KR20020082223A - 금 함유 촉매를 사용한 올레핀의 에폭시드화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고 본질적으로 티탄을 함유하지 않는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터 크기의 금을 포함하는 화합물을 촉매로서 사용하는 것을 특징으로 하는, 산소 분자와 수소를 사용한 올레핀의 에폭시드화 방법; 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고 본질적으로 티탄을 함유하지 않는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터 크기의 금을 포함하는 화합물; 이 화합물의 제조방법; 및 이 화합물의 존재하에서 화학반응을 수행함으로써 상기 화학반응을 촉진하는 방법에 관한 것이다.
Description
산소 분자를 사용해서 올레핀을 직접 기상 부분산화시켜 에폭시드를 제조하는 방법은 오랫동안 상업적 촉매작용반응에서 가장 중요한 반응중 하나로 여겨져 왔다. 폴리우레탄 산업에서 에폭시드가 갖는 중요성 때문에, 다양한 방법 (그 중 몇가지는 상업화되었음)을 사용해서 에폭시드를 제조하려는 시도가 많이 행해졌다. 탄소 원자를 3개 이상 함유하는 올레핀으로부터 에폭시드를 제조하려는 대부분의 방법들에서는 산화제로서 과산화수소 또는 클로로히드린을 사용한다. 예를 들면 유럽특허 (EP-A1-0 930 308)에는 산화제로서의 과산화수소 또는 클로로히드린의 존재하에서 이온교환된 티타늄 실리케이트를 사용해서 에폭시드를 제조하는 방법이 기술되어 있다. 더욱 근래에, US-A-5,623,090에는 수소와 산소 분자가 공존할 때 올레핀인 프로필렌으로부터 프로필렌 옥시드와 같은 에폭시드를 직접 제조할 수 있게 하는 신규한 부류의 물질이 기술되어 있다. 이 문헌은 티탄, 구체적으로는 아나타제(anatase) 티타늄 디옥시드 상에 금이 침착된 물질을 사용하여, 프로필렌을 직접 기상 부분산화시켜 프로필렌 옥시드를 만드는 방법을 특허청구하고 있다.
Au/티타늄 옥시드 시스템은 여전히 상업화되기에 어렵고 반응수율이 나쁘기는 하지만, 금이 선행기술과 차별화되는 점은 탄소 원자를 3개 이상 갖는 올레핀 (예를 들면 프로필렌)의 에폭시드화에 있어서 보다 높은 선택도를 달성한다는 점이다. 예를 들면 은-기재의 촉매 시스템은 에틸렌 옥시드 제조에서는 우수한 수율 및 선택도를 나타냄에도 불구하고, 프로필렌의 전환에 있어서는 높은 또는 유망한 활성을 나타내지는 못하였다. 따라서, 하야시(Hayashi)와 하루타(Haruta)의 연구 (1996년 3월 24일에서 29일에 걸쳐, 미국 루이지애나주 뉴올리언스에서 개최된 미국화학협회 제211차 전국 회의에서 석유화학과(하야시 외)의 "불균일 탄화수소 산화"에 대한 심포지엄 내용을 참고) 이후에 나온 특허들 (WO 97/34692-A1, WO 98/00413-A1 및 WO 98/00414-A1)은 주로 티탄과 금의 조합에 중점을 두었다. EP-A1-0 940 393에서는 예외로 금을 Zr과 함께 사용하였다. 따라서, 종래기술에서는 올레핀의 부분산화를 도울 수 있는 활성 화학종의 수는 제한적이라는 것이 정설이었다. 더욱이 DE-A1-4447231에서는 바나듐과 몰리브덴을, 알켄으로부터 글리콜, 폴리올 및 글리콜 에테르로의 전환에는 사용할 수 있다고 하였으나, 프로필렌 옥시드로의 전환에도 사용할 수 있는지는 언급하지 않았다. 이와 유사하게, 몰리브덴 (PCT/EP97/05449), 바나듐, 텅스텐, 크롬, 하프늄 및 탄탈 (EP-A1-266 015) 또는 스칸듐 (US-A-5,051,395)을 촉진제로서 특허청구한 각 문헌들은 금-기재 촉매 시스템과 관련은 없어 보이는데, 왜냐하면 상기 열거된 물질들, 예를 들면 몰리브덴, 바나듐 및 스칸듐은 단지 티탄에 대한 보조-화합물 정도로만 언급되었기 때문이다.
