KR20030079443A - Nano tertiary ferrite catalyst for co2 decomposition and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A nano tertiary ferrite catalyst having high carbon dioxide decomposition efficiency and a method for preparing the same are provided. CONSTITUTION: The nano tertiary ferrite catalyst is characterized in that it is represented as the following Formula: NixZn1-xFe2O4-δ, where x is 0.1 to 0.9, and δ is the extent of oxygen deficiency, wherein the nano ternary ferrite catalyst for decomposition of carbon dioxide is formed by adding 0.5 to 2.5 wt.% of Pt or Pd to nano ternary ferrite. The method of preparing the nano ternary ferrite catalyst for decomposition of carbon dioxide comprises the processes of manufacturing nano ternary ferrite powder of NixZn1-xFe2O4 (x=0.1 to 0.9) by hydrothermal synthesis or coprecipitation method using x mol (x=0.1 to 0.9) of Ni salt,(1-x) mol of Zn salt and 2 mol of Fe salt as starting raw materials; reducing the manufactured nano ternary ferrite powder at a hydrogen atmosphere; and manufacturing nano ternary ferrite catalyst by adding 0.5 to 2.5 wt.% of Pt or Pd to the reduced nano ternary ferrite powder by charge titration method.

Description

이산화탄소 분해용 초미세 3원계 페라이트 촉매 및 그의 제조방법{Nano tertiary ferrite catalyst for CO2 decomposition and method for preparing the same}Nano tertiary ferrite catalyst for CO2 decomposition and method for preparing the same}

본 발명은 이산화탄소 분해용 3원계 페라이트 촉매에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이산화탄소 분해 효율이 높은 나노크기의 초미세 분말 상태의 3원계 페라이트 촉매 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a ternary ferrite catalyst for decomposing carbon dioxide, and more particularly, to a ternary ferrite catalyst in a nano-sized ultrafine powder state having high carbon dioxide decomposition efficiency and a method of manufacturing the same.

대기 중에 CO2가스의 축적으로 인한 지구온난화 및 이상기후 현상이 심각한 국제적 환경 문제로 떠오름에 따라, 이미 선진국들은 대기오염 배출을 줄이기 위한 다각적인 방향의 관련 기술개발에 상당한 노력과 투자를 해오고 있으며, 그 중에서 배기가스내 CO2가스 배출량을 줄이기 위한 방법의 하나로서 촉매 물질을 이용한 CO2가스 분해장치를 개발하고자 노력하여 왔다.As global warming and abnormal weather due to the accumulation of CO 2 gas in the atmosphere have emerged as a serious international environmental problem, developed countries have already made considerable efforts and investments in developing related technologies in various directions to reduce air pollution emissions. In particular, as one of the methods for reducing CO 2 gas emission in exhaust gas, efforts have been made to develop a CO 2 gas cracker using catalytic materials.

CO2가스를 분해할 수 있는 촉매 물질에 관한 연구들에 의하여, Fe, Ni, Ba, Ca, Sr, Al, Cu, Mg 등의 금속들이 CO2가스를 분해할 수 있는 기능을 지닌 것으로 밝혀졌으며, 주로 상기 금속들을 촉매로 사용하는 CO2가스 분해장치의 개발이 이루어졌었다. 그러나, Fe, Ni, Ba, Ca, Sr, Al, Cu, Mg 등의 금속을 촉매 재료로 사용할 경우, 대부분 반응온도가 높고, CO2분해율이 20% 이하로서 낮은 편이다. 예로서, Fe 금속의 깨끗한 표면이 CO2분위기에 노출되었을 경우, 527∼627℃에서 H2가스와 Bosch 반응이 일어나며, 이때의 CO2분해율은 매우 낮은 10∼20%에 불과하다.By the study on the catalytic material capable of decomposing the CO 2 gas, to metals such as Fe, Ni, Ba, Ca, Sr, Al, Cu, Mg was found to possess the ability to decompose the CO 2 gas In particular, the development of a CO 2 gas cracker using the above metals as a catalyst has been made. However, when metals such as Fe, Ni, Ba, Ca, Sr, Al, Cu, and Mg are used as catalyst materials, most of them have a high reaction temperature and a low CO 2 decomposition rate of 20% or less. For example, when a clean surface of Fe metal is exposed to a CO 2 atmosphere, a H 2 gas and Bosch reaction occurs at 527 to 627 ° C., at which time the CO 2 decomposition rate is only very low 10 to 20%.

상기와 같은 금속을 재료로 한 촉매의 문제점을 개선하기 위한 촉매물질로서최근에 많은 관심을 불러일으키고 있는 재료중의 하나가 페라이트이다. 이 페라이트가 나노크기의 초미세 분말로 합성되고, 산소 결핍상태의 결정구조를 지닐 경우, CO2가스를 C와 O2가스로 분해시키며, 또한 H2가 존재할 경우 저온에서도 CO2를 CH4로 변환시키는 기능을 지닌다. 이러한 사실이 알려지면서 페라이트 분말을 촉매소재로서 사용하여 CO2대기오염 가스 방출을 저감시킬 수 있는 시스템을 개발하려는 연구개발이 일부 선진국을 중심으로 활발하게 진행되었으며, 지금까지 CO2가스 분해용 재료로서 연구 개발된 페라이트들로는 NiFe2O4, CoFe2O4, ZnFe2O4등의 2원계 페라이트들이 있다.Ferrite is one of the materials that has recently attracted much attention as a catalyst material for improving the problems of the catalyst made of the above metal. The ferrite is synthesized by the ultra-fine powders of nano-size, if possess a crystal structure of oxygen deficient states, sikimyeo decomposition of CO 2 gas to the C and the O 2 gas, and the CO 2 at a low temperature when there is H 2 in CH 4 Has the ability to convert Became known this fact has been research and development to develop a system in which the ferrite powder can reduce the CO 2 pollution gas emissions using a catalytic material is actively pursued around some developed countries, as the material for the CO 2 gas exploded far The ferrites researched and developed include binary ferrites such as NiFe 2 O 4 , CoFe 2 O 4 , and ZnFe 2 O 4 .

그러나, 아직까지 2원계 페라이트보다 우수한 CO2분해 특성을 지닌 3원계 페라이트는 구체적으로 연구, 발표된 바가 없다.However, ternary ferrites having superior CO 2 decomposition characteristics than binary ferrites have not been specifically studied and published.

본 발명의 목적은 기존의 2원계 페라이트보다 CO2분해기능이 향상된 새로운 3원계 페라이트 초미세 분말을 합성함으로써, 우수한 CO2분해 기능을 지닌 소재를 개발하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to develop a material having excellent CO 2 decomposition function by synthesizing a new ternary ferrite ultrafine powder improved CO 2 decomposition function than the existing binary ferrite.

본 발명의 다른 목적은 상기 3원계 페라이트 표면에 귀금속을 미량 고용시킴으로써, CO2분해기능이 더욱 향상된 3원계 페라이트 촉매 소재를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a ternary ferrite catalyst material having improved CO 2 decomposition by further solid solution of a noble metal on the ternary ferrite surface.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 3원계 페라이트 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method for preparing the three-way ferrite catalyst.

