-1) preparing a first precursor solution containing the vanadium oxide precursor; and (b-2) preparing a second precursor solution containing the tungsten oxide precursor; can include

단계 (b-1)에서 상기 제1 전구체 용액이 옥살산, 말론산, 석신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 서버산, 아젤라산, 세박산, 프탈산, 이소프탈산 및 테레프탈산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.In step (b-1), the first precursor solution is selected from the group consisting of oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, serveric acid, azelaic acid, sebacic acid, phthalic acid, isophthalic acid and terephthalic acid It may further include one or more selected from.

본 발명의 선택적 환원 촉매 및 그의 제조방법은 질소가 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2) 지지체를 사용함으로써, 촉매 활성물질의 응집을 막아 활성물질의 분산성을 향상시켜 높은 효율로 질소산화물을 제거할 수 있는 효과가 있다.The selective reduction catalyst and method for preparing the same of the present invention uses a nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) support to prevent aggregation of catalytic active materials and improve dispersibility of active materials to remove nitrogen oxides with high efficiency. There are effects that can be done.

또한 본 발명은 종래의 이산화티타늄(TiO2)을 활용함으로써 scale-up의 경우에도 성형성 및 강도가 보장됨에 따라, 상용화를 기대할 수 있다.In addition, the present invention can expect commercialization as formability and strength are guaranteed even in the case of scale-up by utilizing conventional titanium dioxide (TiO 2 ).

또한 본 발명은 촉매 형상에 관계없이, 허니컴형(Honeycomb), 플레이트형(Plate), 파형(Corrugated) 모두 종래의 이산화티타늄(TiO2)을 대체하여 사용될 수 있으며, 다양한 조성의 촉매 활성물질을 담지하여 활용할 수 있다.In addition, regardless of the shape of the catalyst, the present invention can be used in place of conventional titanium dioxide (TiO 2 ) in honeycomb, plate, and corrugated forms, and supports catalytic active materials of various compositions. and can utilize it.

도 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 지지체의 XPS 표면 분석 그래프이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 지지체의 UV-Visible 분석 결과이다.
도 3a 내지 3c는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 지지체의 표면 O 1s, N 1s, Ti 2p의 결합 변화 분석 결과이다.
도 4는 실시예 2 내지 4 및 비교예 2에 따른 촉매의 질소산화물 제거 특성 평가 결과이다.
1 is an XPS surface analysis graph of supports according to Example 1 and Comparative Example 1.
Figure 2 is a UV-Visible analysis result of the support according to Example 1 and Comparative Example 1.
3a to 3c are analysis results of bonding changes of O 1s, N 1s, and Ti 2p on the surfaces of the supports according to Example 1 and Comparative Example 1.
4 is an evaluation result of nitrogen oxide removal characteristics of catalysts according to Examples 2 to 4 and Comparative Example 2.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 도는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, or combination thereof described in the specification, but one or more other features or It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, or combinations thereof is not precluded.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Also, terms including ordinal numbers such as first and second to be used below may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when a component is referred to as being “formed” or “layered” on another component, it may be formed or laminated directly on the front or one side of the surface of the other component, but intermediate It should be understood that other components may be further present.

이하 본 발명의 선택적 환원 촉매에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the selective reduction catalyst of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, and the present invention is not limited thereby, and the present invention is only defined by the scope of the claims to be described later.

본 발명은 질소 도핑된 이산화티타늄(N doped TiO2, N-TiO2)을 포함하는 지지체; 및 상기 지지체 상에 담지되고, 금속 산화물을 포함하는 활성물질;을 포함하는 선택적 환원 촉매를 제공한다.The present invention relates to a support comprising nitrogen-doped titanium dioxide (N doped TiO 2 , N-TiO 2 ); and an active material supported on the support and containing a metal oxide.

상기 지지체가 다공성 이산화티타늄; 및 상기 다공성 이산화티타늄의 표면 상에 형성된 상기 질소 도핑된 이산화티타늄을 포함할 수 있다.The support is porous titanium dioxide; and the nitrogen-doped titanium dioxide formed on the surface of the porous titanium dioxide.

상기 질소 도핑된 이산화티타늄이 상기 다공성 이산화티타늄의 외부와 인접하는 표면 상에 형성된 것일 수 있다.The nitrogen-doped titanium dioxide may be formed on a surface adjacent to the outside of the porous titanium dioxide.

상기 질소 도핑된 이산화티타늄이 상기 다공성 이산화티타늄의 기공과 인접하는 표면 상에 추가로 형성된 것일 수 있다.The nitrogen-doped titanium dioxide may be additionally formed on a surface adjacent to pores of the porous titanium dioxide.

상기 질소 도핑된 이산화티타늄은 질소(N)가 이산화티타늄(TiO2)의 산소(O)와 치환되거나 또는 이산화티타늄의 격자결함(lattice defect)에 침입하여 형성된 것일 수 있다.The nitrogen-doped titanium dioxide may be formed by replacing nitrogen (N) with oxygen (O) of titanium dioxide (TiO 2 ) or invading a lattice defect of titanium dioxide.

상기 질소 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)은 2nm 이하의 기공을 나타내는 Micropore area (T-plot)가 3 내지 15 m2/g 일 수 있고, 바람직하게는 8 내지 11 m2/g 일 수 있다.The nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) may have a micropore area (T-plot) of 3 to 15 m 2 /g, preferably 8 to 11 m 2 /g, showing pores of 2 nm or less. there is.

상기 질소가 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)은 높은 비표면적 및 표면 비금속 도핑을 통해 anchoring site를 제공함에 따라 촉매 활성물질들을 분산시킬 수 있어 주촉매 뿐만아니라 촉매 부반응을 억제하는 역할을 하는 다양한 조촉매들의 분산을 통해 촉매 활성 증진을 기대할 수 있다. As the nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) provides an anchoring site through a high specific surface area and surface non-metal doping, catalytically active materials can be dispersed, which serves to suppress not only the main catalyst but also catalytic side reactions. Catalytic activity enhancement can be expected through the dispersion of cocatalysts.