발명의 개요
본 발명은, 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터 크기의 금을 포함하는 화합물을 촉매로서 사용하는 것을 특징으로 하는, 산소 분자와 수소를 사용해서 올레핀을 에폭시드화하는 방법을 포함한다. 모든 촉매는 티탄 원소 없이도 작용한다. 이러한 발견은, 지난 3년간 철저한 연구 끝에도 금을 함유하는 극소수의 촉매 시스템만이 올레핀의 에폭시드화 반응에 적합한 것으로 밝혀졌다는 사실에 비추어 볼 때, 놀랄만한 것이다. 본 발명에서는 특히 니오브와 텅스텐 시스템을 바람직한 것으로 언급하고 있는데, 왜냐하면 이들은 에폭시드화에 있어서 대단히 높은 선택도를 나타낼 뿐만 아니라 시간이 흐름에 따라 그 선택도가 놀라울만큼 좋아지기 때문이다. 본 발명은 또한 본 발명의 촉매가 장시간 동안에도 안정성이 우수하다는 사실을 보여준다.
본 발명은 또한 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터 크기의 금을 포함하는 화합물에 관한 것이다.
본 발명은 또한 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터 크기의 금을 포함하는 화합물의 존재하에서 화학반응을 수행함으로써, 상기 화학반응을 촉진하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 지지체 물질 상에 나노미터 크기의 금 입자를 침착시키는 것을 특징으로 하는, 상기 화합물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하는 지지체 물질 상에 나노미터 크기의 금 입자가 침착된 화합물을 졸-겔법(sol-gel-process)으로 제조하는 것을 특징으로 하는, 상기 화합물의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 사용되는 많은 부분산화반응 촉매와 마찬가지로, 본 발명에서 기술되는 촉매들은, 어떤 올레핀이라도 가능하지만, C3내지 C6의 저급 올레핀, 특히 프로펜 및 부텐의 에폭시드화를 활성화시키는데에 가장 좋다. 올레핀에 함유된 탄소-탄소 이중결합의 개수는 통상적으로 1개이지만, 이중결합을 2개 이상 함유하는 시스템도 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 올레핀의 예는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 2-부텐, 이소부틸렌, 1-펜텐, 2-펜텐, 부타디엔, 알릴 알콜, 알릴 클로라이드, 스티렌, 사이클로헥센 및 이에 필적할만한 기타 올레핀을 포함한다. 2종 이상의 올레핀이 함유된 공급 기체를 사용하는 에폭시드화에도 본 발명의 촉매를 사용할 수 있다.
반응 기체에 함유된 올레핀의 농도는 특히 중요한 사항은 아니며 넓은 범위로 변할 수 있다. 대부분의 경우, 기체의 조성은 사용된 반응기의 종류, 산소와 수소의 상대적 사용량 및 경우에 따라서는 희석제의 첨가량에 따라 달라질 것이다. 상업화를 고려하는 경우, 반응기로 들어가는 기체 스트림 내에 존재하는 올레핀의 총 농도를 5 내지 80 몰% (그 나머지는 통상적으로 산소, 수소 및 임의의 희석 기체)의 범위내에서 정할 수 있지만, 이로 한정할 필요는 없다.
본 발명에서 사용되는 산소는 임의의 적합한 산소 공급원, 예를 들면 공기에서 유래된다. 그러나, 산화질소 또는 오존과 같은 기타 산소 공급원도 사용할 수 있다. 본 방법을 과산화수소의 존재하에서 수행할 수도 있다. 산소의 필요량은 많은 변수에 따라 달라지며, 넓은 범위로 변할 수 있으나, 가장 좋은 결과를 얻으려면, 올레핀 대 산소의 몰비가 1보다 커야 한다. 산소가 다량으로 존재하는 경우, 종종 반응기 내에서 선택도가 심각하게 감소되어, 올레핀은 완전산화 또는 부분산화된다. 전형적으로 산소의 양은 통상적으로 1 내지 20 몰%이지만, 이와 다른 몰비도 가능하다.
수소 공급원은 중요한 사항이 아니므로, 수소는 임의의 적합한 수소 공급원으로부터 공급될 수 있다. 이러한 임의의 적합한 수소 공급원의 예에는 알칸 또는 알콜의 탈수소화 반응에서 얻어진 수소 분자가 포함된다. 수소 분자의 제조공정은 타반응계 또는 동일반응계 (즉, 반응기 내부)에서 수행될 수 있다. 수소의 사용량은 올레핀을 상응하는 에폭시드로 전환시키는데 필요한 양에 따라 달라지므로 가변적이다. 그러나, 통상적인 작업조건하에서 반응기 내에 함유된 수소의 농도는 전형적으로는 30 몰% 미만 (그 나머지는 산소, 올레핀 및 경우에 따라서는 희석제)이라고 생각된다.