도1은 수열합성법과 공침법에 의해 합성된 페라이트 분말, Ni0.5Zn0.5Fe2O4의 x-선 회절패턴을 나타낸 도면이고,1 is a diagram showing an x-ray diffraction pattern of ferrite powder, Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4 , synthesized by hydrothermal synthesis and coprecipitation;

도2는 NixZn1-xFe2O4, 페라이트 분말의 TEM 사진으로서, (a)는 공침법에 의해 제조된 페라이트 분말의 사진이고, (b)는 수열합성법에 의해 제조된 페라이트 분말의 사진이며,Figure 2 is a TEM photograph of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 , ferrite powder, (a) is a photograph of the ferrite powder prepared by the coprecipitation method, (b) is a photograph of the ferrite powder prepared by the hydrothermal synthesis method It is a photograph,

도3은 Pt, Pd가 첨가된 NixZn1-xFe2O4페라이트의 TEM 사진이고,3 is a TEM photograph of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 ferrite added with Pt and Pd,

도4는 3원계 페라이트 초미세분말을 촉매로 사용한 CO2분해 반응셀의 개략도이고,4 is a schematic diagram of a CO 2 decomposition reaction cell using a ternary ferrite ultrafine powder as a catalyst,

도5는 Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ페라이트의 CO2분해율에 대한 환원시간의 영향을 나타낸 그래프이고,5 is a graph showing the effect of reduction time on the CO 2 decomposition rate of Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ ferrite,

도6은 열린 시스템에서 측정한, 수열합성법으로 합성된 NixZn1-xFe2O4-δ페라이트의 CO2분해율을 나타낸 그래프로서, 반응기에 주입된 가스는 10% CO2-90% N2혼합가스이고, 0% CO2는 주입된 CO2가스가 완전히 분해된 상태이며, 10% CO2는 거의 분해가 일어나지 않은 상태를 나타내며,FIG. 6 is a graph showing the CO 2 decomposition rate of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ferrite synthesized by hydrothermal synthesis, measured in an open system, wherein the gas injected into the reactor was 10% CO 2 -90% N 2 mixed gas, 0% CO 2 is a state in which the injected CO 2 gas is completely decomposed, 10% CO 2 is a state that almost no decomposition occurs,

도7은 열린 시스템에서 측정한, 공침법으로 합성된 NixZn1-xFe2O4-δ페라이트의 CO2분해율을 나타낸 그래프이고,7 is a graph showing the CO 2 decomposition rate of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ferrite synthesized by coprecipitation method, measured in an open system,

도8은 닫힌 시스템에서 측정한, 수열합성법으로 합성된 NixZn1-xFe2O4-δ페라이트의 CO2분압 변화를 나타낸 그래프이고,8 is a graph showing the change of CO 2 partial pressure of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ferrite synthesized by hydrothermal synthesis, measured in a closed system,

도9는 닫힌 시스템에서 측정한, 공침법으로 합성된 NixZn1-xFe2O4-δ페라이트의 CO2분압 변화를 나타낸 그래프이고,9 is a graph showing the CO 2 partial pressure change of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ferrite synthesized by coprecipitation method, measured in a closed system,

도10은 닫힌 시스템에서 측정한, 수열합성법으로 합성된 Pt, Pd-첨가된 NixZn1-xFe2O4-δ페라이트의 CO2분압 변화를 나타낸 그래프로서, (a)는 Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ, (b)는 Pt-Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ, (c)는 Pd-Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ의 경우이고,FIG. 10 is a graph showing the CO 2 partial pressure change of Pt, Pd-added Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ferrite synthesized by hydrothermal synthesis, measured in a closed system, and (a) is Ni 0.5 Zn. 0.5 Fe 2 O 4-δ , (b) is Pt-Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ , (c) is the case of Pd-Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ ,

도11은 닫힌 시스템에서 측정한, 공침법으로 합성된 Pt-, Pd-첨가된 NixZn1-xFe2O4-δ페라이트의 CO2분압 변화를 나타낸 그래프로서, (a)는 Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ, (b)는 Pt-Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ, (c)는 Pd-Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ의 경우를 나타낸 것이다.FIG. 11 is a graph showing the change of CO 2 partial pressure of Pt-, Pd-added Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ferrite synthesized by coprecipitation method measured in a closed system, (a) is Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ , (b) shows the case of Pt-Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ , (c) Pd-Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ .

본 발명의 초미세 3원계 초미세 페라이트 촉매는 화학식 NixZn1-xFe2O4(x=0.1∼0.9)로 표시되며, 이는 기존의 2원계 페라이트(NiFe2O4, CoFe2O4, 등)보다 더 우수한 CO2분해율을 나타낸다.The ultrafine ternary ultrafine ferrite catalyst of the present invention is represented by the formula Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 (x = 0.1 to 0.9), which is a conventional binary ferrite (NiFe 2 O 4 , CoFe 2 O 4 , Etc.) shows a better CO 2 decomposition rate.

이와 같이 우수한 CO2분해 특성을 지닌 3원계 페라이트 초미세 분말을 이용하여 CO2가스를 분해시킬 수 있는 반응셀을 설계 제작하여, CO2가스를 방출하는 시설과 장비들에 설치하면, 대기오염가스의 주요 성분인 CO2배출 가스를 대폭 저감시키므로써, 대기오염을 효율적으로 줄이는 용도로 활용될 수 있다.By designing and manufacturing a reaction cell capable of decomposing CO 2 gas using ternary ferrite ultrafine powder having excellent CO 2 decomposition characteristics, and installing it in facilities and equipment that emit CO 2 gas, Significantly reduces CO 2 emissions, a major component of, can be used to efficiently reduce air pollution.

본 발명의 3원계 페라이트 초미세 촉매 물질은, Ni 염(salt), Zn 염 및 Fe 염의 출발물질을 이용하여, 수열합성법과 공침법 등의 습식 합성법에 의하여 나노크기의 초미세 분말을 합성하고, 이 합성된 초미세 분말을 다시 수소환원에 의해 산소결핍 상태의 페라이트로 만들어 CO2분해율을 크게 향상시키는 방법에 의해 제조된다. 본 발명에서 출발물질로 사용되는 Ni 염, Zn 염 및 Fe 염으로는 특히 Ni(NO3)2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Fe(NO3)3·9H2O등의 질산염(Nitrate)계와 NiSO4·6H2O, ZnSO4·7H2O, FeSO4·7H2O 등의 황산염(Sulfate)계가 바람직하다. 본 발명의 3원계 페라이트 초미세 촉매 물질의 제조시에 적용되는 수열합성법과 공침법 자체는 당분야에서 이미 알려진 공지의 방법으로서, 본 발명에서는 이들 공지의 방법을 그대로 적용할 수 있다.The ternary ferrite ultrafine catalyst material of the present invention synthesizes nano-sized ultrafine powders by wet synthesis method such as hydrothermal synthesis method and coprecipitation method using starting materials of Ni salt, Zn salt and Fe salt. The synthesized ultrafine powder is prepared again by hydrogen reduction to ferrite in an oxygen deficient state, thereby greatly improving the CO 2 decomposition rate. Ni salts, Zn salts and Fe salts used as starting materials in the present invention in particular Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 Nitrate type such as O, and sulfate type such as NiSO 4 · 6H 2 O, ZnSO 4 · 7H 2 O, FeSO 4 · 7H 2 O are preferable. Hydrothermal synthesis and coprecipitation itself, which are applied in the production of the ternary ferrite ultrafine catalyst material of the present invention, are well known methods known in the art, and in the present invention, these known methods can be applied as they are.

또한, 본 발명에서는 상기와 같이 제조된 초미세 3원계 페라이트 촉매 물질의 표면에 귀금속류, 예로서 Pt 또는 Pd를 전하적정법에 의하여 미량 첨가시키므로써, 3원계 페라이트 초미세 촉매 물질의 CO2분해율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이때 적용되는 전하적정법은 공지의 방법을 이용할 수 있다.In addition, in the present invention, by adding a trace amount of precious metals such as Pt or Pd to the surface of the ultrafine ternary ferrite catalyst material prepared as described above by a charge titration method, the CO 2 decomposition rate of the ternary ferrite ultrafine catalyst material is further increased. Can be improved. The charge titration method applied at this time can use a well-known method.

본 발명의 초미세 3원계 페라이트 촉매 물질(이하, "3원계 페라이트 초미세 분말"이라고도 한다)의 제조에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The preparation of the ultrafine ternary ferrite catalyst material of the present invention (hereinafter also referred to as "ternary ferrite ultrafine powder") will be described in detail.

(1) 3원계 페라이트 초미세 분말의 합성(1) Synthesis of Ternary Ferrite Ultrafine Powder

페라이트의 CO2분해 효율은 제조 방법이나 여러 가지 공정조건에 따라 큰 차이를 보이고 있다. 본 발명에서는 CO2분해율을 향상시키기 위하여 수열합성법과 공침법을 사용하여 3원계 페라이트를 수십 nm 이하의 초미세 분말 형태로 합성한다.The CO 2 decomposition efficiency of ferrites varies greatly depending on the manufacturing method and various process conditions. In the present invention, in order to improve the CO 2 decomposition rate, ternary ferrite is synthesized in the form of ultra fine powder of several tens of nm or less using hydrothermal synthesis and coprecipitation.