상기 금속 산화물이 바나듐 산화물 및 텅스텐 산화물을 포함할 수 있다.The metal oxide may include vanadium oxide and tungsten oxide.

상기 바나듐 산화물은 주촉매, 상기 텅스텐 산화물은 조촉매일 수 있다.The vanadium oxide may be a main catalyst and the tungsten oxide may be a cocatalyst.

상기 선택적 환원 촉매가 상기 지지체 100 중량부에 대하여, 상기 바나듐 산화물 0.1 내지 10 중량부; 상기 텅스텐 산화물 1 내지 10 중량부;를 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 바나듐 산화물 0.1 내지 5 중량부; 상기 텅스텐 산화물 3 내지 7 중량부;를 포함할 수 있다.The selective reduction catalyst may include 0.1 to 10 parts by weight of the vanadium oxide based on 100 parts by weight of the support; 1 to 10 parts by weight of the tungsten oxide; preferably, 0.1 to 5 parts by weight of the vanadium oxide; 3 to 7 parts by weight of the tungsten oxide; may include.

상기 지지체 100 중량부에 대하여, 상기 바나듐 산화물이 0.1 중량부 미만이면 낮은 함량으로 인해 높은 탈질 효율을 달성하지 못하므로 바람직하지 않고, 10 중량부 초과이면 고온 영역에서 SO2를 SO3로 산화시키거나, 환원제로 사용되는 암모니아를 산화시켜 NOx를 발생시키는 등 각종 부반응을 야기하므로 바람직하지 않다. With respect to 100 parts by weight of the support, if the vanadium oxide is less than 0.1 parts by weight, it is not preferable because high denitrification efficiency cannot be achieved due to the low content, and if it is greater than 10 parts by weight, SO 2 is oxidized to SO 3 in a high temperature region, or , which is undesirable because it causes various side reactions such as oxidizing ammonia used as a reducing agent and generating NOx.

상기 지지체 100 중량부에 대하여, 상기 텅스텐 산화물이 0.1 중량부 미만이면 촉매 내 활성물질의 양이 부족함에 따라 구조, 열적 안정성이 확보되지 못하여 활성 온도범위가 좁아지며, 활성이 낮게 나타날 수 있어 바람직하지 않고, 10 중량부 초과이면 높은 함량에 의해 분말의 응집 현상이 발생될 수 있으며, 높은 온도에서는 촉매 부반응을 야기할 수 있으므로 바람직하지 않다. With respect to 100 parts by weight of the support, if the tungsten oxide is less than 0.1 parts by weight, the structure and thermal stability cannot be secured due to the insufficient amount of the active material in the catalyst, thereby narrowing the active temperature range and lowering the activity. However, if it exceeds 10 parts by weight, agglomeration of the powder may occur due to a high content, and a side reaction of the catalyst may be caused at a high temperature, which is not preferable.

상기 선택적 환원 촉매의 형태가 분말(powder), 벌집(honeycomb), 판(plate), 물결(corrugated shape) 및 과립(granule)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 형태를 포함할 수 있다.The form of the selective reduction catalyst may include any one form selected from the group consisting of powder, honeycomb, plate, corrugated shape, and granule.

상기 선택적 환원 촉매는 기공을 갖는 다공성일 수 있다.The selective reduction catalyst may be porous having pores.

상기 선택적 환원 촉매는 2nm 이하의 기공을 나타내는 Micropore area (T-plot)가 3 내지 15 m2/g 일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 11 m2/g 일 수 있다.The selective reduction catalyst may have a micropore area (T-plot) of 3 to 15 m 2 /g, preferably 5 to 11 m 2 /g, showing pores of 2 nm or less.

상기 선택적 환원 촉매의 기공 크기는 5 내지 20 nm 일 수 있다. The pore size of the selective reduction catalyst may be 5 to 20 nm.

상기 선택적 환원 촉매의 입자 크기는 10 내지 50 nm일 수 있다.The particle size of the selective reduction catalyst may be 10 to 50 nm.

상기 선택적 환원 촉매가 질소산화물(NOx) 제거에 사용하기 위한 것일 수 있다.The selective reduction catalyst may be used to remove nitrogen oxides (NOx).

상기 선택적 환원 촉매의 활성 온도가 150 내지 450℃일 수 있고, 바람직하게는 250 내지 400℃일 수 있다.The activation temperature of the selective reduction catalyst may be 150 to 450 °C, preferably 250 to 400 °C.

상기 선택적 환원 촉매는 화석연료의 사용에 따라 발생하는 질소산화물(예: NO, NO2 등 통칭 NOx, 산성비, 광화학적 스모그 등의 문제를 발생시키는 유해물질)을 대기중으로 배출되기 전에(배출후단에서) N2와 H2O 등의 유해하지 않은 물질로 전환할 수 있는 탈질 촉매이다.The selective reduction catalyst is used to discharge nitrogen oxides (e.g. NO, NO 2 , etc., commonly known as NOx , acid rain, photochemical smog, etc. in) It is a denitration catalyst that can convert N 2 and H 2 O into harmless substances.

이하 본 발명의 선택적 환원 촉매의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the method for preparing the selective reduction catalyst of the present invention will be described in detail.

먼저, 질소 도핑된 이산화티타늄(N doped TiOFirst, nitrogen doped titanium dioxide (N doped TiO 22 , N-TiO, N-TiO 22 )을 포함하는 지지체를 포함하는 지지체 용액을 제조한다(단계 a).) Prepare a support solution comprising a support comprising (step a).

