KR20110101862A - Heteropolyacid catalyst immobilized on carbon aerogel support, preparation method thereof and production method of acetone by oxidation of isopropanol using said catalyst - Google Patents

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KR20110101862A KR1020100021178A KR20100021178A KR20110101862A KR 20110101862 A KR20110101862 A KR 20110101862A KR 1020100021178 A KR1020100021178 A KR 1020100021178A KR 20100021178 A KR20100021178 A KR 20100021178A KR 20110101862 A KR20110101862 A KR 20110101862A
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박동률
방용주
최정호
이윤재
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 이소프로판올의 산화반응에 의한 아세톤 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면에 아민기(-NR1R2R3 +, 상기 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬기)를 부착한 카본 에어로젤에 음이온성의 헤테로폴리산을 무게비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합시킨 것을 특징으로 하는 카본 에어로젤 담체에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 이소프로판올의 산화반응에 의한 아세톤 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 표면적이 넓은 다공성의 카본 에어로젤을 화학적 방법으로 처리하여 탄소의 표면에 양이온성 관능기를 도입한 후 여기에 음이온 특성을 지닌 헤테로폴리산을 반응시켜 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매를 제공하며, 상기 촉매를 이용하여 이소프로판올의 산화에 의한 아세톤 제조를 수행하는 경우 산 촉매 특성이 억제되고 산화 촉매 특성이 활성화되어 촉매 반응 시 높은 이소프로판올 전환율과 높은 아세톤 선택도를 나타내었다.The present invention relates to a heteropolyacid-supported catalyst immobilized on a carbon aerogel, a method for preparing the same, and a method for preparing acetone by oxidation of isopropanol using the catalyst, and more particularly, to an amine group (-NR 1 R 2 R 3 + , R 1 , R 2, and R 3 are each independently hydrogen or C 1 to C 20 alkyl group) carbon aerogels, characterized in that the anionic heteropoly acid reacted in a weight ratio of 1: 0.01 to 2 by weight and ion-bonded The present invention relates to a heteropolyacid-supported catalyst chemically immobilized on an airgel carrier, a method for preparing the same, and a method for preparing acetone by oxidation of isopropanol using the catalyst. Introducing a cationic functional group to the surface and reacting the heteropoly acid having an anion characteristic thereto to provide a chemically immobilized heteropoly acid-supported catalyst, the acid catalyst properties when the acetone production by oxidation of isopropanol is performed using the catalyst Suppressed and the oxidation catalyst properties are activated At every reaction it exhibited a high conversion ratio of isopropanol and acetone, high selectivity.

Description

카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 이소프로판올의 산화반응에 의한 아세톤 제조방법{HETEROPOLYACID CATALYST IMMOBILIZED ON CARBON AEROGEL SUPPORT, PREPARATION METHOD THEREOF AND PRODUCTION METHOD OF ACETONE BY OXIDATION OF ISOPROPANOL USING SAID CATALYST} Heteropoly acid-supported catalyst immobilized on a carbon aerogel, a method for preparing the same and a method for producing acetone by oxidation of isopropanol using the catalyst }

본 발명은 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 이소프로판올의 산화반응에 의한 아세톤 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면에 아민기(-NR1R2R3 +, 상기 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬기)를 부착한 카본 에어로젤에 음이온성의 헤테로폴리산을 무게비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합시킨 것을 특징으로 하는 카본 에어로젤 담체에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 이소프로판올의 산화반응에 의한 아세톤 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heteropolyacid-supported catalyst immobilized on a carbon aerogel, a method for preparing the same, and a method for preparing acetone by oxidation of isopropanol using the catalyst, and more particularly, to an amine group (-NR 1 R 2 R 3 + , R 1 , R 2, and R 3 are each independently hydrogen or C 1 to C 20 alkyl group) carbon aerogels, characterized in that the anionic heteropoly acid reacted in a weight ratio of 1: 0.01 to 2 by weight and ion-bonded The present invention relates to a heteropolyacid supported catalyst chemically immobilized on an airgel carrier, a method for preparing the same, and a method for producing acetone by oxidation of isopropanol using the catalyst.

헤테로폴리산 촉매는 산 및 산화반응 특성을 동시에 지니고 있는 이원기능 촉매(bifunctional catalyst)로서, 물, 알코올, 에테르와 같은 산소를 포함하는 극성 용매에 잘 용해된다는 특징을 지닌다. 헤테로폴리산은 산 촉매로 작용할 때 브뢴스테드 산(Brㆆnsted acid)으로 작용하며, 헤테로폴리산이 지니는 강한 산 특성(acid property)은 질산이나 황산이 지닌 산점과 구별되며 일반적인 실리카와 알루미나보다 강한 산점을 갖는다. 일반적으로 헤테로폴리산은 촉매를 구성하고 있는 여러 가지의 조성물들을 상호 치환하여 다양한 조합의 화합물로 제조가 가능하며, 이를 통해 촉매가 보이는 고유의 촉매 특성을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 산 및 산화반응 특성을 동시에 지니는 헤테로폴리산 촉매는 기상 및 액상에서의 불균일 반응(heterogeneous reaction)에 활용될 뿐 아니라, 액상에서 균일 반응(homogeneous reaction)을 통한 정밀화학 반응에도 이용되고 있다.Heteropolyacid catalysts are bifunctional catalysts having both acid and oxidation characteristics, and are well soluble in polar solvents containing oxygen such as water, alcohols and ethers. Heteropoly acids act as Br ㆆ nsted acid when acting as an acid catalyst, and the strong acid properties of heteropolyacids are distinguished from those of nitric acid or sulfuric acid and have a stronger acid point than ordinary silica and alumina. . In general, heteropolyacids can be prepared with various combinations of compounds by mutually displacing the various compositions constituting the catalyst, and through this, there is an advantage of controlling the intrinsic catalyst properties of the catalyst. Heteropolyacid catalysts having both acid and oxidation properties are used not only for heterogeneous reactions in gas and liquid phases, but also for fine chemical reactions through homogeneous reactions in liquid phases.

벌크 형태의 헤테로폴리산 촉매는 비표면적이 매우 작기 때문에(10 m2/g 이하), 작은 비표면적을 극복하고 촉매의 활성을 극대화하기 위하여 다양한 무기물(알루미나, 실리카, 티타니아), 전도성 고분자의 골격구조(폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리 4-비닐-피리딘) 및 탄소 등에 담지 되어 기상 반응 및 액상 반응에 활용되고 있다. 이러한 헤테로폴리산 담지 촉매 제조의 시도들은 담지를 통해 헤테로폴리산 촉매의 활성 면적을 높임으로써 실제 반응에서 헤테로폴리산 촉매 사용 단가를 낮추고, 오랜 촉매 반응 시간에 따른 촉매 비활성화(deactivation)를 줄이기 위한 방법의 일환으로 이루어져 왔다.Since the bulk heteropolyacid catalyst has a very small specific surface area (less than 10 m 2 / g), in order to overcome the small specific surface area and maximize the activity of the catalyst, various inorganic materials (alumina, silica, titania), the skeleton of the conductive polymer ( It is supported on polyaniline, polypyrrole, poly 4-vinyl-pyridine) and carbon, and is used for gas phase reaction and liquid phase reaction. Attempts to prepare such heteropolyacid-supported catalysts have been made as part of a method for lowering the cost of using a heteropolyacid catalyst in actual reactions by increasing the active area of the heteropolyacid catalyst, and reducing catalyst deactivation due to a long catalyst reaction time.