출발원료로는 Ni 염, Zn 염, Fe 염을 사용하여 수열합성법 또는 공침법에 의해 NixZn1-xFe2O4(x=0.1∼0.9)를 제조한다.As starting materials, Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 (x = 0.1 to 0.9) is prepared by hydrothermal synthesis or coprecipitation using Ni salt, Zn salt, and Fe salt.

수열합성법에 의한 페라이트 분말의 제조의 예를 들면, 증류수에 x mol의 Ni(NO3)2·6H2O, (1-x) mol의 Zn(NO3)2·6H2O, 2 mol의 Fe(NO3)3·9H2O를 x= 0.1∼0.9의 조성범위에 맞게 각각 적정 몰비의 양으로 혼합하여 수용액을 제조한 후, 이 혼합용액에 NaOH 수용액을 사용하여 교반을 하면서 적정 pH(예로서, pH 8.0∼10.0)되도록 조절하고, 스테인레스 스틸 오토클레이브 반응기에 넣어 140∼200℃에서 1∼2 시간동안 수열반응을 시킨다. 이 때 혼합 용액은 지속적으로 교반시켜 준다. 수열 반응을 시킨 혼합 용액을 10,000∼20,000 rpm의 높은 속도로 원심분리하여 침전물을 분리시키고, 분리된 침전물을 증류수와 에탄올로 세척한 후, 최종적으로 진공 건조기에서 20∼24 시간동안 건조시킨다.Examples of the preparation of ferrite powder by hydrothermal synthesis include distilled water with x mol of Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, (1-x) mol of Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 2 mol Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O was mixed in an appropriate molar ratio to suit the composition range of x = 0.1 to 0.9 to prepare an aqueous solution, followed by stirring with NaOH aqueous solution to an appropriate pH ( For example, the pH is adjusted to 8.0 to 10.0), and the hydrothermal reaction is performed in a stainless steel autoclave reactor at 140 to 200 ° C. for 1 to 2 hours. At this time, the mixed solution is continuously stirred. The mixed solution subjected to hydrothermal reaction was centrifuged at a high speed of 10,000 to 20,000 rpm to separate the precipitate, and the separated precipitate was washed with distilled water and ethanol and finally dried in a vacuum dryer for 20 to 24 hours.

공침법에 의한 페라이트 분말 제조의 예를 들면, 수열합성법과 동일한 조성의 수용액을 40∼80℃로 유지시키고 NaOH 수용액을 첨가하면서 적정 pH(예로서, pH 8∼10)가 되도록 조절한다. 이 혼합 용액을 삼각 플라스크에 넣어 수십℃, N2분위기에서 수 십분 동안 공침반응을 시키고 수열합성법과 동일한 방법으로 원심분리, 세척, 건조시킨다.For example, the production of ferrite powder by coprecipitation method, the aqueous solution of the same composition as the hydrothermal synthesis method is maintained at 40 to 80 ℃ and adjusted to an appropriate pH (for example, pH 8 to 10) while adding an aqueous NaOH solution. The mixed solution was placed in an Erlenmeyer flask and subjected to coprecipitation for several ten minutes in an atmosphere of several tens C and N 2 , followed by centrifugation, washing, and drying in the same manner as in hydrothermal synthesis.

이렇게 얻어진 분말을 내부에 잔류될 수 있는 H2O나 OH기를 제거하기 위해 200∼300℃, N2분위기에서 수 시간동안 열처리하여 각각의 NixZn1-xFe2O4(x=0.1∼0.9)분말을 얻는다.The powder thus obtained was heat-treated at 200 to 300 ° C. for several hours in an N 2 atmosphere to remove H 2 O or OH groups remaining therein, and each Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 (x = 0.1 to 0.9) powder.

상기한 수열합성법과 공침법을 실시함에 있어서의 온도, 반응시간 등의 구체적인 조건들은 당업자라면 적절히 선택, 적용할 수 있는 것이다.Specific conditions such as temperature, reaction time and the like in performing the above hydrothermal synthesis method and coprecipitation method can be appropriately selected and applied by those skilled in the art.

(2) Pt, Pd를 첨가한 페라이트 분말의 제조(2) Preparation of Ferrite Powder Added Pt and Pd

3원계 페라이트의 CO2분해 효과를 개선하기 위해, 상기와 같이 수열합성법 또는 공침법으로 제조한 NixZn1-xFe2O4(x=0.1∼0.9) 분말에 전하적정법으로 Pt, Pd0.5∼2.5중량%를 첨가한다. 이때 적용되는 전하적정법 자체는 공지이다. Ternary Ferrite CO2In order to improve the decomposition effect, Ni prepared by the hydrothermal synthesis method or coprecipitation method as described abovexZn1-xFe2O4(x = 0.1-0.9) Pt and Pd0.5-2.5 weight% are added to a powder by a charge titration method. The charge titration method applied at this time is known.

Pt 또는 Pd의 첨가량이 0.5중량% 미만인 경우에는 첨가에 따른 효과가 미흡하고, 2.5중량%를 초과하면, 큰 덩어리(cluster)상태로 첨가되거나 불균일하게 첨가될 우려가 있고, 또한 Pt와 Pd는 가격이 매우 고가인 귀금속류이기 때문에 많은 양을 첨가시키면 경제성의 면에서 실효성이 떨어지므로 바람직하지 않다.If the added amount of Pt or Pd is less than 0.5% by weight, the effect of the addition is insufficient. If it exceeds 2.5% by weight, it may be added in a large cluster state or unevenly added, and Pt and Pd may be Since these are very expensive precious metals, the addition of a large amount is not preferable because of their deterioration in economic efficiency.

Pt, Pd를 첨가한 페라이트 분말의 제조의 예를 들면, 0.1mol 이하의 PtCl4, PdCl2수용액을 각각 제조한 후, 낮은 pH에서 페라이트 분말의 손상을 보호하기 위해 40∼80℃로 유지시킨 NaOH 용액을 첨가하면서 적정 pH(예로서, pH 4∼5)가 되도록 조절하고, 각각의 용액에 적당량의(PtCl4또는 PdCl2용액 15∼20 ml + 페라이트 분말 5∼7 g) 상기에서 제조된 3원계 페라이트 초미세 분말을 넣고, 다시 NaOH를 조금씩 첨가하면서 pH가 증가되도록 적정한다. 이 용액을 여과시켜 진공건조기에서 하루정도 건조하여, Pt 또는 Pd가 각각 0.5∼2.5중량% 첨가된 3원계 페라이트 초미세 분말을 제조한다.For example, in the preparation of Pt and Pd-added ferrite powders, 0.1 mol or less of PtCl 4 and PdCl 2 aqueous solutions were prepared, respectively, and then maintained at 40 to 80 ° C. to protect the ferrite powder from damage at low pH. Adjust the solution to the appropriate pH (e.g. pH 4-5) while adding the solution, and add to each solution an appropriate amount (15-20 ml of PtCl 4 or PdCl 2 solution + 5-7 g of ferrite powder) Raw ferrite ultrafine powder is added and titrated to increase the pH while adding NaOH little by little. The solution was filtered and dried in a vacuum dryer for about one day to prepare a ternary ferrite ultrafine powder containing 0.5 to 2.5 wt% of Pt or Pd, respectively.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 예시에 지나지 않으며, 본 발명이 이 실시예에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are merely illustrative of the present invention and the present invention is not limited to these examples.

실시예 1Example 1

본 실시예에서는 수열합성법으로 3원계 페라이트 초미세 분말을 제조하였다.In this embodiment, a ternary ferrite ultrafine powder was prepared by hydrothermal synthesis.