단계 (a)가 (a-1) 이산화티타늄(TiO2) 및 질소 전구체를 포함하는 용액을 제조하는 단계; (a-2) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 질소 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)를 포함하는 지지체를 제조하는 단계; 및 (a-3) 상기 지지체를 물과 혼합하여 상기 지지체 용액을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.Step (a) is (a-1) preparing a solution containing titanium dioxide (TiO 2 ) and a nitrogen precursor; (a-2) preparing a support containing nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) by drying and heat-treating the solution; and (a-3) preparing the support solution by mixing the support with water.

단계 (a-2)의 건조가 회전증발건조일 수 있고, 상기 건조를 통해 용매를 증발시킬 수 있다.The drying in step (a-2) may be rotary evaporation, and the solvent may be evaporated through the drying.

단계 (a-2)의 열처리가 질소(N2) 분위기에서 수행될 수 있다.The heat treatment of step (a-2) may be performed in a nitrogen (N 2 ) atmosphere.

상기 질소 전구체는 우레아(CH4N2O), 질산암모늄(NH4NO3), 수산화암모늄(NH4OH) 및 암모니아(NH3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The nitrogen precursor may include at least one selected from the group consisting of urea (CH 4 N 2 O), ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ), ammonium hydroxide (NH 4 OH), and ammonia (NH 3 ).

다음으로, 금속 산화물 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조한다(단계 b).Next, a precursor solution containing a metal oxide precursor is prepared (step b).

상기 금속 산화물 전구체는 바나듐 산화물 전구체 및 텅스텐 산화물 전구체를 포함할 수 있다.The metal oxide precursor may include a vanadium oxide precursor and a tungsten oxide precursor.

상기 바나듐 산화물 전구체는 메타바나듐산암모늄(NH4VO3), 바나딜 설페이트(VOSO4), 바나딜 옥살레이트(VOC2O4·xH2O) 및 바나딜 아세틸아세토네이트[VO(acac)2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 메타바나듐산암모늄(NH4VO3)을 포함할 수 있다.The vanadium oxide precursor is ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), vanadyl sulfate (VOSO 4 ), vanadyl oxalate (VOC 2 O 4 xH 2 O) and vanadyl acetylacetonate [VO(acac) 2 ] may include one or more selected from the group consisting of, and preferably may include ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ).

상기 텅스텐 산화물 전구체는 암모늄 메타텅스테이트 하이드레이트(Ammonium metatungstate, (NH4)6H2W12O40·xH2O), 암모늄 텅스테이트(Ammonium tungstate, (NH4)10H2(W2O7)6) 암모늄 파라텅스테이트 하이드레이트(Ammoniumparatungstate, (NH4)10(H2W12O42)·4H2O) 및 산화텅스텐 (Tungsten oxide, WO3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 암모늄 메타텅스테이트 하이드레이트(Ammonium metatungstate, (NH4)6H2W12O40·xH2O)을 포함할 수 있다. The tungsten oxide precursor is ammonium metatungstate hydrate (Ammonium metatungstate, (NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0 xH 2 O), ammonium tungstate (Ammonium tungstate, (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O) 7 ) 6 ) Ammoniumparatungstate hydrate (Ammoniumparatungstate, (NH 4 ) 10 (H 2 W 12 O 42 )·4H 2 O) and tungsten oxide (WO 3 ) includes at least one selected from the group consisting of and preferably include ammonium metatungstate hydrate ((NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0·xH 2 O).

단계 (b)가 (b-1) 상기 바나듐 산화물 전구체를 포함하는 제1 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 (b-2) 상기 텅스텐 산화물 전구체를 포함하는 제2 전구체 용액을 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.Step (b) is (b-1) preparing a first precursor solution containing the vanadium oxide precursor; and (b-2) preparing a second precursor solution containing the tungsten oxide precursor; can include

단계 (b-1)에서 상기 제1 전구체 용액이 옥살산, 말론산, 석신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 서버산, 아젤라산, 세박산, 프탈산, 이소프탈산 및 테레프탈산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.In step (b-1), the first precursor solution is selected from the group consisting of oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, serveric acid, azelaic acid, sebacic acid, phthalic acid, isophthalic acid and terephthalic acid It may further include one or more selected from.

다음으로, 상기 지지체 용액 및 상기 전구체 용액을 혼합하고, 초음파 조사하여 혼합용액을 제조한다(단계 c).Next, the support solution and the precursor solution are mixed and ultrasonically irradiated to prepare a mixed solution (step c).

단계 (c)의 상기 초음파 조사를 0.5 내지 3시간 동안 수행할 수 있다.The ultrasonic irradiation of step (c) may be performed for 0.5 to 3 hours.

마지막으로, 상기 혼합용액을 교반하고, 건조하여 상기 선택적 환원 촉매를 제조한다(단계 d).Finally, the mixed solution is stirred and dried to prepare the selective reduction catalyst (step d).

단계 (d)의 상기 건조는 50 내지 100 ℃의 온도에서 0.5 내지 5시간 동안 수행될 수 있고, 상기 건조는 회전증발건조일 수 있고, 상기 건조를 통해 용매를 증발시킬 수 있다.The drying of step (d) may be performed at a temperature of 50 to 100 ° C. for 0.5 to 5 hours, the drying may be rotary evaporation, and the solvent may be evaporated through the drying.

단계 (d) 이후에, 상기 선택적 환원 촉매를 열처리하는 단계 (e);를 추가로 포함할 수 있다.After step (d), step (e) of heat-treating the selective reduction catalyst; may further include.

단계 (d)의 상기 열처리는 300 내지 600 ℃의 온도에서 0.5 내지 5시간 동안 수행될 수 있다. The heat treatment of step (d) may be performed at a temperature of 300 to 600 °C for 0.5 to 5 hours.

[실시예] [Example]

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes and the scope of the present invention is not limited thereby.