헤테로폴리산 담지 촉매를 제조하여 촉매 반응에 활용한 예는 논문과 특허를 통하여 다양하게 보고 되고 있다. 헤테로폴리산을 실리카 물질들에 담지 하여 촉매반응에 활용한 사례들[B. Qiu, X. Yi, L. Lin, W. Fang, H. Wan, Catal. Today, 131권, 464쪽 (2008)/ C.S. Caetano, I.M. Fonseca, A.M. Ramos, J. Vital, J.E. Castanheiro, Catal. Commun., 9권, 1996쪽 (2008)/ A. Lapkin, A. Bozkaya, T. Mays, L. Borello, K. Edler, B. Crittenden, Catal. Today, 81권, 611쪽 (2003)/ P.M. Rao, A. Wolfson, S. Kabaya, S. Vega, M.V. Landau, J. Catal., 232권, 210쪽 (2005)]은 다양한 실리카 물질들을 이용하여 헤테로폴리산을 실리카의 표면에 함침법(impregnation)으로 분산시켜 담지하거나, 촉매 담체 제조 시에 헤테로폴리산을 함께 첨가하여 공중합함으로써 실리카 골격에 헤테로폴리산을 담지하는 방법을 사용하였다. 또한 전도성 고분자 담체에 양이온성 기능기를 도입하여 헤테로폴리산을 화학적으로 고정화하는 방법[송인규, 김희수, 정지철, 대한민국 특허 제 801,443호 (2008)/ H. Kim, J.C. Jung, D.R. Park, S.-H. Baeck, I.K. Song, Appl. Catal. A., 320권, 159쪽 (2007)/ H. Kim, J.C. Jung, D.R. Park, H. Lee, J. Lee, S.H. Lee, S.-H. Baeck, K.-Y. Lee, J. Yi, I.K. Song, Catal. Today, 132권, 58쪽 (2008)]도 보고되었다. 이외에도 헤테로폴리산의 담지를 위해 고분자 필름을 헤테로폴리산 촉매의 담체로 활용하는 방법[이화영, 송인규, 이종국, 대한민국 특허 제 186,707호 (1998)]이 시도되었으며, 카본-겔 형태의 담체에 헤테로폴리산을 담지 시키는 방법[S.R. Mukai, T. Sugiyama, H. Tamon, Appl. Catal. A., 256권, 99쪽 (2003)] 등이 보고되었다.Examples of preparing a heteropolyacid-supported catalyst and using it for catalytic reactions have been reported variously through papers and patents. Examples of Heteropoly Acids Supported on Catalytic Reactions Supported by Silica Materials [B. Qiu, X. Yi, L. Lin, W. Fang, H. Wan, Catal. Today, Vol. 131, p. 464 (2008) / C.S. Caetano, I.M. Fonseca, A.M. Ramos, J. Vital, J.E. Castanheiro, Catal. Commun., Vol. 9, p. 1996 (2008) / A. Lapkin, A. Bozkaya, T. Mays, L. Borello, K. Edler, B. Crittenden, Catal. Today, Vol. 81, p. 611 (2003) / P.M. Rao, A. Wolfson, S. Kabaya, S. Vega, M.V. Landau, J. Catal., Vol. 232, pp. 210 (2005)] impregnated heteropolyacids on the surface of silica by impregnation using various silica materials, or by adding heteropolyacids together when preparing a catalyst carrier. The method of supporting heteropoly acid on the silica skeleton by copolymerization was used. In addition, a method of chemically immobilizing a heteropoly acid by introducing a cationic functional group to a conductive polymer carrier [Song In-gyu, Kim Hee-su, Jung Cheol, Korean Patent No. 801,443 (2008) / H. Kim, J.C. Jung, D. R. Park, S.-H. Baeck, I.K. Song, Appl. Catal. A., vol. 320, p. 159 (2007) / H. Kim, J.C. Jung, D. R. Park, H. Lee, J. Lee, S.H. Lee, S.-H. Baeck, K.-Y. Lee, J. Yi, I.K. Song, Catal. Today, Vol. 132, 58 (2008)]. In addition, a method of using a polymer film as a carrier of a heteropolyacid catalyst for supporting heteropoly acid [Lee Hwa Young, Song In Kyu, Jong Kuk Lee, Korean Patent No. 186,707 (1998)] has been attempted, and a method of supporting heteropoly acid on a carbon-gel type carrier [ SR Mukai, T. Sugiyama, H. Tamon, Appl. Catal. A., 256, 99 (2003)].

카본 에어로젤은 나노 기공구조 특성을 갖는 초다공성 물질로서, 우수한 전기화학적 특성 및 높은 비표면적으로 여러 분야에서 활용되고 있다. 본 명세서에서 '카본 에어로젤'은 연속적인 단일구조체(monolith) 형태의 3차원 네트워크 구조로서, 2-100nm 사이의 중형기공과 400-1200 m2/g 범위의 비표면적을 갖는 탄소 구조체를 의미한다. 카본 에어로젤은 2-5 nm 크기의 구형 입자가 3차원 네크워크를 형성하면서 만들어지는 100 nm 이하의 기공 내부에 공기층이 들어 있어 일반 탄소 물질보다 낮은 밀도의 물성을 갖는다는 특징을 보인다. 일반적인 중형기공 탄소와는 달리 이러한 독특한 구조적 특성 때문에 연속적인 단일구조체(monolith) 뿐만 아니라 구슬(beads), 분말(powder) 또는 박막(thin film) 등의 다양한 형태로도 제조할 수 있어 촉매 분야에서 담체로서의 응용을 포함하는 광범위한 활용이 가능하다. 또한 일반적인 탄소에서 볼 수 있는 높은 전기 전도성을 지니며, 산-알칼리 반응에서도 구조가 안정할 뿐 아니라 높은 온도에서도 열적으로 안정한 것으로 알려져 있다. 이러한 높은 전기 전도성과 표면적을 활용할 경우 카본 에어로젤은 전기화학 반응에서의 전극 물질이나 연료전지의 촉매 담체로 활용할 수 있으며, 화학적으로 매우 안정하기 때문에 구조 변형이 적어 중금속이 포함된 수질이나 독성이 강한 유기물, 염색공정에서 발생하는 폐염료를 제거하는 흡착제로도 활용이 가능하다.Carbon airgel is a super porous material having nano-porous structure properties, and has been used in various fields due to its excellent electrochemical properties and high specific surface area. As used herein, 'carbon aerogel' refers to a carbon structure having a continuous monolithic three-dimensional network structure, a medium pore between 2-100 nm and a specific surface area in the range of 400-1200 m 2 / g. Carbon aerogels are characterized by having a lower density of physical properties than ordinary carbon materials because the air layer is contained inside the pores of 100 nm or less, where spherical particles of 2-5 nm size form a three-dimensional network. Unlike ordinary medium-sized pore carbons, these unique structural properties make it possible to prepare them in various forms such as beads, powders or thin films as well as continuous monoliths. A wide range of applications is possible, including applications as. In addition, it has high electrical conductivity found in general carbon, and it is known that not only the structure is stable in acid-alkali reaction but also thermally stable at high temperature. By utilizing such high electrical conductivity and surface area, carbon aerogels can be used as an electrode material in electrochemical reactions or as a catalyst carrier for fuel cells, and because they are very chemically stable, they are less structurally modified and contain heavy metals or highly toxic organic substances. It can also be used as an adsorbent to remove waste dyes from dyeing processes.