올레핀의 반응을 수행하는데 있어서 희석제를 첨가하는 것이 바람직하긴 하지만, 필수적인 사항은 아니다. 희석제는 안전성, 비용 및 불활성이 포함되나 여기에만 국한되지는 않는 많은 변수를 고려하여 선택하도록 한다. 희석제로서 사용가능한 기체는 질소, 헬륨, 아르곤 또는 임의의 기타 불활성 기체이다. 반응기체를 촉매표면으로 운반하는 일이 가장 중요하므로, 액상 촉매를 사용할 수도 있다. 이 경우에 촉매를 함침시키는데 사용되는 액체는 불활성이면서 반응기체를 촉매표면으로 운반하는 매질로서 적합한 것이어야 한다.
본 발명에서, 바나듐을 임의의 적합한 형태로 첨가할 수 있다. V2O5, VO2, VCl5, VCl3, 바나듐(IV) 2,4-펜탄디오네이트, 바나듐(III)아세틸-아세토네이트, 바나듐(IV)비스(아세틸-아세토네이트)옥시드 및 바나듐(V)트리-프로폭시옥시드를 사용해서 활성 촉매를 얻을 수 있다. 니오브-기재 촉매의 경우, 니오브 역시 다양한 공급원에서 유래되며, 니오브 공급원의 예는 Nb2O5, NbO2, NbCl5및(또는) 니오브(V)n-부톡시드를 포함한다. 텅스텐의 경우, 텅스텐 공급원의 예는 텅스텐(VI)클로라이드, 텅스텐산, 텅스텐(VI)옥시드, 텅스텐(V)에톡시드를 포함한다. 스칸듐의 경우, 스칸듐 공급원의 예는 스칸듐 클로라이드 및 스칸듐 아세테이트 히드레이트를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 이트륨의 경우, 이트륨 공급원의 예는 Y2O3, 이트륨(III)니트레이트 헥사히드레이트 및 이트륨-2,4-펜탄디오네이트를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 란탄의 경우, 란탄 공급원의 예는 La2O3, 란탄(III)니트레이트 헥사히드레이트 및 란탄-이소프로폭사이드를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 지르코늄의 경우, 지르코늄 공급원의 예는 ZrO2, 지르코늄-2,4-펜탄디오네이트, 지르코늄(IV)프로필레이트, 지르코늄옥시드, 지르코늄(IV)클로라이드 및 지르코늄(IV)-i-프로폭시드를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 하프늄의 경우, 하프늄 공급원의 예는 HfO2, HfCl4, 하프늄-2,4-펜탄디오네이트 및 하프늄 n-부톡시드를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 탄탈의 경우, 탄탈 공급원의 예는 Ta2O5, Ta(V)에톡시드, Ta(V)메톡시드 및 탄탈(V)n-부톡시드를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 크롬의 경우, 크롬 공급원의 예는 CrCl3*(H2O)6, 트리스(에틸렌디아민)크롬(III)클로라이드 헤미헵타히드레이트 및 크롬(III)-2,4-펜탄디오네이트를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 몰리브덴의 경우, 몰리브덴 공급원의 예는 MoCl5, MoO3및 몰리브덴-2,4-펜탄디오네이트를 포함하나 여기에만 국한되는 것은 아니다. 따라서 본 발명에서 각 물질의 실제 공급원은 다양하며, 물질을 궁극적으로는 제조방법에 따라 선택하며, 더 이상의 화합물을 열거하는 것은 당업자들의 이해에 크게 도움은 되지 않을 것이라고 생각된다.
전술된 임의의 금속 시스템을 실리케이트에 희석시킨 것에 금을 지지시킴으로써 활성촉매를 만들 수 있다. 그 예는 ZSM-5, ZSM-11, ZSM-48 및 MCM-41 또는 유사한 화학적 또는 물리적 구조를 갖는 임의의 물질을 포함하나 여기에만 국한되지는 않는다. 기상 방법, 또는 바람직하게는 예를 들면 L.C.클레인(Klein)의 문헌[Ann.Rev.Mar.Sci., 15, p.227 이하(1985)] 및 DE-A-199 20 753에 기술된 표준 졸-겔법을 사용하여 활성촉매를 제조할 수도 있다.