[지지체의 제조][Preparation of support]

실시예 1: 질소가 도핑된 이산화티타늄의 제조Example 1: Preparation of titanium dioxide doped with nitrogen

TiO2 분말 10 g을 우레아(Urea) 2M 용액에 첨가하여 1시간 동안 교반한 후, 70℃에서 30분 동안 50 mbar로 회전증발건조한 후, 용매를 건조하기 위해 70℃에서 30분 동안 0 mbar로 회전증발건조하였다. 다음으로 500 ℃ 온도 조건에서 1시간 동안 N2 분위기 (500 cc/min) 열처리하여 질소가 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)을 제조하였다.10 g of TiO 2 powder was added to a 2M solution of urea, stirred for 1 hour, dried by rotary evaporation at 70°C for 30 minutes at 50 mbar, and then dried at 70°C for 30 minutes at 0 mbar to dry the solvent. Rotary evaporation was performed. Next, nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) was prepared by heat treatment in a N 2 atmosphere (500 cc/min) for 1 hour at a temperature of 500 °C.

[선택적 환원 촉매의 제조][Preparation of Selective Reduction Catalyst]

실시예 2: 2V5W/N-TiOExample 2: 2V5W/N-TiO 22 의 제조manufacture of

4.65 g의 실시예 1에 따라 제조된 N-TiO2을 100 ml 증류수에 분산 후 30분 동안 교반하여 지지체 용액을 제조하였다. 4.65 g of N-TiO 2 prepared according to Example 1 was dispersed in 100 ml of distilled water and stirred for 30 minutes to prepare a support solution.

이어서 0.30 g의 옥살산(oxalic acid, Sigma-Aldrich)과 0.13 g(2wt%)의 암모늄 메타바나데이트(Ammonium metavanadate, NH4VO3, Sigma-Aldrich)을 50 ml의 증류수에 첨가하고, 60 ℃로 30분 동안 교반하여 제1 전구체 용액을 제조하였다. Subsequently, 0.30 g of oxalic acid (Sigma-Aldrich) and 0.13 g (2wt%) of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 , Sigma-Aldrich) were added to 50 ml of distilled water and heated to 60 ° C. A first precursor solution was prepared by stirring for 30 minutes.

다음으로, 0.27 g(5wt%)의 암모늄 메타텅스테이트 하이드레이트(Ammonium metatungstate, (NH4)6H2W12O40·xH2O, Sigma-Aldrich)를 50 ml 증류수에 용해시킨 후, 30분 동안 교반하여 제2 전구체 용액을 제조하였다.Next, 0.27 g (5wt%) of ammonium metatungstate hydrate (Ammonium metatungstate, (NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0·xH 2 O, Sigma-Aldrich) was dissolved in 50 ml distilled water, followed by 30 A second precursor solution was prepared by stirring for a minute.

다음으로, 상기 지지체 용액, 제1 및 제2 전구체 용액을 혼합한 후, 1시간 동안 초음파 분산을 수행하고, 60 ℃에서 2시간 동안 교반하였다. 그리고 용매를 증발시키기 위해 70℃에서 1시간 동안 50~0 mbar로 회전증발건조한 후, 분말 상태의 촉매를 회수하고, 500℃에서 2시간 동안 열처리하여(승온 속도 5℃/min) 선택적 환원 촉매(2V5W/N-TiO2)를 제조하였다.Next, after mixing the support solution and the first and second precursor solutions, ultrasonic dispersion was performed for 1 hour, followed by stirring at 60 °C for 2 hours. In addition, after rotary evaporation at 70 ° C. for 1 hour at 50-0 mbar to evaporate the solvent, the catalyst in powder form was recovered, and heat treatment was performed at 500 ° C. for 2 hours (heating rate 5 ° C. / min). Selective reduction catalyst ( 2V5W/N-TiO 2 ) was prepared.

실시예 3: 4V5W/N-TiOExample 3: 4V5W/N-TiO 22 의 제조manufacture of

실시예 2에서 0.13 g(2wt%)의 암모늄 메타바나데이트(Ammonium metavanadate, NH4VO3, Sigma-Aldrich)을 사용하는 대신에 0.26 g(4wt%)의 암모늄 메타바나데이트(Ammonium metavanadate, NH4VO3, Sigma-Aldrich)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 선택적 환원 촉매(4V5W/N-TiO2)를 제조하였다.In Example 2, instead of using 0.13 g (2wt%) of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 , Sigma-Aldrich), 0.26 g (4wt%) of ammonium metavanadate (Ammonium metavanadate, NH 4 A selective reduction catalyst (4V5W/N-TiO 2 ) was prepared in the same manner as in Example 2, except for using VO 3 , Sigma-Aldrich).

실시예 4: 0.5V5W/N-TiOExample 4: 0.5V5W/N-TiO 22 의 제조manufacture of

실시예 2에서 0.13 g(2wt%)의 암모늄 메타바나데이트(Ammonium metavanadate, NH4VO3, Sigma-Aldrich)을 사용하는 대신에 0.03 g(0.5wt%)의 암모늄 메타바나데이트(Ammonium metavanadate, NH4VO3, Sigma-Aldrich)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 선택적 환원 촉매(0.5V5W/N-TiO2)를 제조하였다.In Example 2, instead of using 0.13 g (2wt%) of ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 , Sigma-Aldrich), 0.03 g (0.5wt%) of ammonium metavanadate (Ammonium metavanadate, NH A selective reduction catalyst (0.5V5W/N-TiO 2 ) was prepared in the same manner as in Example 2, except that 4 VO 3 , Sigma-Aldrich) was used.

[지지체의 제조][Preparation of support]

비교예 1: 종래 이산화티타늄Comparative Example 1: Conventional Titanium Dioxide

TRONOX에서 구매한 이산화티타늄(TiO2, CristalACTiV DT-51)를 준비하였다.Titanium dioxide (TiO 2 , CristalACTiV DT-51) purchased from TRONOX was prepared.