증류수 150 ml에 x mol(x=0.3, 0.5, 0.7)의 Ni(NO3)2·6H2O, (1-x) mol의Zn(NO3)2·6H2O, 2 mol의 Fe(NO3)3·9H2O를 혼합하여 수용액을 제조한 후, 이 혼합용액에 3 M NaOH 수용액을 사용하여 교반을 하면서 pH 9가 될 때까지 적정하고, 스테인레스 스틸 오토클레이브 반응기에 넣어 170℃ (7.5 MPa)에서 5시간동안 수열 반응을 시켰다. 이 때 혼합 용액은 지속적으로 교반시켜 주었다. 수열 반응을 시킨 혼합 용액을 10000 rpm의 속도로 원심분리하여 침전물을 분리시키고, 분리된 침전물을 증류수와 에탄올로 세척한 후, 최종적으로 60℃의 진공 건조기에서 24시간동안 건조하였다.150 mol of distilled water, x mol (x = 0.3, 0.5, 0.7) of Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, (1-x) mol of Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 2 mol of Fe ( NO 3 ) 3 · 9H 2 O was mixed to prepare an aqueous solution, and the mixture was titrated with pH 3 while stirring using an aqueous 3 M NaOH solution, and placed in a stainless steel autoclave reactor at 170 ° C. ( 7.5 MPa) was subjected to hydrothermal reaction for 5 hours. At this time, the mixed solution was continuously stirred. The mixed solution subjected to hydrothermal reaction was centrifuged at 10000 rpm to separate the precipitates, and the separated precipitates were washed with distilled water and ethanol and finally dried in a vacuum dryer at 60 ° C. for 24 hours.

이렇게 얻어진 분말을 내부에 잔류될 수 있는 H2O나 OH기를 제거하기 위해 300℃, N2분위기에서 1시간동안 열처리하여 각각의 NixZn1-xFe2O4(x=0.3, 0.5, 0.7)분말을 얻었다.The powder thus obtained was heat-treated for 1 hour at 300 ° C. and N 2 atmosphere in order to remove H 2 O or OH groups remaining therein, and thus Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 (x = 0.3, 0.5, 0.7) to obtain a powder.

실시예 2Example 2

본 실시예에서는 공침법으로 3원계 페라이트 초미세 분말을 제조하였다.In this embodiment, the ternary ferrite ultrafine powder was prepared by the coprecipitation method.

증류수 150 ml에 x mol(x=0.3, 0.5, 0.7)의 Ni(NO3)2·6H2O, (1-x) mol의 Zn(NO3)2·6H2O, 2 mol의 Fe(NO3)3·9H2O를 혼합하여 수용액을 제조한 후, 이 수용액을 60℃로 유지시키고 NaOH 수용액을 첨가하면서 pH 9가 될 때까지 적정하였다. 이 혼합 용액을 삼각 플라스크에 넣어 60℃, N2분위기에서 약 1시간동안 공침 반응을 시키고, 공침 반응시킨 혼합 용액을 10000 rpm의 속도로 원심분리하여 침전물을 분리시키고, 분리된 침전물을 증류수와 에탄올로 세척한 후, 최종적으로 60℃의 진공건조기에서 24시간동안 건조하였다.150 ml of distilled water, x mol (x = 0.3, 0.5, 0.7) of Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, (1-x) mol of Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 2 mol of Fe ( NO 3 ) 3. 9H 2 O was mixed to prepare an aqueous solution, and the aqueous solution was maintained at 60 ° C. and titrated until the pH was 9 while adding an aqueous NaOH solution. The mixed solution was placed in an Erlenmeyer flask and subjected to coprecipitation for about 1 hour at 60 ° C. and N 2 atmosphere, and the precipitate was separated by centrifugation at 10000 rpm. The separated precipitate was separated from distilled water and ethanol. After washing with, finally dried for 24 hours in a vacuum dryer at 60 ℃.

이렇게 얻어진 분말을 내부에 잔류될 수 있는 H2O나 OH기를 제거하기 위해 300℃, N2분위기에서 1시간동안 열처리하여 각각의 NixZn1-xFe2O4(x=0.3, 0.5, 0.7)분말을 얻었다.The powder thus obtained was heat-treated for 1 hour at 300 ° C. and N 2 atmosphere in order to remove H 2 O or OH groups remaining therein, and thus Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 (x = 0.3, 0.5, 0.7) to obtain a powder.

3원계 페라이트 초미세 분말의 분석Analysis of Ternary Ferrite Ultrafine Powder

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 얻어진 수열합성법 및 공침법으로 얻은 분말은 에너지 분산 분광분석기(Energy dispersive spectroscopy(EDS))에 의해 조성분석을 하였고, X선 회절분석기(X-ray diffractometer(XRD)), 투과전자현미경(Transmission electron microscope(TEM))을 이용하여 결정구조 및 입자크기를 분석하였으며, BET(Brunauer, Emmett and Teller) 비표면적 분석을 하였다. 분석결과는 하기 표1에 나타내었으며, 표1의 결과는 5개의 분석결과를 평균하여 얻은 결과이다.Powders obtained by the hydrothermal synthesis and coprecipitation method obtained in Examples 1 and 2 were analyzed by composition by energy dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffractometer (XRD) The crystal structure and particle size were analyzed using a transmission electron microscope (TEM), and the BET (Brunauer, Emmett and Teller) specific surface area analysis was performed. The analysis results are shown in Table 1 below, and the results in Table 1 are obtained by averaging five analysis results.

샘플Sample 화학조성Chemical composition BET비표면적(m2/g)BET specific surface area (m 2 / g) 입자크기(nm)Particle size (nm) 방법Way x*x * 실시예 1(수열합성법)Example 1 (hydrothermal synthesis method) 0.30.3 (Ni2+ 0.31Zn2+ 0.75)Fe3+ 1.91O4 (Ni 2+ 0.31 Zn 2+ 0.75 ) Fe 3+ 1.91 O 4 121.8121.8 5∼95-9 0.50.5 (Ni2+ 0.47Zn2+ 0.51)Fe3+ 2.00O4 (Ni 2+ 0.47 Zn 2+ 0.51 ) Fe 3+ 2.00 O 4 113.2113.2 6∼96-9 0.70.7 (Ni2+ 0.66Zn2+ 0.32)Fe3+ 2.02O4 (Ni 2+ 0.66 Zn 2+ 0.32 ) Fe 3+ 2.02 O 4 127.5127.5 6∼86 to 8 실시예 2(공침법)Example 2 (Coprecipitation Method) 0.30.3 (Ni2+ 0.29Zn2+ 0.74)Fe3+ 1.91O4 (Ni 2+ 0.29 Zn 2+ 0.74 ) Fe 3+ 1.91 O 4 79.179.1 9∼109-10 0.50.5 (Ni2+ 0.51Zn2+ 0.51)Fe3+ 2.00O4 (Ni 2+ 0.51 Zn 2+ 0.51 ) Fe 3+ 2.00 O 4 77.677.6 8∼108 to 10 0.70.7 (Ni2+ 0.72Zn2+ 0.32)Fe3+ 1.95O4 (Ni 2+ 0.72 Zn 2+ 0.32 ) Fe 3+ 1.95 O 4 89.589.5 9∼119 to 11

* x 는 반응전 Ni(NO3)2·6H2O의 몰분율임.* x is the mole fraction of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O before the reaction.

상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 반응 후 얻어진 페라이트 분말의 조성비는 반응 전 혼합시킨 초기 몰수와 거의 동일한 조성을 지님을 EDS 분석 결과로서 알 수 있었다.As shown in Table 1, the composition ratio of the ferrite powder obtained after the reaction was found to have almost the same composition as the initial mole number mixed before the reaction as an EDS analysis result.

한편, 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 NixZn1-xFe2O4[x=0.5]의 XRD 결과는 도 1과 같다. XRD 결과에서 볼 수 있듯이, 두 페라이트의 결정구조가 전형적인 스피넬 구조를 지닌 것을 확인할 수 있었으며, α-Fe2O3같은 제 2상의 피크는 관찰되지 않았다.Meanwhile, XRD results of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 [x = 0.5] prepared in Examples 1 and 2 are the same as in FIG. 1. As can be seen from the XRD results, it was confirmed that the crystal structures of the two ferrites had a typical spinel structure, and no peak of the second phase such as α-Fe 2 O 3 was observed.