당해 분야에 공지된 바와 같이, 상기 촉매를 모든 표준 촉진제, 예를 들면 알칼리금속, 알칼리토금속 및(또는) 란탄을 제외한 모든 란탄족금속과 함께 사용할 수 있다. 본 발명에서 란탄은 통상적으로 본 반응의 촉진제이기도 하지만, 그것 자체가 촉매로서 간주된다. 따라서 특별히 금이 존재하는 경우에는 란탄은 촉진제가 아니고 별도의 촉매반응체(catalytic reactor)로서 청구된다. 본 발명은 바람직하게는 티탄을 함유하지 않는 화합물에 관한 것이다. 그러나 (1) 사용된 원소의 농도가 촉매의 활성 성분의 1 % 미만인 경우, (2) 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐이, 전환빈도수(turnover frequency) 검사로 측정시, 첨가된 촉매의 활성부보다 더 활성적이지는 않을 경우에는, 본 발명에서 청구된 어떤 원소도 함유하지 않는 촉매에, 전술된 원소들을 촉진제로서 적당하게 사용할 수 있다는 것을 알아야 한다.
논리적으로는, 경우에 따라서 모든 전술된 원소를 임의의 조합으로 함께 사용하여 소위 조촉매 시스템을 만들 수 있다. 이러한 촉매는 시스템의 물성을 개선시키는 역할을 하는 기타 지지체 물질에 함침되거나 결합될 수 있다. 그러한 예중 하나를 들면, 제2 지지체를 사용하여 촉매를 모노리쓰(monolith) 또는 지지체상에 함침시킴으로써 노출되는 총 표면적을 증대시키는 것이다. 제2 지지체는 응고 조절과 같은 물성을 개선하는데 사용된다. 이러한 지지체의 예는 실리카, 알루미나,알루미나실리케이트, 점토, 카르보네이트, 제올라이트 또는 이들로 구성된 임의의 조합 또는 혼합물을 포함하나, 여기에만 국한되는 것은 아니다.
본 발명에만 특별히 적용되는 사항이 아니라 당해 분야에 알려진 바로는, 산소, 수소 및 올레핀을 조절 및 혼합할 수 있는 임의의 반응기에서 본 발명의 촉매를 사용할 수 있다. 반응기는 회분식, 고정층, 운반층, 유동층으로서 작동되며, 제조된 그대로의 형태 또는 분말 또는 압축 펠렛으로서 사용될 수 있다.
본 발명에서, 전술된 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐의 경우, 금 및 금속의 하중은 다양하다. 본 발명에서 금 입자의 크기는 통상적으로 2 내지 400 ㎚까지 다양한 것으로 관찰되었다. 그러나 전환율을 최대로 높이기 위해서는 표면적이 큰 것을 사용하는 것이 좋다. 이러한 이유로, 금 입자의 크기는 1 내지 10 ㎚가 통상적으로 바람직하다. 따라서 금 함량은 통상적으로, 보다 작은 나노미터의 클러스터를 보다 용이하게 형성하기에 충분히 낮아야 하며, 예를 들면 전형적으로 0.1 원자% 미만이다. 그러나, 최적인 것은 아니지만 5 원자%보다 많은 금을 포함하는 촉매를 제조할 수도 있다. 나노미터 크기의 금을 침착시키는 방법을 WO 98/00413-A1, WO 98/00414-A1, WO 98/00415-A1, WO 97/34692-A1, 하루타 등의 문헌[J. Catal., 115 pp., 301-309(1989)], 쓰보타(Tsubota) 등의 문헌["Preparation of Catalyst V", Stud.Surf.Sci.Catal., 63, eds., G.Poncelet et al., Elsevier, PP 695-704(1991)], 고바야시(Kobayashi) 등의 문헌[Sensors and actuators, B1 pp 222-225(1990)], 사쿠라이(Sakurai) 및 하루타 등의 문헌[Catal.Today, 29 pp.361(1996)], D.쿠닝함(Cunningham) 등의 문헌[Res.Chem.Intermediates, 19 pp. 1-13(1993)], 오쿠무라(Okumura) 등의 문헌[Solid State Ionics, 95 143(1997)], D.쿠닝함 등의 문헌[Catal.Lett., 63(1-2) pp. 43-47(1999)]에서 찾을 수 있다. 이와 같이 고형 지지체 상에 금속을 침착시키는데에 임의의 방법을 사용할 수 있는데, 그 예를 들면 함침법, 공침법, 화학기상증착법, 이온교환법 및 침착침전법이 있다. 촉매 제조시에는 통상적으로는 염소 오염을 제한하거나 피하는 것이 좋다. 하소 단계는 통상적인 것이지만 항상 필요한 것은 아니며, 이를 급속가열/급냉하는 방법 또는 열원에 장시간 노출시키는 방법으로 수행할 수 있다. 하소 온도는 제조방법에 따라 다르지만 통상적으로는 700 ℃ 이하이다.