[선택적 환원 촉매의 제조][Preparation of Selective Reduction Catalyst]

비교예 2: 2V5W/TiOComparative Example 2: 2V5W/TiO 22 의 제조manufacture of

실시예 2에서 4.65 g의 실시예 1에 따라 제조된 N-TiO2을 사용하는 대신에 4.65 g의 비교예 1에 따른 TiO2을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 선택적 환원 촉매(2V5W/TiO2)를 제조하였다.In Example 2, instead of using 4.65 g of N-TiO 2 prepared according to Example 1, 4.65 g of TiO 2 according to Comparative Example 1 was used as a selective reduction catalyst in the same manner as in Example 2. (2V5W/TiO 2 ) was prepared.

실시예 2 내지 4 및 비교예 2에 대한 조건을 하기 표 1에 나타내었다.Conditions for Examples 2 to 4 and Comparative Example 2 are shown in Table 1 below.

촉매catalyst 활성물질active substance 주촉매main catalyst 조촉매co-catalyst 지지체support 바나듐 전구체vanadium precursor 텅스텐 전구체tungsten precursor V2O5 V 2 O 5 WO3 WO 3 실시예 2
(2V5W/N-TiO2)
Example 2
(2V5W/N-TiO 2 )
NH4VO3 NH 4 VO 3 (NH4)6H2W12O40·xH2O(NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0 xH 2 O 2 wt%2wt% 5 wt%5wt% N-TiO2
(93 wt%)
N—TiO 2
(93wt%)
실시예 3(4V5W/N-TiO2)Example 3 (4V5W/N-TiO 2 ) NH4VO3 NH 4 VO 3 (NH4)6H2W12O40·xH2O(NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0 xH 2 O 4 wt%4wt% 5 wt%5wt% N-TiO2(91 wt%)N—TiO 2 (91 wt %) 실시예 4(0.5V5W/N-TiO2)Example 4 (0.5V5W/N-TiO 2 ) NH4VO3 NH 4 VO 3 (NH4)6H2W12O40·xH2O(NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0 xH 2 O 0.5 wt%0.5wt% 5 wt%5wt% N-TiO2(94.5 wt%)N—TiO 2 (94.5 wt %) 비교예 2(2V5W/TiO2)Comparative Example 2 (2V5W/TiO 2 ) NH4VO3 NH 4 VO 3 (NH4)6H2W12O40·xH2O(NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0 xH 2 O 2 wt%2wt% 5 wt%5wt% TiO2(93 wt%)TiO 2 (93 wt %)

[시험예] [Test Example]

시험예 1: 지지체의 표면 분석 및 광학 특성 분석Test Example 1: Surface Analysis and Optical Characteristic Analysis of Support

도 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 지지체의 XPS 표면 분석 그래프이고, 도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 지지체의 UV-Visible 분석 결과이다. XPS (X-ray photoelectron spectroscopy, Thermo, K Alpha+) 분석은 Al Kα의 X선을 조사하여 실시예 1 및 2의 표면 분석을 실시하였다.1 is an XPS surface analysis graph of supports according to Example 1 and Comparative Example 1, and FIG. 2 is a UV-Visible analysis result of supports according to Example 1 and Comparative Example 1. XPS (X-ray photoelectron spectroscopy, Thermo, K Alpha+) analysis was performed on the surface of Examples 1 and 2 by irradiating Al Kα with X-rays.

도 1 에 따르면, TiO2 분말에 Urea를 사용하여 질소 작용기를 부여한 N-TiO2(실시예 1)는 도 1에 삽입된 사진으로 확인할 수 있듯이 뚜렷하게 노란색을 나타냈다. 또한 XPS 분석을 통해 표면 성분을 분석한 결과, N-TiO2 분말(실시예 1)은 17.89 at%의 높은 Nitrogen 함량을 나타내며, 뚜렷한 N1s peak가 나타났다. According to FIG. 1, N-TiO 2 (Example 1) in which a nitrogen functional group was imparted to TiO 2 powder using Urea showed a distinct yellow color as can be seen in the picture inserted in FIG. 1. In addition, as a result of analyzing the surface components through XPS analysis, the N-TiO 2 powder (Example 1) showed a high Nitrogen content of 17.89 at%, and a distinct N1s peak appeared.

또한 도 2에 따르면, 기존의 TiO2 분말(비교예 1)이 400 nm 이하의 파장에서만 흡수되는데 비해, N-TiO2 분말(실시예 1)은 600 nm 이하에서 광 흡수가 나타나며, 활성 파장영역이 확장되었음을 알 수 있었다.In addition, according to FIG. 2, the conventional TiO 2 powder (Comparative Example 1) is absorbed only at a wavelength of 400 nm or less, whereas the N-TiO 2 powder (Example 1) shows light absorption at 600 nm or less, and the active wavelength range It was found that this was expanded.

시험예 2: 결합 구조 변화 분석Test Example 2: Bonding structure change analysis

도 3a 내지 3c는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 지지체의 표면 O 1s, N 1s, Ti 2p의 결합 변화 분석 결과이다.3a to 3c are analysis results of bonding changes of O 1s, N 1s, and Ti 2p on the surfaces of the supports according to Example 1 and Comparative Example 1.