한편 이소프로판올로부터 아세톤를 제조하는 방법은 이소프로판올의 산화 촉매 반응을 통해 이루어지는데, 종래의 헤테로폴리산 촉매는 비표면적이 매우 작아 촉매의 활성이 극대화 되지 못하고, 산 및 산화환원 특성을 동시에 갖기 때문에 양쪽성의 촉매 반응 특성을 갖게 되어 촉매 반응 시 산 촉매 반응과 산화 촉매 반응이 모두 일어나 원치 않는 부반응으로 인한 수율의 저하와 선택도가 떨어지는 문제점이 생긴다. 따라서 이소프로판올의 산화에 의한 아세톤 제조 반응에서 헤테로폴리산 촉매가 효율적으로 작용하기 위해서는 헤테로폴리산이 넓게 분산되고, 촉매의 산 특성을 억제함과 동시에 상대적으로 산화 반응 특성을 우수하게 할 수 있는 담지 촉매를 제조하는 것이 필수적이다.On the other hand, the method for preparing acetone from isopropanol is carried out through an oxidation catalytic reaction of isopropanol. The conventional heteropolyacid catalyst has a very small specific surface area, which does not maximize the activity of the catalyst, and has both an acid and a redox characteristic, thus catalyzing catalytic reaction characteristics. In the catalytic reaction, both an acid catalyzed reaction and an oxidation catalyzed reaction occur, resulting in a decrease in yield and selectivity due to unwanted side reactions. Therefore, in order for the heteropolyacid catalyst to work efficiently in the acetone production reaction by the oxidation of isopropanol, it is necessary to prepare a supported catalyst capable of dispersing the heteropolyacid widely and suppressing the acid property of the catalyst and at the same time improving the oxidation reaction property. It is essential.

그러나 전술한 문헌에 개시된 것을 포함한 종래에 보고 되어진 헤테로폴리산 의 담지 촉매의 제조는 담지 과정에 있어서 헤테로폴리산이 지니는 강한 산 특성을 조절하지 못하고 유지하게 됨으로써 산 및 산화환원 특성을 모두 갖는 양쪽성 촉매 특성을 갖게 되어, 산화 촉매 반응에 활용하는 경우 원하지 않는 산 촉매 반응이 부반응으로 발생하게 되고 이로 인한 부산물의 생성으로 인해 원하는 생성물의 수율 저하와 선택성이 떨어지는 문제점이 존재한다.However, the preparation of supported catalysts of heteropolyacids reported in the related art, including those disclosed in the above-mentioned documents, does not control the strong acid properties of heteropolyacids in the supporting process, thereby maintaining amphoteric catalyst properties having both acid and redox characteristics. Therefore, when used in the oxidation catalytic reaction, an unwanted acid catalyzed reaction is generated as a side reaction, and there is a problem in that the yield of the desired product is lowered and the selectivity is deteriorated due to the generation of by-products.

따라서 본 발명의 기술적 과제는 벌크형 헤테로폴리산 촉매가 지니는 낮은 표면적을 해결하기 위해 분산도가 우수하며 헤테로폴리산과 담체와의 결합이 화학적 결합으로 이루어져 안정성이 높고 산 촉매 특성을 억제하면서 산화 촉매 활성에 대한 선택성이 높은 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem of the present invention is excellent dispersion degree to solve the low surface area of the bulk heteropolyacid catalyst, the combination of the heteropoly acid and the carrier is composed of chemical bonds, high stability and selectivity for the oxidation catalyst activity while suppressing the acid catalyst properties The present invention provides a heteropolyacid supported catalyst immobilized on a high carbon airgel and a method of preparing the same.

본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 헤테로폴리산 담지 촉매를 이용하여 이소프로판올의 산화 반응에 있어서 헤테로폴리산 촉매가 지니는 산 촉매 반응 특성을 억제하고 산화 촉매 반응 특성을 촉진함으로써 이소프로판올의 전환율을 높이고 동시에 아세톤의 생산을 향상하는 것이다.Another technical problem of the present invention is to increase the conversion rate of isopropanol and at the same time improve the production of acetone by inhibiting the acid catalytic reaction characteristics of the heteropolyacid catalyst and promoting the oxidation catalytic reaction characteristic in the oxidation reaction of the isopropanol using the heteropolyacid supported catalyst. will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 표면에 아민기(-NR1R2R3 +, 상기 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬기)를 부착한 카본 에어로젤에 음이온성의 헤테로폴리산을 무게비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합시킨 것을 특징으로 하는 카본 에어로젤 담체에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides an amine group (-NR 1 R 2 R 3 + , R 1 , R 2, and R 3 are each independently hydrogen or C 1 to C 20 alkyl group) carbon aerogels, characterized in that the anionic heteropoly acid reacted in a weight ratio of 1: 0.01 to 2 by weight and ion-bonded Provided is a heteropolyacid supported catalyst chemically immobilized on an airgel carrier.

또한, 본 발명은 상기 헤테로폴리산이 케긴(Keggin) 형태 또는 웰스-다우슨 (Wells-Dawsons) 형태의 헤테로폴리산인 12-몰리브도인산(H3PMo12O40), 12-텅스토인산(H3PW12O40), 12-텅스토실리콘산(H4SiW12O40), 12-몰리브도텅스토인산(H3PMo12 - xWxO40, x=0-12), 12-몰리브도바나도인산(H3 + xPMo12 - xVxO40, x=0-12), 12-텅스토바나도인산(H3 + xPW12 - xVxO40, x=0-12), 18-몰리브도인산(H6P2Mo18O62), 18-텅스토인산(H6P2W18O62), 18-몰리브도텅스토인산(H6P2Mo18 - xWxO62, x=0-18), 18-몰리브도바나도인산(H6 + xP2Mo18 -xVxO62, x=0-18), 18-텅스토바나도인산(H6 + xP2W18 - xVxO62, x=0-18), 18-텅스토니오비움인산(H6 + xP2W18 - xNbxO62, x=0-18) 등으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 카본 에어로젤 담체에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매를 제공한다.In addition, the present invention, the heteropoly acid is a heteropoly acid of the Keggin form or Wells-Dawsons form 12-molybdate phosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ), 12- tungstoic acid (H 3 PW 12 O 40 ), 12- tungstosilonic acid (H 4 SiW 12 O 40 ), 12-molybdo tungstophosphoric acid (H 3 PMo 12 - x W x O 40 , x = 0-12), 12- Molybdobanadophosphoric acid (H 3 + x PMo 12 - x V x O 40 , x = 0-12), 12 - tungstobanadophosphoric acid (H 3 + x PW 12 - x V x O 40 , x = 0-12), 18-molybdate phosphoric acid (H 6 P 2 Mo 18 O 62 ), 18- tungstophosphoric acid (H 6 P 2 W 18 O 62 ), 18-molybdo tungstophosphoric acid (H 6 P 2 Mo 18 - x W x O 62 , x = 0-18), 18-molybdobanadophosphate (H 6 + x P 2 Mo 18 -x V x O 62 , x = 0-18), 18- Tungsutobanadophosphate (H 6 + x P 2 W 18 - x V x O 62 , x = 0-18), 18-tungstoniobium phosphate (H 6 + x P 2 W 18 - x Nb x O 62 , x = 0-18), and the like. The heteropolyacid-supported catalyst immobilized on the carbon airgel carrier, characterized in that at least one member selected from the group consisting of Provided.

또한, 본 발명은 ⅰ)카본 에어로젤의 표면에 수소화처리를 하여 탄소를 활성화하는 단계; ⅱ)상기 표면 활성화된 카본 에어로젤에 무수아세트산 존재 하에 황산 및 질산용액과 반응시켜 상기 카본 에어로젤 표면에 니트로기를 부착하는 단계; ⅲ)상기 카본 에어로젤의 표면에 부착된 니트로기를 환원시켜 아민화하는 단계 및, ⅳ)상기 카본 에어로젤 표면에 형성된 아민과 헤테로폴리산을 무게비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합시키는 단계를 포함하는 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of iii) activating carbon by hydrogenating the surface of the carbon airgel; Ii) reacting the surface activated carbon airgel with sulfuric acid and nitric acid solution in the presence of acetic anhydride to attach nitro groups to the surface of the carbon airgel; Iii) reducing the nitro group attached to the surface of the carbon airgel to amine it, and iii) reacting the amine and heteropolyacid formed on the surface of the carbon airgel in a weight ratio of 1: 0.01 to 2 for ion bonding. Provided is a method for preparing a heteropolyacid supported catalyst immobilized on a carbon airgel.