활성 Au/바나듐, Au/니오브 및 Au/텅스텐 촉매의 제조에 적합한 방법중 하나는 졸-겔 합성법이다. 이러한 방법에서는 해당 금속의 알콕시드를 적합한 실란올 화합물, 예를 들면 테트라에틸오르토실리케이트, 헥사-메틸디실라잔, 테트라-데실옥시실란, 테트라-부톡시실란, 메틸-트리-에톡시실란, 테트라-에톡시실란, 테트라-메톡시실란 또는 본질적으로 임의의 기타 적합한 실란올(벤젠 또는 보다 복잡한 유기 기를 함유하는 것을 포함함)에 첨가한다. 실란올을 통상적으로는 에탄올, 프로판알, 부탄올과 같은 알콜, 또는 제조온도에서 액체인 임의의 적합한 알콜에 희석시킨다. 여기에 산성 금 용액을 첨가하고 산을 사용해서 pH를 조절한다. 이 용액은 전형적으로 균질하며, 금이 고르게 분산되어 있는 겔을 형성한다. 염소를 제거하려면 겔을 350 ℃와 같은 승온에서 가열하기만 해도 된다는 것이 밝혀졌다. 그러나 최상의 결과를 얻으려면, 염소 또는 불소를 함유하지 않는 물로 촉매를 반복해서 씻어내는 것이 종종 가장 좋다. 금속성 금 입자의 형성을 주변 온도를 비롯한 임의의 온도에서 수행할 수 있으나 여기에만 국한되지는 않는다. 촉매의 선택도 또는 수율을 증대시키거나, 다르게는 촉매의 수명을 연장시키기 위해서, 촉진제를 촉매에 첨가할 수도 있다. 공지된 촉진제의 예는 알칼리금속인 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및(또는) 세슘을 포함한다. 올레핀의 에폭시드화 촉매로 청구되지 않은 란탄족 희토류 금속 및(또는) 악티늄족 금속을 촉진제로서 사용할 수 있다는 사실이 당해 분야에 알려져 있다.
본 발명의 공정 온도는 20 내지 250 ℃이다. 실제 온도는 반응 기체의 조성, 또는 액체 반응기의 경우 유체의 빙점, 요구되는 수율 및 선택도, 반응기 내부 압력, 사용된 반응기의 종류, 존재하는 올레핀 종류, 및 공정 온도에 영향을 미치거나 변경시킬 수 있는 임의의 기타 변수와 같은 인자들에 따라 달라질 것이다. 압력은 대기압 내지 200 bar가 통상적으로 적합하다. 기상 혼합물을 사용하여 공정을 수행하는 동안에, 공간 속도로서 측정되는 기체 유속은 변할 수 있고 이것은 궁극적으로는 사용된 반응변수에 따라 달라질 것이다.
촉매의 재생을, 고온처리법이나 중성 또는 산성 시약의 용액으로 세척하는 방법 (DE-A1-198 04 712)과 같은 많은 통상적인 방법중 하나로 수행할 수 있다.
하기 실시예에서 사용된 모든 출발물질은 구입가능한 것이다.
실시예 1: 바나듐을 함유하는 촉매(촉매 A 및 B)
촉매 A
바나듐/테트라에틸오르토실리케이트 상에 지지된 Au를 포함하는 촉매를 제조하기 위해서, 우선 에탄올과 같은 알콜 2.92 ㎖를 테트라에틸오르토실리케이트 3298 ㎎과 혼합하였다. 이어서 이 혼합물에 바나듐 화합물 (본 실시예에서는 바나듐(V)트리-프로폭시옥시드) 0.202 g을 첨가하였다. 바나듐을 VCl3, V2O5또는 임의의 적합한 화학적 공급원으로서 가할 수 있다. 이 혼합물에 H2O 600 ㎕와 8 Mol/ℓ HCl 0.72 ㎖를 가하였다. 이어서 이 샘플을 겔화가 일어날 때까지 혼합하였다. 겔화 후, 샘플을 건조시키고 350 ℃에서 열처리하였다.
금을 피복하기 위해서, 바나듐 실리케이트 1.0 g을 물 20 ㎖에 가하였다. 이 현탁액에, 물 10 ㎖에 용해시킨 금 클로라우르산 0.02 g을 가하고, 이 시스템을 1 시간 동안 혼합하였다. 이어서 여기에 0.015 몰 시트르산나트륨 10 ㎖를 가하고, 이 시스템을 추가로 1 시간 동안 혼합하였다. 이어서 이 시스템을 회수하고 증류수로 반복적으로 세척하여 염소를 제거하고, 100 ℃ 및 200 mbar에서 밤새 건조시킨 후, 마지막으로 350 ℃에서 하소시켰다.