도 3a 내지 3c에 따르면, 먼저 O1s는 기존 TiO2(비교예 1)의 Oxygen 자리를 Nitrogen이 대체함에 따라 N-TiO2(실시예 1)의 표면 oxygen 함량이 7.25 at%로 감소했다. Oads는 TiO2 표면 내에 흡착된 산소 혹은 OH-그룹으로, 격자 내 치환형 O-Ti-N 혹은 침입형 Ti-N-O 생성으로 인해 N-TiO2(실시예 1)는 감소된 피크를 가지게 된다. 또한 N 1s는 Ti-N-O (침입형 Nitrogen, Ni), O-Ti-N (치환형 Nitrogen, Ns)로 나뉘어 형성되며, 이러한 Nitrogen 작용기는 anchoring site로 작용하여 Oxygen group보다 안정적으로 활성물질들을 분산시킬 수 있다. 도 3a 내지 3c 모두 Nitrogen이 도핑됨에 따라 격자 구조가 변경되어 전체적으로 보다 낮은 바인딩에너지로 이동된 것을 알 수 있었다.According to FIGS. 3a to 3c, O1s first reduced the surface oxygen content of N-TiO 2 (Example 1) to 7.25 at% as Nitrogen replaced the oxygen site of TiO 2 (Comparative Example 1). O ads are oxygen or OH-groups adsorbed on the surface of TiO 2 , and N-TiO 2 (Example 1) has a reduced peak due to the generation of substitutional O-Ti-N or interstitial Ti-NO in the lattice. . In addition, N 1s is formed by dividing into Ti-NO (interstitial nitrogen, Ni) and O-Ti-N (substituted nitrogen, Ns), and these nitrogen functional groups act as anchoring sites to disperse active substances more stably than oxygen groups. can make it In all of FIGS. 3a to 3c, it can be seen that the lattice structure is changed as the nitrogen is doped and shifted to a lower binding energy as a whole.

시험예 4: 기공특성 분석Test Example 4: Analysis of Pore Characteristics

ASAP 2010(Micrometritics Co., USA)을 이용하여 실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2 의 기공 특성을 분석하였고, 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다. The pore characteristics of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were analyzed using ASAP 2010 (Micrometritics Co., USA), and the results are shown in Table 2 below.

촉매catalyst BET Surface Area
(m2/g)
BET Surface Area
(m 2 /g)
T-plot Micropore Area
(m2/g)
T-plot Micropore Area
(m 2 /g)
Pore Volume
(cm3/g)
Pore Volume
(cm 3 /g)
Pore Size
(nm)
Pore Size
(nm)
Crystal Size
(nm)*
Crystal Size
(nm)*
비교예 1Comparative Example 1 TiO2 TiO 2 87.8387.83 6.596.59 0.290.29 13.4613.46 18.918.9 실시예 1Example 1 N-TiO2 N—TiO 2 84.3984.39 9.579.57 0.270.27 13.4613.46 18.918.9 비교예 2Comparative Example 2 2V5W/TiO2 2V5W/TiO 2 75.4875.48 1.641.64 0.280.28 14.1814.18 19.719.7 실시예 2Example 2 2V5W/N-TiO2 2V5W/N-TiO 2 80.0380.03 8.218.21 0.270.27 12.9012.90 19.219.2 실시예 3Example 3 4V5W/N-TiO2 4V5W/N-TiO 2 71.1471.14 8.548.54 0.260.26 14.2414.24 19.519.5 실시예 4Example 4 0.5V5W/N-TiO2 0.5V5W/N-TiO 2 77.9177.91 6.876.87 0.280.28 13.7713.77 19.319.3

* Crystal size는 Scherrer equation에 의해 계산되었다.* Crystal size was calculated by the Scherrer equation.

표 2에 따르면, 질소가 도핑됨에 따라 N-TiO2(실시예 1)의 비표면적이 TiO2(비교예 1)에 비해 약 3.5 m2/g 만큼 감소되었다. 또한 N-TiO2(실시예 1)에 활성물질을 담지했을 때 전체적으로 비교적 높은 비표면적을 유지하였고, N-TiO2(실시예 1)는 2 nm 이하의 미세기공이 많은 것으로 나타났다. 이로 인해 활성물질의 응집을 방지할 수 있어 활성물질의 분산성이 향상될 수 있다.According to Table 2, as nitrogen was doped, the specific surface area of N-TiO 2 (Example 1) was reduced by about 3.5 m 2 /g compared to TiO 2 (Comparative Example 1). In addition, when the active material was supported on N-TiO 2 (Example 1), a relatively high specific surface area was maintained overall, and N-TiO 2 (Example 1) showed many micropores of 2 nm or less. As a result, aggregation of the active material can be prevented, and dispersibility of the active material can be improved.

또한 바나듐과 텅스텐을 담지하여 분말형 SCR 촉매를 제조하였을 때, 2V5W/TiO2(비교예 2)는 75.48 m2/g의 BET 비표면적을 나타내는데 비해, 2V5W/N-TiO2(실시예 2)는 80.03 m2/g으로 상대적으로 높은 비표면적을 나타내었고, 2 nm 이하의 기공을 나타내는 Micropore area 또한 N-TiO2 지지체를 포함하는 실시예 2 내지 3에 따른 촉매가 높은 값을 나타냄을 알 수 있었다. 촉매 반응은 표면 반응이기 때문에, 촉매의 비표면적은 탈질효율과 직접적인 연관성이 높다. 일반적으로 비표면적의 증가에 따라 활성 성분의 분산도가 향상되고, 활성점의 증가는 곧 높은 특성과 직결된다.In addition, when a powder type SCR catalyst was prepared by supporting vanadium and tungsten, 2V5W/TiO 2 (Comparative Example 2) showed a BET specific surface area of 75.48 m 2 /g, whereas 2V5W/N-TiO 2 (Example 2) showed a relatively high specific surface area of 80.03 m 2 /g, and the micropore area showing pores of 2 nm or less also showed a high value for the catalysts according to Examples 2 to 3 including the N-TiO 2 support. there was. Since the catalytic reaction is a surface reaction, the specific surface area of the catalyst is directly related to the denitrification efficiency. In general, as the specific surface area increases, the dispersion of the active ingredient improves, and the increase in active points is directly related to high properties.