또한, 본 발명은 상기 카본 에어로젤 담체에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매 존재하에 이소프로판올을 산화시키는 것을 특징으로 하는 이소프로판올의 산화반응에 의한 아세톤 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing acetone by oxidation of isopropanol in the presence of a heteropolyacid supported catalyst chemically immobilized on the carbon airgel carrier.

본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 촉매는 표면적이 넓은 다공성의 카본 에어로젤을 화학적 방법으로 처리하여 탄소의 표면에 양이온성 관능기를 도입한 후 여기에 음이온 특성을 지닌 헤테로폴리산을 반응시켜 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매를 제공하며, 상기 촉매를 이용하여 이소프로판올의 산화에 의한 아세톤 제조를 수행하는 경우 산 촉매 특성이 억제되고 산화 촉매 특성이 활성화되어 촉매 반응 시 높은 이소프로판올 전환율과 높은 아세톤 선택도를 나타내었다.The heteropolyacid catalyst immobilized on the carbon airgel of the present invention treats the porous carbon airgel having a large surface area by chemical method to introduce a cationic functional group on the surface of the carbon, and then reacts the heteropolyacid having an anionic property thereto to react the chemically immobilized heteropolyacid. When the acetone production by oxidation of isopropanol was performed using the catalyst, the supported catalyst was suppressed from the acid catalyst property and the oxidation catalyst property was activated, indicating high isopropanol conversion and high acetone selectivity during the catalytic reaction.

도 1은 본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매의 제조과정을 도식화한 이해도.
도 2는 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산(12-몰리브도인산) 담지 촉매의 기공 구조 및 기공 특성을 분석하기 위한 질소 흡-탈착 실험 결과.
도 3은 카본 에어로젤 담체 입자와 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산(12-몰리브도인산) 담지 촉매의 전계방출 주사 전자현미경 이미지.
도 4는 본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산(12-몰리브도인산) 담지 촉매 및 담체인 카본 에어로젤 및 비담지 헤테로폴리산(12-몰리브도인산) 촉매 등의 X선 회절 스펙트럼.
1 is a diagram illustrating the preparation of a heteropoly acid-supported catalyst immobilized on a carbon airgel of the present invention.
Figure 2 is a result of nitrogen adsorption-desorption experiment for analyzing the pore structure and pore characteristics of the heteropoly acid (12- molybdo phosphoric acid) supported catalyst immobilized on the carbon airgel.
FIG. 3 is a field emission scanning electron microscope image of a carbon airgel carrier particle and a heteropolyacid (12-molybdate phosphoric acid) supported catalyst immobilized on a carbon airgel. FIG.
4 is an X-ray diffraction spectrum of a heteropolyacid (12-molybdate phosphoric acid) supported catalyst immobilized on a carbon aerogel of the present invention and a carbon aerogel and an unsupported heteropolyacid (12-molybdate phosphoric acid) catalyst which are carriers.

이하에서 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 표면에 아민기(-NR1R2R3 +, 상기 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬기)를 부착한 카본 에어로젤에 음이온성의 헤테로폴리산을 무게비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합시킨 것을 특징으로 하는 카본 에어로젤 담체에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매를 제공한다.The present invention provides an amine group (-NR 1 R 2 R 3 + , R 1 , R 2, and R 3 are each independently hydrogen or C 1 to C 20 alkyl group) carbon aerogels, characterized in that the anionic heteropoly acid reacted in a weight ratio of 1: 0.01 to 2 by weight and ion-bonded Provided is a heteropolyacid supported catalyst chemically immobilized on an airgel carrier.

전술한 바와 같이, 공지의 헤테로폴리산 촉매는 벌크상 또는 담지 촉매의 형태로 이용되는 것이 일반적이다. 다만, 일반적인 헤테로폴리산 담지 촉매의 경우 일반 금속산화물에 함침 등의 방법으로 고정되는 것이어서 그 표면적이 크지 않고, 표면적이 큰 담체에 담지하는 경우에도 담체와 촉매의 결합이 물리적 결합에 그치기 때문에 촉매 반응 후 촉매 성분인 헤테로폴리산이 용해(leaching)되어 촉매활성이 급격히 떨어지는 비활성화(deactivation) 문제가 있다. 또한, 물리적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매의 경우 촉매의 산 특성을 조절할 수 없기 때문에 헤테로폴리산 촉매가 보이는 강한 산 특성이 유지되어 산 촉매 반응과 산화 촉매 반응이 동시에 진행되기 때문에 산화 촉매 반응에서 산화 반응의 선택성이 떨어지고 수율이 높지 않은 문제가 있다. 반면 본 발명의 카본 에어로젤에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매는 표면적이 넓고 큰 기공 크기를 갖는 카본 에어로젤의 표면에 양이온성 관능기를 도입하고 음이온성의 헤테로폴리산을 화학적으로 고정화함으로써 헤테로폴리산의 고분산을 유도하며 촉매 반응 후에도 헤테로폴리산 촉매가 담체로부터 용해되는 현상을 억제함으로써 촉매 활성의 저하를 줄이고, 촉매의 특성에서도 산 촉매 활성을 억제하고 동시에 산화 촉매 반응을 보다 활성화시켜 산화 촉매 반응에 대한 선택성이 높아진다는 장점이 있다.As described above, known heteropolyacid catalysts are generally used in the form of bulk or supported catalysts. However, in the case of general heteropoly acid-supported catalyst, since it is fixed by a method such as impregnation with general metal oxide, its surface area is not large, and even when supported on a carrier having a large surface area, the bond between the carrier and the catalyst is only a physical bond. There is a problem of deactivation, in which a heteropoly acid as a component is dissolved (leaching) and thus the catalytic activity drops sharply. In addition, in the case of the physically immobilized heteropolyacid-supported catalyst, since the acid properties of the catalyst cannot be controlled, the strong acid properties of the heteropolyacid catalyst are maintained, so that the acid catalysis and the oxidation catalysis proceed simultaneously, so that the selectivity of the oxidation reaction in the oxidation catalyst reaction There is a problem that falls and the yield is not high. On the other hand, the heteropolyacid-carrying catalyst chemically immobilized on the carbon aerogel of the present invention introduces a cationic functional group on the surface of the carbon airgel having a large surface area and a large pore size, and chemically immobilizes the anionic heteropolyacid to induce high dispersion of the heteropolyacid. By suppressing the dissolution of the heteropolyacid catalyst from the carrier after the reaction, it is possible to reduce the deterioration of the catalytic activity, and also to suppress the acid catalyst activity in the characteristics of the catalyst and at the same time to activate the oxidation catalyst reaction to increase the selectivity for the oxidation catalyst reaction. .