하소 후, 촉매 A 500 ㎎을 기체 반응기 셀(cell)에 삽입하고 100 ℃에서 연구하였다. 이 연구에서는, 프로필렌 5.78 %, 수소 75.65 %, 산소 4.81 % 및 질소 희석제 13.76 %를 포함하는 기체를, 공간 속도 3500㎖ hr-1/촉매 g의 유속으로 상기 촉매층(bed)에 통과시켰다. 기상중 반응생성물을 기체 크로마토그래피로 분석하였다.
| Au, 바나듐 및 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)를 포함하는 촉매 A에 프로필렌을 통과시켜 얻은 부분산화 생성물의 분포 | ||||
| 촉매 A | 아세트알데히드 | 프로필렌옥시드 | 프로피온알데히드 | 아세톤 |
| 전환율% | 0.000 | 0.017 | 0.000 | 0.000 |
실시예 2
바나듐/테트라에틸오르토실리케이트 상에 지지된 Au를 포함하는 촉매를 제조하기 위해서, 졸-겔 형성 동안에 금을 배합하는 방법을 사용하였다. 우선 에탄올과 같은 알콜 2.92 ㎖를 테트라에틸오르토실리케이트 3298 ㎎과 혼합하였다. 이어서 이 혼합물에 바나듐 화합물 (본 실시예에서는 바나듐(V)트리-프로폭시옥시드) 0.202 g을 가하였다. 바나듐을 VCl3, V2O5또는 임의의 적합한 화학적 공급원으로서 가할 수 있다. 이 혼합물에 H2O 600 ㎕와, HAuCl420 ㎎을 함유하는 8 Mol/ℓ HCl 용액 0.72 ㎖를 가하였다. 이어서 이 샘플을 겔화가 일어날 때까지 혼합하였다. 겔화 후, 샘플을 건조시키고 220 ℃ 및 280 ℃에서 하소시켰다. 하소 후, 각 촉매 500 ㎎을 기체 반응기 셀에 삽입하고, 촉매 A 연구에서와 유사한 조건에서 연구하였다.
| 졸-겔법으로 제조된, 금 함량이 0.05 내지 1.00 원자%이고 바나듐 함량이 1 내지 10 원자%인 (하소 온도는 220 및 280 ℃), Au, 바나듐 및 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)를 포함하는 촉매를 사용하여 프로필렌을 에폭시드인 프로필렌 옥시드로 전환시키는 반응의 전환율 | ||||||
| 바나듐 함량(원자%) | Au 하중 0.1 원자% | Au 하중 0.50 원자% | Au 하중 1.00 원자% | |||
| 220 ℃ | 280 ℃ | 220 ℃ | 280 ℃ | 220 ℃ | 280 ℃ | |
| 1.0 | 0.048 % | 0.050 % | 0.036 % | 0.040 % | 0.034 % | 0.040 % |
| 5.0 | 0.081 % | 0.076 % | 0.053 % | 0.074 % | 0.064 % | 0.074 % |
| 10.0 | 0.000 % | 0.000 % | 0.008 % | 0.002 % | 0.012 % | 0.063 % |
| 졸-겔법으로 제조된, 금 함량이 0.05 내지 1.00 원자%이고 바나듐 함량이 5 원자%인 (하소 온도는 220 및 280 ℃), Au, 바나듐 및 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)를 포함하는 촉매에 프로필렌을 통과시키는 반응의 생성물 분포 | ||||||
| 0.1원자% Au/5 원자% V를 함유하는 촉매 | 0.5원자% Au/5원자% V를 함유하는 촉매 | 1.0원자% Au/5 원자% V를 함유하는 촉매 | ||||
| 220 ℃ | 280 ℃ | 220 ℃ | 280 ℃ | 220 ℃ | 280 ℃ | |
| 아세트알데히드 | 0.0171 | 0.0216 | 0.0133 | 0.0183 | 0.0160 | 0.0263 |
| 프로필렌 옥시드 | 0.0806 | 0.0760 | 0.0533 | 0.0735 | 0.0642 | 0.0742 |
| 프로피온 알데히드 | 0.0215 | 0.0412 | 0.020 | 0.0292 | 0.0256 | 0.0338 |
| 아세톤 | 0.0146 | 0.0173 | 0.0116 | 0.0694 | 0.0141 | 0.0176 |
실시예 2: 스칸듐을 함유하는 촉매(촉매 C)
전이금속원소로 이루어진 촉매를 일반적으로 졸-겔/침착침전법으로 제조할 수 있다. 이 방법은 일반적으로 모든 원소들에 적용가능하다. 스칸듐/테트라에틸오르토실리케이트 상에 지지된 Au를 포함하는 촉매를 제조하기 위해서, 우선 에탄올과 같은 알콜 2.92 ㎖를 테트라에틸오르토실리케이트 3298 ㎎과 혼합하였다. 이어서 이 혼합물에 스칸듐 화합물 (본 실시예에서는 스칸듐(III)클로라이드) 0.126 g을 가하였다. 이 혼합물에, HNO31.67 g을 H2O 600 ㎕에 용해시킨 것을 가하고, 이 샘플을 겔화가 일어날 때까지 혼합하였다. 겔화 후, 샘플을 건조시키고, 분말이 되게 분쇄하고, 350 ℃에서 24시간 동안 가열하였다.