시험예 5: 질소산화물 제거 특성분석Test Example 5: Analysis of nitrogen oxide removal characteristics

도 4는 실시예 2 내지 4 및 비교예 2에 따른 촉매의 질소산화물 제거 특성 평가 결과이다. 실시예 2 내지 4 및 비교예 2에 따른 촉매의 질소산화물 제거 특성을 확인하기 위해, Total flow 500 sccm의 O2 5 %, NO 300 ppm, NH3 300 ppm, N2 balance 가스를 흘려주며, GHSV 60,000 h-1 조건에서 평가를 진행하였다(도 4의 실선). 또한 SO2 300 ppm를 추가하여 흘려주어 평가하였다(도 4의 점선).4 is an evaluation result of nitrogen oxide removal characteristics of catalysts according to Examples 2 to 4 and Comparative Example 2. In order to confirm the nitrogen oxide removal characteristics of the catalysts according to Examples 2 to 4 and Comparative Example 2, O 2 5%, NO 300 ppm, NH 3 300 ppm, N 2 balance gas flow at a total flow of 500 sccm, GHSV Evaluation was performed under the condition of 60,000 h -1 (solid line in Fig. 4). In addition, 300 ppm of SO 2 was added and flowed for evaluation (dotted line in FIG. 4).

도 4에 따르면, 질소산화물 제거 효율은 2V5W/TiO2(비교예 2)에 비해 2V5W/N-TiO2(실시예 2) 촉매가 높은 효율을 나타내며, 특히 250~400 ℃의 온도 범위에서는 100%에 가까운 높은 효율을 나타내는 것을 알 수 있었다. 또한 활성물질의 함량이 증가할 경우, 입자 응집으로 인해 활성이 저하될 수 있으나, N-TiO2는 촉매 표면의 반응기를 바탕으로, 촉매 활성물질인 바나듐과 텅스텐을 응집없이 분산시켜주는 효과를 가지며, 이에 따라 4V5W/N-TiO2 (실시예 3) 촉매는 전반적인 온도 범위에서 높은 질소산화물 저감 효율을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 N-TiO2 표면의 Nitrogen anchoring site를 바탕으로 촉매 활성물질들의 분산성을 향상시킬 수 있으며, 기공(Micropore)이 다수 존재함에 따라, 합성된 촉매의 비표면적이 향상되어 산점을 분산시킬 수 있으며 높은 효율의 NOx 저감 특성을 가지는 SCR 촉매를 제조할 수 있었다. According to FIG. 4, the nitrogen oxide removal efficiency of the 2V5W/N-TiO 2 (Example 2) catalyst is higher than that of 2V5W/TiO 2 (Comparative Example 2), particularly in the temperature range of 250 to 400 °C. It was found to exhibit high efficiencies close to . In addition, when the content of the active material increases, the activity may decrease due to particle aggregation. , Accordingly, it was found that the 4V5W/N-TiO 2 (Example 3) catalyst exhibits high nitrogen oxide reduction efficiency over the entire temperature range. This can improve the dispersibility of catalytically active materials based on the nitrogen anchoring site on the surface of N-TiO 2 , and as there are a large number of micropores, the specific surface area of the synthesized catalyst can be improved to disperse acid points. An SCR catalyst with high NOx reduction characteristics could be prepared.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

Claims (19)