본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매는 카본 에어로젤 표면에 양이온성 관능기를 도입하는 단계 및; 상기 양이온성 관능기가 도입된 카본 에어로젤과 헤테로폴리산을 중량비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합 형태로 고정화하는 단계를 포함하는 제조단계를 거쳐 제조된다. 본 발명의 헤테로폴리산 담지 촉매에 담체로서 적용되는 카본 에어로젤은 레소시놀과 포름알데히드를 반응물로 하여 축합반응에 의하여 제조될 수 있다. 이렇게 생성된 카본 입자는 서로 사슬처럼 연결되어 2 내지 100 nm, 보다 바람직하게는 10 내지 30 nm 범위의 평균기공크기를 가진 중형 기공성 탄소인 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시예에서는 레소시놀과 포름알데히드를 이용하여 에어로젤을 제조하고 이를 열분해하여 카본 에어로젤을 제조하였다. 상기 방법으로 제조되는 카본 에어로젤은 제조 반응시 첨가해 주는 촉매에 의하여 구조적인 변화가 일어 날 수 있는데, 본 발명에서는 레소시놀:촉매의 비를 900 ~ 1100:1로 하여 10 내지 30 nm 범위의 평균기공크기를 갖는 중형 기공성 카본 에어로젤을 제조하였다.The heteropolyacid supported catalyst immobilized on the carbon airgel of the present invention includes the steps of introducing a cationic functional group on the surface of the carbon airgel; The cationic functional group is introduced through a manufacturing step including the step of immobilizing the carbon aerogel and heteropoly acid introduced into the weight ratio in the range of 1: 0.01 to 2 by ionic bond form. Carbon aerogels applied as a carrier to the heteropolyacid supported catalyst of the present invention can be prepared by condensation reaction using resorcinol and formaldehyde as reactants. The carbon particles thus produced are preferably medium pore carbons having a mean pore size in the range of 2 to 100 nm, more preferably 10 to 30 nm. In one embodiment of the present invention, the airgel was prepared using resorcinol and formaldehyde and pyrolyzed to prepare a carbon airgel. The carbon aerogel prepared by the above method may be structurally changed by a catalyst added during the production reaction. In the present invention, the ratio of resorcinol: catalyst is 900 to 1100: 1 and is in the range of 10 to 30 nm. A medium porosity carbon airgel having an average pore size was prepared.

전술한 바와 같이, 상기와 같은 방법으로 제조한 카본 에어로젤은 표면 특성이 소수성을 띄게 되어 일반적인 방법으로 헤테로폴리산을 담지할 경우, 촉매 반응 후 촉매가 담체에서 분리되거나, 촉매의 활성이 급격히 줄어든다는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 여러 단계의 화학적 처리방법을 통해, 기능기의 도입이 어려운 카본 에어로젤 표면에 양이온성 관능기(cationic functional group)를 도입하였으며, 여기에 음이온 특성을 지니는 헤테로폴리산 촉매를 고정화(담지)하였다. 상기 양이온성 관능기의 바람직한 예로는 아민기(-NR1R2R3 +), 피리디늄(pyridinium) 또는 포스포늄(phosphonium) 등이 있으며, 그 가운데 아민기가 가장 바람직하다. 상기 아민기(-NR1R2R3 +)의 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬기일 수 있다. 상기 알킬기가 C20을 초과하게 되면 길어진 사슬 길이로 인해 표면에서의 촉매 반응에 입체적 장애를 초래할 수 있기 때문에, 상기 알킬기는 C1 내지 C20의 범위인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C6의 저급알킬이다.As described above, the carbon aerogels prepared by the method described above have a hydrophobic surface property, and in the case of supporting a heteropoly acid in a general manner, the catalyst is separated from the carrier after the catalytic reaction or the activity of the catalyst is sharply reduced. have. Therefore, in the present invention, a cationic functional group was introduced to the surface of the carbon airgel, which is difficult to introduce functional groups, through various chemical treatment methods, and a heteropolyacid catalyst having anion characteristics was immobilized (supported). Preferred examples of the cationic functional group include an amine group (-NR 1 R 2 R 3 + ), pyridinium or phosphonium, and among them, an amine group is most preferred. Wherein the amine group (-NR 1 R 2 R 3 + ) of the R 1, R 2 and R 3 may be each independently represents a hydrogen or a C1 to C20. The alkyl group is preferably in the range of C1 to C20 because the alkyl group exceeds C20 may cause steric hindrance to the catalytic reaction at the surface due to the longer chain length. More preferably, R 1 , R 2 and R 3 are each independently hydrogen or lower alkyl of C1 to C6.

상기 카본 에어로젤의 표면에 아민기를 도입하는 반응은, ⅰ)카본 에어로젤의 표면에 수소화처리를 하여 탄소를 활성화하는 단계; ⅱ)상기 표면 활성화된 카본 에어로젤을 무수아세트산 존재 하에 황산 및 질산용액과 반응시켜 상기 카본 에어로젤 표면에 니트로(nitro)기를 부착하는 단계 및; ⅲ)상기 카본 에어로젤의 표면에 부착된 니트로기를 환원시켜 아민화하는 단계를 포함할 수 있다. 전술한 탄소 활성화 단계나 니트로기의 부착반응은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 모두 알고 있는 것으로, 본 명세서에서 더 이상의 상세한 설명은 하지 않기로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 소정의 온도에서 수소 기체를 반응시켜 탄소를 활성화시켰고, 니트로기의 부착은 일반적인 탄화수소의 니트로화 반응방법인 질산과 황산의 혼합 용액에 상기 표면 활성화 처리된 카본 에어로젤을 넣고 무수초산 존재 하에 반응시키는 방법으로 수행되었다. 또한 상기 카본 에어로젤의 표면에 부착된 니트로기를 환원시키는 반응은 공지의 환원 방법, 예를 들면 중아황산나트륨의 존재 하에 암모니아와 반응시키거나 환원촉매 존재 하에 수소화시켜 아민화(-NH2)한 후, 필요에 따라 알킬화 등의 단계를 더 거친 후 산을 가하여 암모늄염의 형태로 하여 헤테로폴리산과 반응 시킬 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 표면 활성화한 카본 에어로젤에 니트로기 부착 후 중아황산나트륨의 존재 하에 암모니아와 반응시켜 아민화를 수행하였다.The reaction of introducing an amine group to the surface of the carbon airgel, iii) activating carbon by hydrogenating the surface of the carbon airgel; Ii) reacting the surface activated carbon airgel with sulfuric acid and nitric acid solution in the presence of acetic anhydride to attach nitro groups to the surface of the carbon airgel; And iii) reducing the nitro group attached to the surface of the carbon airgel to amine it. The above-described carbon activation step or nitro group attachment reaction is known to all those skilled in the art to which the present invention pertains, and no further detailed description will be given herein. In a preferred embodiment of the present invention, carbon is activated by reacting hydrogen gas at a predetermined temperature, and nitro group is attached to the surface activated carbon aerogel in a mixed solution of nitric acid and sulfuric acid, which is a nitration reaction of a general hydrocarbon. The reaction was carried out in the presence of acetic anhydride. In addition, the reaction for reducing the nitro group attached to the surface of the carbon airgel is a known reduction method, for example, after reacting with ammonia in the presence of sodium bisulfite or hydrogenating in the presence of a reducing catalyst to amination (-NH 2 ), According to the alkylation step after the further may be added to the acid in the form of an ammonium salt can be reacted with the heteropoly acid. In a preferred embodiment of the present invention, the amination is carried out by reacting with ammonia in the presence of sodium bisulfite after attaching the nitro group to the surface activated carbon airgel.