도 2는 실시예 1 및 실시예 2에서 수열합성법과 공침법으로 합성한 각각의 페라이트 분말을 TEM을 이용하여 관찰한 사진이다. 사진에서 볼 수 있는 것과 같이, 실시예 1의 수열합성법으로 합성한 페라이트 입자는 잘 분산되어 있으며, 10 nm 이하의 매우 미세하고 균일한 구형의 입자를 형성하고 있음을 관찰 할 수 있었다. 이에 반해, 실시예 2의 공침법으로 합성한 페라이트는 입자들이 뭉쳐 있고 입자의 형상 또한 균일하지는 않았지만 평균입자 크기는 12 nm 이하의 매우 작은 입자를 얻을 수 있었다.FIG. 2 is a photograph of ferrite powders synthesized by the hydrothermal synthesis method and the coprecipitation method in Examples 1 and 2 using TEM. As can be seen from the photograph, it was observed that the ferrite particles synthesized by the hydrothermal synthesis method of Example 1 were well dispersed and formed very fine and uniform spherical particles of 10 nm or less. In contrast, ferrite synthesized by the coprecipitation method of Example 2 was able to obtain very small particles having an average particle size of 12 nm or less, although the particles were aggregated and the shape of the particles was not uniform.

실시예 3Example 3

본 실시예에서는 페라이트 분말의 CO2분해 효과를 개선하기 위해, 실시예1 및 실시예2에서 제조된 페라이트 분말에 전하적정법으로 Pt와 Pd을 첨가하였다.In this embodiment, to improve the CO 2 decomposition effect of the ferrite powder, Pt and Pd were added to the ferrite powders prepared in Examples 1 and 2 by charge titration.

각각 2.94×10-2mol의 PtCl4수용액과 PdCl2수용액 15 ml를 각각 제조한 후, 65℃로 유지시킨 0.1 mol NaOH를 첨가하면서 pH가 4.5가 될 때까지 적정하고, 각각의 용액에 실시예 1 및 실시예2에서 수열합성법과 공침법으로 제조한 Ni0.5Zn0.5Fe2O4분말 각 5 g을 넣고, 65℃, 0.1 mol의 NaOH를 조금씩 첨가하면서 pH 10까지 적정하였다. 이 용액을 여과시켜 65℃의 진공건조기에서 24시간 동안 건조하여, 각각 Pt와 Pd가 약 1 중량% 정도 첨가된 페라이트를 제조하였다.Each of 2.94 × 10 −2 mol of PtCl 4 and 15 ml of PdCl 2 was prepared, and titrated until the pH reached 4.5 with addition of 0.1 mol NaOH maintained at 65 ° C. 5 g of Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4 powder prepared by the hydrothermal synthesis method and the coprecipitation method in 1 and Example 2 were added thereto, and the mixture was titrated to pH 10 while adding 0.1 mol of NaOH at 65 ° C. little by little. The solution was filtered and dried in a vacuum dryer at 65 ° C. for 24 hours to prepare ferrites containing about 1 wt% of Pt and Pd, respectively.

Pt와 Pd가 첨가된 3원계 페라이트 초미세 분말의 분석Analysis of Ternary Ferrite Ultrafine Powder Added with Pt and Pd

상기 실시예 3에서 제조된 Pt와 Pd가 첨가된 3원계 페라이트 분말에 대하여 상기 실시예 1 및 실시예 2의 페라이트 분말에 대하여 실시한 바와 동일한 방법으로 분석을 하였다. 격자상수는 XRD 분석을 행하여 얻은 회절 패턴을 이용하여 (cos2θ/sinθ + cos2θ/θ)값과 격자상수에 대한 함수로서 나타낸 선형 Nelson-Riley 함수의 외삽법으로 구하였다. 그 결과는 하기 표2에 나타내었다. 표2에서의 화학조성비의 결과는 5개의 분석결과를 평균하여 얻은 평균값이다.The ternary ferrite powder added with Pt and Pd prepared in Example 3 was analyzed in the same manner as that for the ferrite powders of Examples 1 and 2. The lattice constant was obtained by extrapolation of the (cos 2 θ / sinθ + cos 2 θ / θ) value and the linear Nelson-Riley function expressed as a function of the lattice constant using a diffraction pattern obtained by XRD analysis. The results are shown in Table 2 below. The results of chemical composition ratios in Table 2 are the average values obtained by averaging five analysis results.

샘플(방법)Sample (method) 귀금속Precious metals 화학조성Chemical composition BET비표면적(cm2/g)BET specific surface area (cm 2 / g) 격자상수(nm)Lattice constant (nm) 실시예 1(수열합성법)Example 1 (hydrothermal synthesis method) NoneNone Ni2+ 0.47Zn2+ 0.51Fe3+ 2.00O4 Ni 2+ 0.47 Zn 2+ 0.51 Fe 3+ 2.00 O 4 113.2113.2 0.84000.8400 PtPt Ni2+ 0.47Zn2+ 0.48Fe3+ 2.04O4 Ni 2+ 0.47 Zn 2+ 0.48 Fe 3+ 2.04 O 4 111.9111.9 0.83960.8396 PdPd Ni2+ 0.47Zn2+ 0.49Fe3+ 2.03O4 Ni 2+ 0.47 Zn 2+ 0.49 Fe 3+ 2.03 O 4 110.1110.1 0.83990.8399 실시예 2(공침법)Example 2 (Coprecipitation Method) NoneNone Ni2+ 0.51Zn2+ 0.51Fe3+ 1.94O4 Ni 2+ 0.51 Zn 2+ 0.51 Fe 3+ 1.94 O 4 77.677.6 0.84030.8403 PtPt Ni2+ 0.49Zn2+ 0.53Fe3+ 1.98O4 Ni 2+ 0.49 Zn 2+ 0.53 Fe 3+ 1.98 O 4 81.981.9 0.84000.8400 PdPd Ni2+ 0.49Zn2+ 0.52Fe3+ 1.99O4 Ni 2+ 0.49 Zn 2+ 0.52 Fe 3+ 1.99 O 4 79.479.4 0.84000.8400

상기 표 2에서 나타난 바와 같이 EDS분석 결과로부터, Pt와 Pd 첨가반응 후 얻어진 페라이트 분말의 조성비는 반응 전 혼합시킨 초기 조성(Ni0.5Zn0.5Fe2O4)과 거의 동일한 조성을 지님을 알 수 있었고, 첨가된 Pt, Pd의 양은 약 1∼1.5중량% 정도의 매우 작은 양이 첨가된 것으로 나타났다.As shown in Table 2, from the EDS analysis result, the composition ratio of the ferrite powder obtained after the Pt and Pd addition reaction was found to have almost the same composition as the initial composition (Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4 ) mixed before the reaction, The amount of Pt and Pd added was found to be a very small amount of about 1 to 1.5% by weight.

도 3은 실시예 1 및 실시예 2에서 각각 공침법과 수열합성법으로 합성된 Ni0.5Zn0.5Fe2O4분말에 Pd를 첨가시킨 후 TEM으로 관찰된 분말의 형상으로서, 두 분말의 형태는 모두 구형에 가까우며, 직경이 약 10nm 정도로 매우 작다. 또한, 공침법으로 합성된 분말들은 서로 뭉치는 형태를 지니고 있는 반면에, 수열합성법으로 합성된 분말의 경우는 서로 분산된 구형의 형태를 지니고 있다.FIG. 3 is a shape of a powder observed by TEM after adding Pd to Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4 powders synthesized by coprecipitation and hydrothermal synthesis in Examples 1 and 2, respectively. It is close to a sphere and is very small, about 10 nm in diameter. In addition, the powders synthesized by coprecipitation have agglomerated forms, whereas the powders synthesized by hydrothermal synthesis have spherical shapes dispersed from each other.

3원계 페라이트 초미세 분말의 COCO of ternary ferrite ultrafine powder 22 분해 특성 평가Degradation Characteristic Evaluation

상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 3원계 페라이트 초미세 분말에 대한 CO2분해율 측정은 열린 시스템(open system)과 닫힌 시스템(close system)의 두 가지 형태의 반응기에서 각각 실험을 하였다.The CO 2 decomposition rate of the ternary ferrite ultrafine powders prepared in Examples 1 and 2 was tested in two types of reactors, an open system and a closed system, respectively.

도 4에 본 발명에 따라 설계제작된 CO2분해 반응셀의 개략도를 나타내었다.4 shows a schematic view of a CO 2 decomposition reaction cell designed according to the present invention.