(a) 질소 도핑된 이산화티타늄(N doped TiO2, N-TiO2)을 포함하는 지지체를 포함하는 지지체 용액을 제조하는 단계;
(b) 금속 산화물 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 지지체 용액 및 상기 전구체 용액을 혼합하고, 초음파 조사하여 혼합용액을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 혼합용액을 교반하고, 건조하여 선택적 환원 촉매를 제조하는 단계; 를 포함하고,
상기 선택적 환원 촉매가
상기 질소 도핑된 이산화티타늄(N doped TiO2, N-TiO2)을 포함하는 지지체; 및
상기 지지체 상에 담지되고, 금속 산화물을 포함하는 활성물질;을 포함하는 것인, 선택적 환원 촉매의 제조방법.
(a) preparing a support solution including a support including nitrogen-doped titanium dioxide (N doped TiO 2 , N-TiO 2 );
(b) preparing a precursor solution containing a metal oxide precursor;
(c) preparing a mixed solution by mixing the support solution and the precursor solution and irradiating with ultrasonic waves; and
(d) preparing a selective reduction catalyst by stirring and drying the mixed solution; including,
The selective reduction catalyst
a support including the nitrogen-doped titanium dioxide (N doped TiO 2 , N-TiO 2 ); and
A method for producing a selective reduction catalyst comprising a; active material supported on the support and containing a metal oxide.
제1항에 있어서,
상기 지지체가
다공성 이산화티타늄; 및
상기 다공성 이산화티타늄의 표면 상에 형성된 상기 질소 도핑된 이산화티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
the support
porous titanium dioxide; and
Method for producing a selective reduction catalyst comprising the nitrogen-doped titanium dioxide formed on the surface of the porous titanium dioxide.
제2항에 있어서,
상기 질소 도핑된 이산화티타늄이 상기 다공성 이산화티타늄의 외부와 인접하는 표면 상에 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 2,
Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the nitrogen-doped titanium dioxide is formed on the surface adjacent to the outside of the porous titanium dioxide.
제3항에 있어서,
상기 질소 도핑된 이산화티타늄이 상기 다공성 이산화티타늄의 기공과 인접하는 표면 상에 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 3,
Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the nitrogen-doped titanium dioxide is additionally formed on the surface adjacent to the pores of the porous titanium dioxide.
제1항에 있어서,
상기 질소 도핑된 이산화티타늄은 질소(N)가 이산화티타늄(TiO2)의 산소(O)와 치환되거나 또는 이산화티타늄의 격자결함(lattice defect)에 침입하여 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The nitrogen-doped titanium dioxide is a method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that nitrogen (N) is substituted with oxygen (O) of titanium dioxide (TiO 2 ) or formed by invading a lattice defect of titanium dioxide. .
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물이 바나듐 산화물(V2O5) 및 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the metal oxide comprises vanadium oxide (V 2 O 5 ) and tungsten oxide (WO 3 ).
제6항에 있어서,
상기 선택적 환원 촉매가
상기 지지체 100 중량부에 대하여,
상기 바나듐 산화물 0.1 내지 10 중량부; 및
상기 텅스텐 산화물 1 내지 10 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 6,
The selective reduction catalyst
With respect to 100 parts by weight of the support,
0.1 to 10 parts by weight of the vanadium oxide; and
Method for producing a selective reduction catalyst comprising 1 to 10 parts by weight of the tungsten oxide.
제1항에 있어서,
상기 선택적 환원 촉매의 형태가 분말(powder), 벌집(honeycomb), 판(plate), 물결(corrugated shape) 및 과립(granule)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
Selective reduction characterized in that the form of the selective reduction catalyst includes any one form selected from the group consisting of powder, honeycomb, plate, corrugated shape and granule Method for preparing a catalyst.
제1항에 있어서,
상기 선택적 환원 촉매는 기공을 갖는 다공성인 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the selective reduction catalyst is porous having pores.
제9항에 있어서,
상기 선택적 환원 촉매의 기공 크기는 5 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 9,
Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the pore size of the selective reduction catalyst is 5 to 20 nm.
제1항에 있어서,
상기 선택적 환원 촉매의 입자 크기는 10 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the particle size of the selective reduction catalyst is 10 to 50 nm.
제1항에 있어서,
상기 선택적 환원 촉매가 질소산화물 제거에 사용하기 위한 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the selective reduction catalyst is used for removing nitrogen oxides.
제1항에 있어서,
단계 (a)가
(a-1) 이산화티타늄(TiO2) 및 질소 전구체를 포함하는 용액을 제조하는 단계;
(a-2) 상기 용액을 건조하고 열처리하여 질소 도핑된 이산화티타늄(N-TiO2)를 포함하는 지지체를 제조하는 단계; 및
(a-3) 상기 지지체를 물과 혼합하여 상기 지지체 용액을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
step (a)
(a-1) preparing a solution containing titanium dioxide (TiO 2 ) and a nitrogen precursor;
(a-2) preparing a support containing nitrogen-doped titanium dioxide (N-TiO 2 ) by drying and heat-treating the solution; and
(a-3) preparing the support solution by mixing the support with water; a method for producing a selective reduction catalyst comprising the.
제13항에 있어서,
상기 질소 전구체는 우레아(CH4N2O), 질산암모늄(NH4NO3), 수산화암모늄(NH4OH) 및 암모니아(NH3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 13,
The nitrogen precursor comprises at least one selected from the group consisting of urea (CH 4 N 2 O), ammonium nitrate (NH 4 NO 3 ), ammonium hydroxide (NH 4 OH) and ammonia (NH 3 ). Method for preparing a selective reduction catalyst.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체는 바나듐 산화물 전구체 및 텅스텐 산화물 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that the metal oxide precursor comprises a vanadium oxide precursor and a tungsten oxide precursor.
제15항에 있어서,
상기 바나듐 산화물 전구체는 메타바나듐산암모늄(NH4VO3), 바나딜 설페이트(VOSO4), 바나딜 옥살레이트(VOC2O4·xH2O) 및 바나딜 아세틸아세토네이트[VO(acac)2]로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 15,
The vanadium oxide precursor is ammonium metavanadate (NH 4 VO 3 ), vanadyl sulfate (VOSO 4 ), vanadyl oxalate (VOC 2 O 4 xH 2 O) and vanadyl acetylacetonate [VO(acac) 2 ] Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of.
제15항에 있어서,
상기 텅스텐 산화물 전구체는 암모늄 메타텅스테이트 하이드레이트(Ammonium metatungstate, (NH4)6H2W12O40·xH2O), 암모늄 텅스테이트(Ammonium tungstate, (NH4)10H2(W2O7)6) 암모늄 파라텅스테이트 하이드레이트(Ammoniumparatungstate, (NH4)10(H2W12O42)·4H2O) 및 산화텅스텐 (Tungsten oxide, WO3)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 15,
The tungsten oxide precursor is ammonium metatungstate hydrate (Ammonium metatungstate, (NH 4 ) 6 H 2 W 12 O 4 0 xH 2 O), ammonium tungstate (Ammonium tungstate, (NH 4 ) 10 H 2 (W 2 O) 7 ) 6 ) Ammoniumparatungstate hydrate (Ammoniumparatungstate, (NH 4 ) 10 (H 2 W 12 O 42 )·4H 2 O) and tungsten oxide (WO 3 ) includes at least one selected from the group consisting of Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that for.
제15항에 있어서,
단계 (b)가
(b-1) 상기 바나듐 산화물 전구체를 포함하는 제1 전구체 용액을 제조하는 단계; 및
(b-2) 상기 텅스텐 산화물 전구체를 포함하는 제2 전구체 용액을 제조하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 15,
step (b)
(b-1) preparing a first precursor solution containing the vanadium oxide precursor; and
(b-2) preparing a second precursor solution containing the tungsten oxide precursor; Method for producing a selective reduction catalyst comprising a.
제18항에 있어서,
단계 (b-1)에서 상기 제1 전구체 용액이 옥살산, 말론산, 석신산, 글루타르산, 아디프산, 피멜산, 서버산, 아젤라산, 세박산, 프탈산, 이소프탈산 및 테레프탈산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 환원 촉매의 제조방법.
According to claim 18,
In step (b-1), the first precursor solution is selected from the group consisting of oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, serveric acid, azelaic acid, sebacic acid, phthalic acid, isophthalic acid and terephthalic acid Method for producing a selective reduction catalyst, characterized in that it further comprises at least one selected from.
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Effect of the pH value of precursor solution on the catalytic performance of V2O5-WO3/TiO2 in the low temperature NH3-SCR of NOx, Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2014년 12월 발행, 1455쪽부터 1463쪽
In-situ synthesized surface N-doped Pt/TiO2 via flame spray pyrolysis with enhanced thermal stability for CO catalytic oxidation, Applied Surface Science, 2019. 3. 14. 발행, 360쪽부터 368쪽

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