본 발명은, 여러 단계의 화학적 처리방법을 통해 표면이 아민기를 갖는 카본 에어로젤을 제조한 후, 여기에 헤테로폴리산 촉매를 분자 상태로 고정화시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매에 있어서, 담지되는 헤테로폴리산의 종류에는 특별한 제한을 두지 않으며, 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 바나듐(V), 니오비움(Nb) 등이 배위원소가 되고, 인(P), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 비소(As), 붕소(B), 코발트(Co) 등을 중심원소로 포함하는 케긴(Keggin) 형태의 헤테로폴리산인 12-몰리브도인산(H3PMo12O40), 12-텅스토인산(H3PW12O40), 12-텅스토실리콘산(H4SiW12O40), 12-몰리브도텅스토인산(H3PMo12 - xWxO40, x=0-12), 12-몰리브도바나도인산(H3 + xPMo12 - xVxO40, x=0-12), 12-텅스토바나도인산(H3 + xPW12 - xVxO40, x=0-12) 이외에도, 웰스-다우슨(Wells-Dawsons) 형태의 18-몰리브도인산(H6P2Mo18O62), 18-텅스토인산(H6P2W18O62), 18-몰리브도텅스토인산(H6P2Mo18 -xWxO62, x=0-18), 18-몰리브도바나도인산(H6 + xP2Mo18 - xVxO62, x=0-18), 18-텅스토바나도인산(H6 + xP2W18 - xVxO62, x=0-18), 18-텅스토니오비움인산(H6 + xP2W18 - xNbxO62, x=0-18) 등에서 선택된 1종 혹은 2종 이상인 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 헤테로폴리산이 아세토나이트릴(acetonitrile)을 매질로 하여 아민기가 치환된 카본 에어로젤에 고정화되며, 이때 사용되는 헤테로폴리산의 양은 카본 에어로젤 1 g 당 0.02-2.0 g, 바람직하게는 0.05-1.0 g을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 양이온성 기능기가 도입된 카본 에어로젤 담체와 헤테로폴리산의 중량비가 1:0.01 미만이면 헤테로폴리산 촉매의 효과가 발현되기 어렵고, 1:2.0을 초과하면 촉매가 담체에 더 이상 담지 되지 않기 때문에 헤테로폴리산 촉매의 손실을 초래할 수 있기 때문이다.The present invention is characterized in that after preparing a carbon aerogel having an amine group on its surface through various chemical treatment methods, the heteropolyacid catalyst is immobilized therein in a molecular state. In the heteropolyacid supported catalyst immobilized on the carbon aerogel of the present invention, no particular limitation is imposed on the type of the heteropolyacid supported, and molybdenum (Mo), tungsten (W), vanadium (V), niobium (Nb), etc. 12-mol Keggin-type heteropolyacid containing phosphorus (P), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), boron (B), cobalt (Co), etc. Libdophosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ), 12- tungstophosphoric acid (H 3 PW 12 O 40 ), 12- tungstosilonic acid (H 4 SiW 12 O 40 ), 12-molybdo tungstophosphoric acid ( H 3 PMo 12 - x W x O 40 , x = 0-12), 12-molybdobanadophosphoric acid (H 3 + x PMo 12 - x V x O 40 , x = 0-12), 12-tongue In addition to stobanadophosphate (H 3 + x PW 12 - x V x O 40 , x = 0-12), 18-molybdoic acid (H 6 P 2 Mo 18 ) in the form of Wells-Dawsons O 62 ), 18- tungstophosphoric acid (H 6 P 2 W 18 O 62 ), 18-molybdo tungstophosphoric acid (H 6 P 2 Mo 18 -x W x O 62 , x = 0-18), 18 -Molybdenum Banado Phosphate ( H 6 + x P 2 Mo 18 - x V x O 62 , x = 0-18), 18- tungsutobanadophosphate (H 6 + x P 2 W 18 - x V x O 62 , x = 0-18 ), And one or two or more kinds selected from 18-tungstenium phosphate (H 6 + x P 2 W 18 - x Nb x O 62 , x = 0-18) and the like. In a preferred embodiment of the present invention, the heteropolyacid is immobilized on a carbon aerogel substituted with an amine group using acetonitrile as a medium, and the amount of heteropoly acid used is 0.02-2.0 g, preferably 0.05, per 1 g of carbon aerogel. Preference is given to using -1.0 g. If the weight ratio of the carbon airgel carrier and heteropolyacid into which the cationic functional group is introduced is less than 1: 0.01, the effect of the heteropolyacid catalyst is difficult to be expressed. If the ratio exceeds 1: 2.0, the loss of the heteropolyacid catalyst is reduced since the catalyst is no longer supported on the carrier. Because it can cause.

또한, 본 발명은 이소프로판올을 산화 반응시켜 아세톤을 제조하는 방법에 있어서, 상기 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매 존재 하에 이소프로판올을 산화 반응하는 것을 특징으로 하는 아세톤의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매는 탄소가 가지는 높은 표면적과 열적 안정성이라는 장점을 살리고 탄소 재료가 지니는 단점을 보완함으로써, 카본 에어로젤에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매를 제조하였으며, 이렇게 제조된 담지 촉매를 이소프로판올의 산화 반응에 적용하여 비담지 헤테로폴리산 촉매보다 높은 촉매 활성을 보이도록 유도하였다. 또한, 산 및 산화환원 양쪽성 촉매반응 특성을 갖는 일반적인 헤테로폴리산 촉매와는 달리 본 발명의 카본 에어로젤에 담지된 헤테로폴리산 촉매에서는 산 촉매 특성은 억제하고 대신 산화 반응의 활성을 보다 향상시켜 촉매의 산화 반응 선택성이 높아지는 특징을 갖는다. 이렇게 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매는 비담지 촉매와는 다른 촉매적 특성을 보이는데, 본 발명에서는 카본 에어로젤에 고정화된 담지 촉매를 이소프로판올 산화 반응에 활용하여 헤테로폴리산 촉매의 산화 특성을 향상시키는 방법을 제공하였다.The present invention also provides a method for producing acetone by oxidizing isopropanol to produce acetone, wherein isopropanol is oxidized in the presence of a heteropoly acid-supported catalyst immobilized on the carbon airgel. The heteropoly acid-supported catalyst immobilized on the carbon aerogel of the present invention utilizes the advantages of high surface area and thermal stability of carbon and compensates for the disadvantages of the carbon material, thereby preparing a heteropolyacid-supported catalyst chemically immobilized on the carbon airgel. The supported catalyst was applied to the oxidation reaction of isopropanol to induce higher catalytic activity than the unsupported heteropolyacid catalyst. In addition, unlike general heteropolyacid catalysts having an acid and redox amphoteric catalysis, the heteropolyacid catalyst supported on the carbon aerogel of the present invention suppresses the acid catalyst property and instead improves the activity of the oxidation reaction, thereby selecting the oxidation reaction of the catalyst. This has a rising feature. The immobilized heteropoly acid supported catalyst shows different catalytic properties from the unsupported catalyst. In the present invention, a supported catalyst immobilized on carbon airgel is used for isopropanol oxidation reaction to provide a method of improving the oxidation characteristics of the heteropolyacid catalyst.

이하에서 본 발명의 제조예 및 실시예를 통해 본 발명에 대해 더 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Preparation Examples and Examples.