CO2분해율을 측정하기에 앞서, 산소결핍 상태의 페라이트를 얻기 위하여 수소 분위기에서 페라이트 분말을 환원시켰으며, 산소결핍정도가 가장 높은 적정 환원시간을 결정하였다. 이와 같이 환원처리에 의해 산소결핍 상태로 만드는 것은 환원된 산소결핍 페라이트에 CO2가스를 주입하게 되면 CO2의 산소는 스피넬 결정격자내의 산소 빈자리와 결합하고, 탄소는 페라이트의 표면에 남게되는 기작에 의하여 CO2분해가 이루어지므로, 페라이트가 CO2가스를 분해시킬 수 있으려면 산소결핍 상태의 페라이트가 되어야 하기 때문이다.Prior to measuring the CO 2 decomposition rate, the ferrite powder was reduced in a hydrogen atmosphere in order to obtain ferrite in an oxygen deficient state, and an appropriate reduction time having the highest oxygen deficiency was determined. Thus, when the injecting is CO 2 gas in the reduced oxygen deficient ferrite to make an oxygen-deficient state by reduction treatment to the mechanism of oxygen CO 2 is combined with the oxygen vacancy in the spinel crystal lattice, and the carbon is left on the surface of the ferrite This is because the CO 2 decomposition is performed, so that the ferrite must be ferrite in an oxygen depletion state in order to be able to decompose the CO 2 gas.

도 5는 실시예 2에서 공침법으로 제조한 Ni0.5Zn0.5Fe2O4페라이트 분말을 300℃의 반응기[도 4]에 넣고 99.99%순도의 H2가스를 10 ml/min의 유속으로 공급하여 1∼4시간 동안 각각 환원을 시킨 후, CO2가스를 10 ml/min의 유속으로 흘렸을 때 반응기의 출구를 통해 흘러나온 CO2의 양이 5%인 시간을 구하여 수소 환원시간의 함수로서 나타낸 그래프이다. 3시간 동안 환원시킨 페라이트가 CO2를 분해시키는 시간이 가장 길게 지속되었으며, 이것은 페라이트의 환원정도 즉, 산소결핍정도(δ)가 환원시간에 따라 커지면서 결정내부에 음이온 산소 빈자리의 수가 증가되는 경향과 동일하다고 볼 수 있다. 그러나, 3시간이 지난 후에는 페라이트의 CO2분해율이 감소되었으며, 이것은 단일상의 스피넬이 분해되어 α-Fe2O3같은 제 2상이 생성된 때문인 것으로 사료된다. 따라서, 이 결과를 기초로 하여 본 실험에서는 수소 환원시간을 3시간으로 고정하여 열린 시스템과 닫힌 시스템의 두 가지 방법으로 실험을 진행하였다.FIG. 5 is a Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4 ferrite powder prepared by the coprecipitation method in Example 2 was put into a reactor at 300 ° C. [FIG. 4], and 99.99% purity H 2 gas was supplied at a flow rate of 10 ml / min. After reducing for 1 to 4 hours, the graph shows the time when the amount of CO 2 flowing out through the outlet of the reactor is 5% when CO 2 gas is flowed at a flow rate of 10 ml / min. to be. The ferrite reduced for 3 hours lasted the longest time to decompose CO 2. This is because the reduction of ferrite, that is, oxygen deficiency (δ), increases with the reduction time, and the number of anion oxygen vacancies increases in the crystal. The same can be said. However, after 3 hours, the CO 2 decomposition rate of the ferrite decreased, which may be due to the decomposition of the single phase spinel to produce a second phase such as α-Fe 2 O 3 . Therefore, on the basis of this result, the experiment was conducted in two ways, the open system and the closed system, with the hydrogen reduction time fixed at 3 hours.

[열린 시스템에서의 실험][Experiment in open system]

열린 시스템에서의 실험을 다음과 같이 실시하였다. 실시예1에서 수열합성법으로 제조한 페라이트 분말 1g을 열린 시스템 반응기내의 파이렉스 유리 튜브 안에 넣고, 시료의 양옆을 유리섬유(glass fiber)로 패킹(packing)하였다. 먼저, 반응기의 온도를 300℃로 유지시킨 후, H2가스를 10 ml/min의 유속으로 흘려주면서 3시간 동안 환원을 시켜 페라이트를 산소결핍 상태로 만들었다. 그리고, 같은 온도에서 10% CO2- 90% N2의 혼합가스를 60 ml/min의 속도로 흘려보내고, 출구로 배출되는 가스의 성분을 시간에 따라 열전도 검출기(TCD : thermal conductivity detector)를 사용한 가스크로마토그래피(shimadzu model GC-8A)로 측정하였다. 반응기 출구로 배출되는 가스 중 CO2의 양을 반응시간의 함수로서 측정한 결과를 도6에 나타내었다.The experiment in the open system was carried out as follows. 1 g of ferrite powder prepared by the hydrothermal synthesis method in Example 1 was placed in a Pyrex glass tube in an open system reactor, and both sides of the sample were packed with glass fiber. First, the temperature of the reactor was maintained at 300 ° C., and then reduced to 3 hours while flowing H 2 gas at a flow rate of 10 ml / min. And, at the same temperature for 10% CO 2 - send flow at a rate of 90% N 2 mixed gas 60 ml / min of the, according to the composition of the gas discharged from the outlet at the time thermal conductivity detector: with (TCD thermal conductivity detector) It was measured by gas chromatography (shimadzu model GC-8A). The result of measuring the amount of CO 2 in the gas discharged to the reactor outlet as a function of the reaction time is shown in FIG. 6.

도6에서 알 수 있듯이 3원계 산소결핍 페라이트[x=0.3, 0.5, 0.7]는 약 7분 동안 CO2를 C와 O2로 완전 분해시켰으며, 이 후로는 CO2분해율이 점점 감소되어 약 10분 후에는 페라이트의 분해 능력이 완전히 상실되었다. 이는 수소 환원에 의해생성된 산소 빈자리가 CO2의 산소와 반응하여 완전히 채워진 후에는 더 이상 CO2의 분해가 진행되지 않은 것이다. 하지만 2원계 페라이트[x=1.0]는 CO2분해 기능이 5분 정도 지난 후 서서히 감소되는 것을 보여 주고 있다.As can be seen in FIG. 6, the ternary oxygen-deficient ferrite [x = 0.3, 0.5, 0.7] completely decomposed CO 2 into C and O 2 for about 7 minutes, after which the CO 2 decomposition rate gradually decreased to about 10 After minutes, the ferrite's ability to decompose completely lost. This will not, after the oxygen vacancy produced by the hydrogen reduction completely filled by reaction with CO 2 in oxygen it is no longer proceeds the decomposition of the CO 2. However, binary ferrite [x = 1.0] shows a slow decrease after about 5 minutes of CO 2 decomposition.

도 7은 실시예2에서 공침법으로 제조한 페라이트 분말 1 g을 위와 동일한 조건으로 실험하여 얻은 결과이다. 이 경우, x≥0.5인 3원계 페라이트(NixZn1-xFe2O4-δ)는 약 5분 동안 CO2를 C와 O2로 완전 분해시켰으며, 이 후로는 CO2분해율이 점점 감소되어 약 10분 후에는 페라이트의 분해 능력이 완전히 상실되었다. 또한, Ni과 Zn의 조성비에 따른 페라이트의 CO2분해능을 비교하여 볼 때, Zn의 함량이 많은 경우(Ni0.3Zn0.7Fe2O4)에 CO2분해 유지시간이 가장 길었고, 다른 두 경우에는 거의 같은 결과를 얻었다. 또한 수열합성법으로 제조한 페라이트 분말의 결과와 동일하게 3원계 페라이트[x=0.3, 0.5, 0.7]가 2원계 Ni 페라이트[x=1.0]보다 CO2가 지속적으로 분해되는 시간이 더 오래 유지된 것으로 보아 3원계 페라이트가 더 우수한 CO2분해 능력을 지닌 것으로 나타났다. 또한 합성 방법에 따른 CO2분해 효율을 비교하면 수열합성법에 의해 제조한 페라이트가 공침법에 의해 제조한 페라이트보다 더 우수한 결과를 얻을 수 있었다.7 is a result obtained by experimenting the ferrite powder 1 g prepared by the coprecipitation method in Example 2 under the same conditions. In this case, ternary ferrite (Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ) of x≥0.5 completely decomposed CO 2 into C and O 2 for about 5 minutes, after which the rate of CO 2 decomposition gradually increased. After about 10 minutes of reduction, the degradation ability of ferrite was lost completely. In addition, when comparing the CO 2 resolution of ferrite according to the composition ratio of Ni and Zn, when the Zn content is large (Ni 0.3 Zn 0.7 Fe 2 O 4 ), the retention time of CO 2 was longest, and in the other two cases I got almost the same result. In addition, as in the ferrite powder prepared by the hydrothermal synthesis method, the ternary ferrites [x = 0.3, 0.5, 0.7] were maintained for a longer time to continuously decompose CO 2 than the binary Ni ferrites [x = 1.0]. It has been shown that ternary ferrite has better CO 2 decomposition capacity. In addition, comparing the CO 2 decomposition efficiency according to the synthesis method was able to obtain a better result than the ferrite prepared by the hydrothermal synthesis method by the coprecipitation method.