금을 피복하기 위해서, 위에서 제조된 스칸듐 실리케이트 1.0 g을 물 20 ㎖에 가하였다. 이 현탁액에, 물 10㎖에 용해시킨 금 클로라우르산 0.02 g을 가하고, 이 현탁액을 1 시간 동안 혼합하였다. 이어서 여기에 0.015 몰 시트르산나트륨 10 ㎖를 가하고, 이를 추가로 1 시간 동안 혼합하였다. 이 축축한 분말을 회수하고 증류수로 반복적으로 세척하여 염소를 제거하고, 100 ℃ 및 200 mbar에서 밤새 건조시킨 후, 마지막으로 350 ℃에서 하소시켰다.
실시예 3: 크롬을 함유하는 촉매(촉매 D)
상기 촉매 B의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 바나듐(V) 트리프로폭시드 대신에 Cr(NO3)3·9H2O를 사용하여 촉매 D를 제조하였다.
실시예 4: 이트륨을 함유하는 촉매(촉매 E)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드 대신에 Y(NO3)3·6H2O를 사용하여 촉매 E를 제조하였다.
실시예 5: 지르코늄을 함유하는 촉매(촉매 F)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드 대신에 지르코늄(IV)프로필레이트를 사용하여 촉매 F를 제조하였다.
실시예 6: 니오브를 함유하는 촉매(촉매 G)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드 대신에 니오브(V) n-부톡시드를 사용하여 촉매 G를 제조하였다.
실시예 7: 몰리브덴을 함유하는 촉매(촉매 H)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드 대신에 몰리브덴 펜타클로라이드를 사용하여 촉매 H를 제조하였다.
실시예 8: 란탄을 함유하는 촉매(촉매 I)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드대신에 La(NO3)3·6H2O를 사용하여 촉매 I를 제조하였다.
실시예 9: 하프늄을 함유하는 촉매(촉매 K)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드 대신에 하프늄 n-부톡시드를 사용하여 촉매 K를 제조하였다.
실시예 10: 탄탈을 함유하는 촉매(촉매 L)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드 대신에 탄탈(V)에톡시드를 사용하여 촉매 L을 제조하였다.
실시예 11: 텅스텐을 함유하는 촉매(촉매 M)
상기 촉매 C의 제조방법과 동일한 방법을 따르되, 스칸듐(III) 클로라이드 대신에 WCl6를 사용하여 촉매 M을 제조하였다.
| 졸-겔/침착침전법으로 제조된, 금 1.0 원자%, 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS) 및 전이금속 5 원자%를 포함하는 촉매에 프로필렌을 통과시켜 얻은 부분산화 생성물의 분포 | |||||
| 촉매 | 아세트알데히드 | 프로필렌 옥시드 | 프로피온알데히드 | 아세톤 | |
| 촉매 C5원자% Sc | 전환율 | 0.000 | 0.026 | 0.000 | 0.008 |
| 선택도 | 0.000 | 77.13 | 0.000 | 22.87 | |
| 촉매 D5원자% Cr | 전환율 | 0.051 | 0.007 | 0.043 | 0.002 |
| 선택도 | 49.29 | 6.69 | 42.03 | 1.98 | |
| 촉매 E5원자% Y | 전환율 | 0.000 | 0.0035 | 0.000 | 0.001 |
| 선택도 | 0.000 | 77.61 | 0.000 | 22.39 | |
| 촉매 F5원자% Zr | 전환율 | 0.004 | 0.030 | 0.004 | 0.003 |
| 선택도 | 9.73 | 74.00 | 8.54 | 7.73 | |
| 촉매 G5원자% Nb | 전환율 | 0.000 | 0.05 | 0.000 | 0.000 |
| 선택도 | 0.000 | 100 | 0.000 | 0.000 | |
| 촉매 H5원자% Mo | 전환율 | 0.000 | 0.010 | 0.000 | 0.004 |
| 선택도 | 0.000 | 72.15 | 0.000 | 27.85 | |
| 촉매 I5원자% La | 전환율 | 0.000 | 0.006 | 0.000 | 0.004 |
| 선택도 | 0.000 | 62.63 | 0.000 | 37.37 | |
| 촉매 K5원자% Hf | 전환율 | 0.000 | 0.013 | 0.000 | 0.016 |
| 선택도 | 0.000 | 44.58 | 0.000 | 55.42 | |
| 촉매 L5원자% Ta | 전환율 | 0.000 | 0.153 | 0.004 | 0.001 |
| 선택도 | 0.000 | 96.37 | 2.70 | 0.93 | |
| 촉매 M5원자% W | 전환율 | 0.000 | 0.01 | 0.000 | 0.000 |
| 선택도 | 0.000 | 100 | 0.000 | 0.000 |
실시예 12
당해 분야에는 촉매의 총 노출 표면적을 증대시키고 지지된 금 입자의 크기를 감소시키는 많은 방법들이 공지되어 있다. 이러한 방법중 하나가 졸-겔의 붕괴(fragmentation)를 유발하는 제2 첨가제를 첨가하는 것이다. 구체적으로 여러 예들중 하나만 들자면, 트리비닐메톡시실란을 테트라에틸오르토실리케이트에 첨가하는 것이다.