제조예Manufacturing example 1: 카본 에어로젤  1: carbon airgel 담체의Carrier 제조 Produce

본 발명의 담체로서 카본 에어로젤의 제조방법은 (a) 레소시놀을 증류수에 넣은 후 촉매인 Na2CO3를 넣고 교반 후에 포름알데히드를 주입하여 졸을 제조하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 졸을 60 ~ 90 oC에서 젤화 시켜 습윤젤로 제조하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 제조된 습윤젤이 포함하고 있는 증류수를 아세톤으로 치환 하는 단계; (d) 상기 (c) 단계에서 아세톤으로 치환된 습윤젤을 상압, 상온에서 10 ~ 30 시간 건조 후, 40 ~ 80 oC에서 10 ~ 30 시간 건조시켜 에어로젤을 제조하는 단계; (e) 상기 (d) 단계에서 제조된 에어로젤을 질소 분위기하 600 ~ 800 oC에서 열분해 하여 카본 에어로젤을 제조하는 단계; (f) 상기 (e) 단계에서 제조된 카본 에어로젤을 파쇄하여 분말 형태로 만드는 단계를 포함한다.Method for producing a carbon aerogel as a carrier of the present invention comprises the steps of (a) preparing a sol by putting resorcinol in distilled water and then injecting formaldehyde after stirring the Na 2 CO 3 catalyst; (b) gelling the sol prepared in step (a) at 60 to 90 ° C. to prepare a wet gel; (c) replacing distilled water contained in the wet gel prepared in step (b) with acetone; (d) preparing the airgel by drying the wet gel substituted with acetone in the step (c) at normal pressure and room temperature for 10 to 30 hours and then drying at 40 to 80 o C for 10 to 30 hours; (e) thermally decomposing the airgel prepared in step (d) at 600 to 800 ° C. under a nitrogen atmosphere to produce a carbon airgel; (f) crushing the carbon airgel prepared in step (e) to form a powder.

본 발명의 카본 에어로젤 담체의 제조방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 상기 (a) 단계에 사용되는 촉매는 Na2CO3로써 상기 촉매에 한정되는 것은 아니며 임의의 목적에 따라 다른 염기성 촉매를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 (a) 단계에서 포함되는 레소시놀, 포름알데히드, 촉매의 비율은 다음과 같다. 레소시놀:포름알데히드의 몰 비는 1:2 이고, 레소시놀:촉매의 몰비는 900 ~ 1100:1이 되도록 시료가 준비되면 증류수 33.82 g에 레조시놀 25.88 g 과 촉매 0.02 ~ 0.04 g을 넣어 준 후 약 10 분간 교반해 준다. 그 후 포름알데히드 40.28 g을 넣고 1 시간 정도 교반하여 졸을 제조한다. 상기 (b) 단계에서 습윤젤을 제조하기 위하여 (a) 단계에서 제조된 졸을 밀봉하여 80~90 oC에서 48~80 시간 젤화(gelation) 시켜 준다. 상기 (c) 단계에서 습윤젤을 40~50 oC 아세톤에 24 시간 동안 넣어 둔다. 매 3 시간마다 새로운 아세톤으로 교체해 주어 습윤젤 안에 있는 증류수가 완전히 치환되도록 하여 아세톤으로 치환된 습윤젤을 제조한다. 상기 (d) 단계에서 아세톤으로 치환된 습윤젤을 상온, 상압 조건에서 20~30 시간 동안 건조시켜 에어로젤을 제조한다. 그 후 만들어진 에어로젤의 기공내의 아세톤을 완전히 제거시켜주기 위해서 40~50 oC에서 20~30 시간 건조 시킨다. 상기 (e) 단계에서 건조된 에어로젤을 질소 분위기하의 소성로에서 600~800 oC에서 2~20 시간 동안 열분해 시켜 카본 에어로젤을 제조한다. 이 때, 질소의 유량은 100 ml/min 으로 고정해 주고, 승온 온도는 5 oC/min으로 올려 준다. 상기 결과물을 파쇄하여 분말 형태의 카본 에어로젤을 제조하였다.
Hereinafter, the carbon airgel carrier of the present invention will be described in detail. The catalyst used in the step (a) is not limited to the catalyst as Na 2 CO 3 It can be used for other basic catalyst according to any purpose. More specifically, the ratio of resorcinol, formaldehyde, and catalyst included in step (a) is as follows. When the sample is prepared such that the molar ratio of resorcinol: formaldehyde is 1: 2 and the molar ratio of resorcinol: catalyst is 900 to 1100: 1, 33.82 g of resorcinol and 0.02 to 0.04 g of resorcinol are prepared. Put it and stir for about 10 minutes. Thereafter, 40.28 g of formaldehyde was added and stirred for about 1 hour to prepare a sol. In order to manufacture the wet gel in step (b), the sol prepared in step (a) is sealed and gelated for 48 hours to 80 hours at 80 ° C. to 90 ° C. In step (c), the wet gel is placed in 40-50 ° C. acetone for 24 hours. Every 3 hours, acetone-substituted wet gel is prepared by replacing with fresh acetone so that distilled water in the wet gel is completely replaced. The wet gel substituted with acetone in the step (d) is dried at room temperature and atmospheric pressure for 20 to 30 hours to prepare an airgel. After that, dry for 20 to 30 hours at 40 to 50 o C to completely remove the acetone in the pores of the airgel produced. The airgel dried in the step (e) is pyrolyzed at 600-800 ° C. for 2-20 hours in a kiln under a nitrogen atmosphere to produce a carbon airgel. At this time, the flow rate of nitrogen is fixed at 100 ml / min, and the temperature rise temperature is raised to 5 o C / min. The resultant was crushed to prepare a carbon aerogel in powder form.

제조예Manufacturing example 2: 카본 에어로젤 표면에  2: carbon aerogels on the surface 아민기An amine group 부착 Attach

상기 제조예 1에서 제조된 분말 형태의 카본 에어로젤은 다음의 화학적 처리과정을 통해 표면이 아민기를 갖는 카본 에어로젤로 전환된다. 도 1은 본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매의 제조과정을 도식화 한 것이다. 상기 제조예 1과 같이 제조된 카본 에어로젤을 100 oC의 수소 분위기하에서 2 시간 동안 활성화시켰다. 활성화된 카본 에어로젤을 질산수용액 (30 중량 %)과 황산 수용액(30 중량 %)에 무수초산(acetic anhydride)과 함께 첨가하여 5 일 이상 교반하면, 표면이 니트로기(-NO2)로 치환된 카본 에어로젤이 제조된다. 상기와 같이 제조된 니트로기(-NO2)가 포함된 카본 에어로젤을 35 중량%의 암모니아 수용액상에 넣은 후 중아황산소다(sodium hydrosulfite)를 첨가하여 12 시간 교반한 다음 증류수로 충분히 세척해 주면 니트로기가 아민기로 변화된 카본 에어로젤이 제조된다.
Powdered carbon airgel prepared in Preparation Example 1 is converted to a carbon airgel having an amine group on the surface through the following chemical treatment. 1 is a diagram illustrating the preparation of a heteropolyacid supported catalyst immobilized on a carbon airgel of the present invention. The carbon airgel prepared as in Preparation Example 1 was activated under a hydrogen atmosphere of 100 ° C. for 2 hours. Activated carbon airgel is added to aqueous nitric acid solution (30% by weight) and sulfuric acid solution (30% by weight) together with acetic anhydride and stirred for at least 5 days.The surface is replaced with nitro group (-NO 2 ). Aerogels are prepared. The carbon aerogel containing nitro group (-NO 2 ) prepared as described above was placed in a 35% by weight aqueous ammonia solution, and then stirred for 12 hours by addition of sodium hydrosulfite, followed by thorough washing with distilled water. Carbon airgels are prepared in which groups have been changed to amine groups.