[닫힌 시스템에서의 실험][Experiment in Closed System]

두 번째 방법으로, 닫힌 시스템에서의 실험은 다음과 같이 실시하였다. 페라이트 분말 3g을 닫힌 시스템 반응기[도 4]에 장입하고, 열린 시스템과 동일한 환원조건에서 동일한 방법으로 산소 결핍 페라이트를 제조한 후, 진공펌프를 이용하여 반응기 내부를 진공상태로 유지시켰다. 그리고 300℃의 진공상태 반응기에 CO220 ml를 주입하여 페라이트 재료에 의한 CO2분해로 발생하는 반응기 내부의 압력 변화를 이용하여 CO2분해 효율을 측정하였다.In the second method, experiments in a closed system were carried out as follows. 3 g of ferrite powder was charged to a closed system reactor [FIG. 4], and oxygen-deficient ferrite was prepared in the same manner under the same reducing conditions as the open system, and then the inside of the reactor was kept in a vacuum state using a vacuum pump. 20 ml of CO 2 was injected into a vacuum reactor at 300 ° C., and CO 2 decomposition efficiency was measured using a pressure change in the reactor generated by CO 2 decomposition by a ferrite material.

도 8은 진공상태(PCO2= 0)의 닫힌 시스템 반응기를 이용하여, 반응기 초기압력을 약 70 mmHg로 하여, 실시예 1에서 수열합성법으로 제조한 페라이트의 CO2분해 정도를 측정한 결과이다. 세로축의 0점은 진공상태로서 상대적인 값이며, 가로축은 CO2를 주입한 후 경과된 시간을 나타낸다. 비교적 반응 초기에 분해가 빠르게 일어나 반응기 내부의 CO2분압은 급격히 저하되고, 시간이 지남에 따라 일정하게 된다. 도 8에서 보듯이 Ni의 양이 많은 페라이트는 5분이 지난 후 더 이상 분해되지 못했고, Ni의 조성이 0.5이하일 경우, 비교적 우수한 CO2분해 효율을 얻을 수 있다. 이러한 결과는 열린 시스템에서 얻은 결과와 일치한다.8 is a result of measuring the degree of CO 2 decomposition of the ferrite prepared by the hydrothermal synthesis method in Example 1 using a closed system reactor in a vacuum state (PCO 2 = 0) to about 70 mmHg reactor initial pressure. The zero point on the vertical axis represents a vacuum value and the horizontal axis represents the time elapsed after injecting CO 2 . In the early stage of the reaction, decomposition occurs rapidly, so that the partial pressure of CO 2 in the reactor decreases rapidly and becomes constant over time. As shown in FIG. 8, ferrite having a large amount of Ni could not be decomposed after 5 minutes, and when Ni composition is 0.5 or less, relatively good CO 2 decomposition efficiency can be obtained. These results are consistent with those obtained in open systems.

도 9는 실시예 2에서 공침법으로 제조한 페라이트를 사용하였을 때의 시간에 따른 CO2분압 변화를 보여준다. 수열합성법으로 제조한 페라이트와 같이 초기에 반응이 빠르게 일어나는 것을 알 수 있고, Ni의 조성이 0.5 이하일 때 CO2분압 변화가 더 컸다. 하지만 공침법으로 제조한 페라이트는 수열합성법으로 제조한 페라이트에 비해 CO2분압 변화가 전체적으로 적었다. 이는 열린 시스템에서 얻은 결과와 같이 수열합성법으로 제조한 페라이트가 더 우수한 CO2분해 효율을 얻을 수 있다는 것을 보여주는 것이다. 이상의 결과로 보아 입자의 크기가 작고 비표면적이 큰 수열합성법으로 합성한 분말이 더 오랜 시간동안 CO2분해를 지속하였다.Figure 9 shows the CO 2 partial pressure change with time when using the ferrite prepared by the coprecipitation method in Example 2. It can be seen that the reaction occurs at an early stage as in the ferrite prepared by hydrothermal synthesis, and the change in the partial pressure of CO 2 was larger when the composition of Ni was 0.5 or less. However, the ferrite prepared by the coprecipitation method showed a smaller overall CO 2 partial pressure change than the ferrite prepared by the hydrothermal synthesis method. This shows that ferrites prepared by hydrothermal synthesis can achieve better CO 2 decomposition efficiency, as shown in open systems. As a result, the powder synthesized by hydrothermal synthesis with small particle size and large specific surface area continued CO 2 decomposition for a longer time.

Pt, Pd를 첨가한 3원계 페라이트 초미세 분말의 COCO of ternary ferrite ultrafine powder with Pt and Pd added 22 분해 특성 평가Degradation Characteristic Evaluation

실시예 1에서 수열합성법으로 합성한 Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ분말에 Pt와 Pd를 소량 첨가한 페라이트 분말(실시예 3)을 닫힌 시스템 반응기에 넣고, 300℃에서 상기와 동일한 방법으로 시간에 따른 CO2분압변화를 측정하였다. 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에서 볼 수 있듯이, Pt 또는 Pd를 첨가한 3원계 페라이트((b) 및 (c))는 Pt 또는 Pd를 첨가하지 않은 3원계 페라이트(a)에 비해 시간이 지남에 따라 CO2분압이 많이 감소하였고, 오랜 시간동안 분해가 일어났다. 이것은 페라이트의 CO2분해 기구가 산화·환원 반응으로서, 귀금속인 Pt 또는 Pd가 산화·환원 반응을 향상시킬 수 있다는 것을 말해준다. 즉, 환원반응에서 H2의 2Hads로의 분리 흡착은 Pd와 Pt 금속의 표면에서 발생하고, 흡착된 Hads는 페라이트 상으로 매우 쉽게 이동할 수 있고, 페라이트의 산소와 빠르게 반응하여 H2O를 형성한다. 한편, Pd를 첨가한 페라이트(c)가 Pt을 첨가한 페라이트(b)보다 시간에 따른 CO2분압 변화가 더 큰것을 알 수 있다. 즉, CO2분해 효율은 같은 조성의 3원계 페라이트에 첨가되는 귀금속의 종류에 따라서도 변화하며, 본 실험에서는 Pd를 첨가한 페라이트가 우수하였다.The ferrite powder (Example 3) in which Pt and Pd were added in a small amount to Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ powder synthesized by the hydrothermal synthesis method in Example 1 was placed in a closed system reactor and the same method as described above at 300 ° C. CO 2 partial pressure change over time was measured. The results are shown in FIG. As can be seen in Figure 10, the ternary ferrite ((b) and (c)) with the addition of Pt or Pd has a CO 2 partial pressure over time compared to the ternary ferrite (a) without the addition of Pt or Pd Much decreased and decomposition occurred for a long time. This indicates that the CO 2 decomposition mechanism of the ferrite is an oxidation / reduction reaction, and Pt or Pd, which is a noble metal, can improve the oxidation / reduction reaction. In other words, the separation adsorption of H 2 to 2H ads in the reduction reaction occurs on the surface of the Pd and Pt metals, and the adsorbed H ads can move very easily to the ferrite phase, and react quickly with oxygen of the ferrite to form H 2 O. do. On the other hand, it can be seen that the ferrite (c) added with Pd has a larger change in the partial pressure of CO 2 over time than the ferrite (b) added with Pt. In other words, the CO 2 decomposition efficiency varies depending on the kind of the noble metal added to the ternary ferrite of the same composition. In this experiment, the ferrite added with Pd was excellent.