트리비닐메톡시실란으로 개질된 몰리브덴/테트라에틸오르토실리케이트 상에 지지된 Au를 포함하는 촉매를 제조하기 위해서, 우선 에탄올과 같은 알콜 2.92 ㎖을 테트라에틸오르토실리케이트 3403 ㎎ 및 트리비닐메톡시실란 23 ㎎과 혼합하였다. 이어서 이 혼합물에 몰리브덴 화합물 (본 실시예에서는 MoCl5) 45.5 ㎎을 가하였다. 이 혼합물에, 63 % HNO31.67 g을 H2O 600 ㎕에 용해시킨 것 0.72 ㎖를 가하였다. 이어서 이 샘플을 겔화가 일어날 때까지 혼합하였다. 겔화 후, 샘플을 3일 동안 건조시키고 600 ℃에서 열처리하였다.
금을 피복하기 위해서, 몰리브덴 실리케이트 1.0 g을 물 20 ㎖에 가하였다. 이 용액을 교반시킴과 동시에 70 ℃로 가열하고, 이 현탁액에, 물 10 ㎖에 용해시킨 HAuCl40.02 g을 15분에 걸쳐 적가하였다. 이어서 이 혼합물의 pH를 7로 조정하였다. 이 현탁액에, pH가 7로 조정된 0.015 ㎖/ℓ 시트르산나트륨 용액 10 ㎖를 가하고, 이 시스템을 pH 7에서 1 시간 동안 혼합하였다. 이어서 이 시스템을 증류수로 수회 철저하게 세척하여 염소를 제거하고, 100 ℃ 및 200 mbar에서 밤새 건조시킨 후, 마지막으로 150 ℃에서 하소시켰다.
하소 후, 촉매 500 ㎎을 기체 반응기 셀에 삽입하고 140 ℃에서 연구하였다. 이 연구에서는, 프로필렌 5.78 %, 수소 75.65 %, 산소 4.81 % 및 질소 희석제 13.76 %를 포함하는 기체를, 공간 속도 3500㎖ hr-1/촉매 g의 유속으로 상기 촉매층에 통과시켰다. 기상중 반응생성물을 기체 크로마토그래피로 분석하였다 (표 4 참조).
| 촉매 | 아세트알데히드 | 프로필렌 옥시드 | 프로피온알데히드 | 아세톤 | |
| 촉매 1원자% Mo | 전환율 | 0.0487 | 0.875 | 0.0448 | 0.010 |
| 선택도 | 4.97 | 89.37 | 4.57 | 1.09 |
Claims (6)
- 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고 본질적으로 티탄을 함유하지 않는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터(㎚) 크기의 금을 포함하는 화합물을 촉매로서 사용하는 것을 특징으로 하는, 산소 분자와 수소를 사용한 올레핀의 에폭시드화 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 올레핀이 프로펜 및 부텐으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고 본질적으로 티탄을 함유하지 않는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터 크기의 금을 포함하는 화합물.
- 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고 본질적으로 티탄을 함유하지 않는 지지체 물질 상에 나노미터 크기의 금 입자를 침착시키는 것을 특징으로 하는, 제3항에 따른 화합물의 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 화합물을 졸-겔법(sol-gel-process)으로 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 스칸듐, 이트륨, 란탄족원소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 및(또는) 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 함유하고 본질적으로 티탄을 함유하지 않는 지지체 물질 상에 금, 바람직하게는 나노미터 크기의 금을 포함하는 화합물의 존재하에서 화학반응을 수행함으로써, 상기 화학반응을 촉진하는 방법.
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