도 11은 공침법으로 제조한 Ni0.5Zn0.5Fe2O4-δ분말에 Pt와 Pd를 첨가하여 얻은 분말을 이용하여 닫힌 시스템에서 촉매 반응을 통해 얻은 그래프이다. 수열합성법으로 제조한 페라이트와 같이 두 가지의 귀금속을 첨가함으로써 CO2분해 효율을 향상시킬 수 있었으며, Pd 첨가에 의한 촉매 효과가 더 우수한 것을 확인할 수 있었다.FIG. 11 is a graph obtained through a catalytic reaction in a closed system using a powder obtained by adding Pt and Pd to a Ni 0.5 Zn 0.5 Fe 2 O 4-δ powder prepared by coprecipitation. CO 2 decomposition efficiency could be improved by adding two noble metals such as ferrite prepared by hydrothermal synthesis, and it was confirmed that the catalytic effect by Pd addition was better.

이상과 같이, 수열합성법과 공침법 등의 습식 합성법에 의해 CO2분해 특성을 지닌 초미세 3원계 페라이트(NixZn1-xFe2O4)를 합성하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.As described above, ultrafine ternary ferrite (Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 ) having CO 2 decomposition characteristics was synthesized by wet synthesis methods such as hydrothermal synthesis and coprecipitation, and the following conclusions were obtained.

(1) 수열합성법과 공침법으로 합성하여 300℃의 수소 분위기에서 3시간동안 환원반응을 통해 얻은 NixZn1-xFe2O4-δ의 CO2분해 시간은 약 10분 정도까지 유지되었고, 2원계 페라이트, NiFe2O4보다 CO2분해율이 더 우수한 것으로 나타났다. 또한 수열합성법으로 합성한 3원계 페라이트가 공침법으로 제조한 페라이트에 비해 CO2분해 효과가 더 컸다.(1) The CO 2 decomposition time of Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ synthesized by hydrothermal synthesis and coprecipitation through reduction reaction for 3 hours in hydrogen atmosphere at 300 ° C was maintained for about 10 minutes. CO 2 decomposition rate was higher than that of binary ferrite and NiFe 2 O 4 . Also, the ternary ferrite synthesized by hydrothermal synthesis method was more effective in CO 2 decomposition than the ferrite prepared by coprecipitation method.

(2) PtCl4, PdCl3용액을 적정시킨 후, NixZn1-xFe2O4-δ페라이트에 혼합시킴으로써 귀금속인 Pt, Pd를 미량[수 중량%] 첨가시킬 수 있었으며, Pt와 Pd가 첨가된 NixZn1-xFe2O4-δ의 CO2분해 효율이 첨가되지 않은 동일 페라이트보다 더 우수하였다.(2) After titration of the PtCl 4 and PdCl 3 solutions, a small amount (a few percent by weight) of precious metals Pt and Pd could be added by mixing with Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ ferrite. Pt and Pd The CO 2 decomposition efficiency of the added Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ was better than the same ferrite without addition.

결론적으로, 본 발명을 통하여 얻은 3원계 페라이트 초미세 촉매 물질은 CO2분해율이 기존의 촉매들보다 상당히 높은 우수한 특성 때문에, CO2가스가 다량으로 배출되는 각종 화력발전소, 제철소, 시멘트공장, 지역 난방용 열병합발전소 등에서 배출되는 CO2가스를 저감시킬 수 있는 CO2분해 시스템의 촉매재료로서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.In conclusion, the ternary ferrite ultrafine catalyst material obtained through the present invention has excellent CO 2 decomposition rate than the existing catalysts, so that CO 2 gas is emitted in various thermal power plants, steel mills, cement plants, and district heating. It is expected that it can be usefully used as a catalyst material for CO 2 decomposition systems that can reduce CO 2 gas emitted from cogeneration plants.

Claims (7)

화학식 NixZn1-xFe2O4-δ[x=0.1∼0.9, δ는 산소결핍정도]로 표시되는, 이산화탄소 분해용 초미세 3원계 페라이트 촉매.An ultrafine ternary ferrite catalyst for decomposing carbon dioxide, represented by the formula Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4-δ [x = 0.1 to 0.9, where δ is an oxygen deficiency degree]. 제1항의 초미세 3원계 페라이트에 Pt 또는 Pd를 0.5∼2.5중량% 첨가시켜 이루어진, 이산화탄소 분해용 초미세 3원계 페라이트 촉매.An ultrafine ternary ferrite catalyst for decomposing carbon dioxide, wherein 0.5 to 2.5% by weight of Pt or Pd is added to the ultrafine ternary ferrite of claim 1. 출발원료로서 x mol(x= 0.1∼0.9)의 Ni 염, (1-x) mol의 Zn 염, 및 2 mol의 Fe 염을 사용하여 수열합성법으로 NixZn1-xFe2O4[x=0.1∼0.9]의 3원계 페라이트 초미세 분말을 제조한 후, 수소분위기에서 환원시키는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 이산화탄소 분해용 초미세 3원계 페라이트 촉매의 제조방법.Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 [x by hydrothermal synthesis using x mol (x = 0.1 to 0.9) Ni salt, (1-x) mol Zn salt, and 2 mol Fe salt as starting materials [x 0.1 to 0.9], wherein the ultrafine ternary ferrite catalyst for decomposing carbon dioxide according to claim 1, wherein the ultrafine ternary ferrite powder is reduced in a hydrogen atmosphere. 출발원료로서 x mol(x= 0.1∼0.9)의 Ni 염, (1-x) mol의 Zn 염, 및 2 mol의 Fe 염을 사용하여 공침법으로 NixZn1-xFe2O4[x=0.1∼0.9]의 3원계 페라이트 초미세 분말을 제조한 후, 수소분위기에서 환원시키는 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 이산화탄소 분해용 초미세 3원계 페라이트 촉매의 제조방법.Ni x Zn 1-x Fe 2 O 4 [x by coprecipitation using Ni mol of x mol (x = 0.1 to 0.9), Zn salt of (1-x) mol, and 2 mol of Fe salt as starting materials. 0.1 to 0.9], wherein the ultrafine ternary ferrite catalyst for decomposing carbon dioxide according to claim 1, wherein the ultrafine ternary ferrite powder is reduced in a hydrogen atmosphere. 출발원료로서 x mol(x= 0.1∼0.9)의 Ni 염, (1-x) mol의 Zn 염, 및 2 mol의Fe 염을 사용하여 수열합성법 또는 공침법으로 NixZn1-xFe2O4[x=0.1∼0.9]의 3원계 페라이트 초미세 분말을 제조한 후, 수소분위기에서 환원시킨 다음, 전하적정법으로 Pt 또는 Pd를 0.5∼2.5중량% 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 제2항에 따른 이산화탄소 분해용 초미세 3원계 페라이트 촉매의 제조방법.Ni x Zn 1-x Fe 2 O by hydrothermal synthesis or coprecipitation using Ni mol of x mol (x = 0.1 to 0.9), Zn salt of (1-x) mol, and 2 mol of Fe salt as starting materials. 4 [x = 0.1 to 0.9] ternary ferrite ultrafine powder is prepared, reduced in a hydrogen atmosphere, and then prepared by adding 0.5 to 2.5% by weight of Pt or Pd by a charge titration method. Method for producing ultrafine ternary ferrite catalyst for carbon dioxide decomposition. 제3항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서, Ni 염은 Ni(NO3)2·6H2O 이고, Zn 염은 Zn(NO3)2·6H2O 이며, Fe 염은 Fe(NO3)3·9H2O 인 것을 특징으로 하는 방법.The Ni salt of claim 3, wherein the Ni salt is Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, the Zn salt is Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O, and the Fe salt is Fe (NO 3 ). 3 · 9H 2 O, characterized in that the method. 제3항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서, Ni 염은 NiSO4·6H2O 이고, Zn 염은 ZnSO4·7H2O 이며, Fe 염은 FeSO4·7H2O 인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to any one of claims 3 to 5, wherein the Ni salt is NiSO 4 .6H 2 O, the Zn salt is ZnSO 4 .7H 2 O, and the Fe salt is FeSO 4 .7H 2 O.
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