실시예Example 1: 카본 에어로젤에 고정화된 12- 1: 12- immobilized on carbon airgel 몰리브도인산Molybdate phosphoric acid (( HH 33 PMoPMo 1212 OO 4040 ) 담지 촉매 제조Supported Catalyst Preparation

도 1에 연속해서 나타낸 바와 같이, 아세토나이트릴(acetonitrile) 용액 50 ml에 12-몰리브도인산(H3PMo12O40) 0.85 g을 용해 시킨 후, 이 용액에 상기의 제조예 2에서와 같이 제조된 카본 에어로젤을 첨가하고 24 시간 동안 교반 하였다. 이후 여과 과정을 통해 고체 시료를 분리한 후, 이를 다시 증류수로 충분히 세척하여 물리적으로 결합된 헤테로폴리산을 제거하고, 최종적으로 고상 물질을 80 oC에서 건조하여 본 발명에서 목표로 하는 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산(H3PMo12O40) 담지 촉매를 제조하였다.As shown in FIG. 1, 0.85 g of 12- molybdolic acid (H 3 PMo 12 O 40 ) was dissolved in 50 ml of acetonitrile solution, and then the solution was prepared in Preparation Example 2 above. The prepared carbon aerogels were added and stirred for 24 hours. Thereafter, the solid sample is separated through filtration, and then washed again with distilled water sufficiently to remove the physically bound heteropoly acid, and finally, the solid material is dried at 80 ° C. to be immobilized on the carbon airgel targeted in the present invention. A supported catalyst was prepared with 12- molybdophosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ).

상기 제조예 1, 2 내지 실시예 1에서 제조한 카본 에어로젤 담체 및 헤테로폴리산 담지 촉매의 물리 화학적 특성을 분석하여 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다. 또한, 하기 표 1에는 본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매와 대비하기 위하여 담지되지 않은 벌크상의 헤테로폴리산 촉매(H3PMo12O40) 등의 물성도 같이 기재하였다.The physical and chemical properties of the carbon airgel carrier and the heteropolyacid supported catalyst prepared in Preparation Examples 1 and 2 to Example 1 were analyzed, and the results are summarized in Table 1 below. In addition, Table 1 also describes the physical properties of the unsupported bulk heteropolyacid catalyst (H 3 PMo 12 O 40 ) and the like in order to contrast with the heteropolyacid supported catalyst immobilized on the carbon airgel of the present invention.

질소함량 (중량 %)Nitrogen content (% by weight) 12-몰리브도인산 함량 (중량 %)12-molybdate phosphoric acid content (% by weight) 비표면적 (m2/g)Specific surface area (m 2 / g) 기공부피 (cm3/g)Pore Volume (cm 3 / g) 12-몰리브도인산
(H3PMo12O40)
12-molybdate phosphoric acid
(H 3 PMo 12 O 40 )
-- -- 1010 --
카본 에어로젤Carbon aerogels -- -- 689689 1.581.58 표면이 아민기로 치환된
카본 에어로젤 담체
The surface is substituted with an amine group
Carbon airgel carrier
1.11.1 -- 597597 1.511.51
카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 촉매12-molybdate phosphoric acid catalyst immobilized on carbon airgel 0.90.9 3.03.0 549549 1.491.49

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 담지되지 않은 12-몰리브도인산(H3PMo12O40)의 표면적은 약 10 m2/g로 매우 낮으나, 표면적 689 m2/g 인 카본 에어로젤의 경우 표면이 아민기로 치환되어도 표면적은 597 m2/g 로 매우 큰 상태를 유지하며, 헤테로폴리산이 담지된 이후에도 549 m2/g 정도의 높은 표면적을 유지하였다. 카본 에어로젤의 기공 부피 또한 표면 개질 및 헤테로폴리산 담지가 진행됨에 따라 순차적으로 감소하는 것으로 나타났지만, 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매의 기공 부피는 여전히 비교적 높은 값을 보이는 것으로 나타났다. 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매에서 12-몰리브도인산의 담지량은 3.0 중량%로 나타났는데, 상기 실시예 1에서 설명한 바와 같이 물리적으로 흡착된 12-몰리브도인산은 교반 후 증류수로 충분히 세척하여 제거되기 때문에, 3.0 중량%의 담지량은 화학적으로 고정화된 12-몰리브도인산 촉매량을 의미한다.As can be seen in Table 1, the surface area of unsupported 12 -molybdate phosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ) is very low at about 10 m 2 / g, but for carbon aerogels having a surface area of 689 m 2 / g Even if the surface was substituted with an amine group, the surface area was maintained at a very large level of 597 m 2 / g, and even after the heteropoly acid was supported, the surface area as high as 549 m 2 / g was maintained. The pore volume of the carbon aerogels also decreased sequentially as the surface modification and heteropoly acid supported progressed, but the pore volume of the 12-molybdophosphate supported catalyst immobilized on the carbon aerogel was still relatively high. The supported amount of 12-molybdate phosphoric acid in the catalyst supported on 12-molybdate phosphoric acid immobilized on the carbon aerogel was 3.0 wt%. As described in Example 1, the physically adsorbed 12-molybdate phosphoric acid was stirred. Since it is sufficiently washed with distilled water after removal, the loading amount of 3.0% by weight means the amount of 12-molybdo phosphoric acid chemically immobilized.

또한, 제조된 카본 에어로젤 담체 및 헤테로폴리산 담지 촉매의 기공 구조 및 특성을 분석하기 위해 질소 흡-탈착 실험을 수행하였고, 결과는 도 2와 같다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 카본 에어로젤 담체 및 헤테로폴리산 담지 촉매 시료들은 질소 흡-탈착 실험결과 전형적인 Type IV의 등온선을 나타내었으며, Type H2 형태의 이력현상(hysteresis)을 보였다. 카본 에어로젤의 경우 표면이 아민기로 치환된 경우와 12-몰리브도인산이 담지된 경우 모두 비슷한 형태의 등온선과 이력현상을 보였는데, 이는 12-몰리브도인산 촉매를 담지한 후에도 담체의 기공 특성이 변하지 않고 그대로 유지되고 있음을 의미한다. 이는 12-몰리브도인산(H3PMo12O40) 촉매가 담지된 이후에도 담체의 기공이 그대로 잘 유지되고 있음을 의미한다.In addition, nitrogen adsorption-desorption experiments were performed to analyze the pore structure and characteristics of the prepared carbon airgel carrier and the heteropolyacid supported catalyst, and the results are shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, the carbon airgel carrier and the heteropolyacid-supported catalyst samples showed typical Type IV isotherms as a result of nitrogen adsorption-desorption experiments, and showed a hysteresis of Type H2. In the case of carbon aerogels, the surface is substituted with an amine group and 12-molybdate phosphoric acid supported, respectively, showed similar isotherms and hysteresis. This means that it remains unchanged. This means that the pores of the carrier are well maintained even after the 12 -molybdate phosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ) catalyst is supported.

도 3은 각각 본 발명의 방법으로 제조한 카본 에어로젤에 담지된 헤테로폴리산 촉매의 전계방출 주사 전자현미경 이미지를 나타낸 것이다. 도 3에서 확인할 수 있듯이 카본 에어로젤 담체의 전계방출 주사 전자현미경 이미지와 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산(H3PMo12O40) 담지 촉매의 전계방출 주사 전자현미경 이미지를 비교해 보면, 결정 입자 모양에서 큰 차이가 보이지 않는 것을 볼 수 있다. 이는 카본 에어로젤 담체의 표면에 아민기를 도입하는 개질 과정과 헤테로폴리산 촉매를 화학적으로 결합하는 과정에서 담체로 사용된 카본 에어로젤이 화학적으로 안정하다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명의 방법에서 도입한 카본 에어로젤에 헤테로폴리산 촉매를 화학적으로 고정화 하는 방법은 카본 에어로젤 담체의 구조에 변형을 주지 않고 헤테로폴리산 담지 촉매를 제조하는데 적절한 방법이라 판단된다. 또한, 카본 에어로젤 담체와 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매 내에서 12-몰리브도인산 촉매가 육안으로 구별되지 않는데, 이는 12-몰리브도인산 촉매가 카본 에어로젤 담체 위에 분자상태로 매우 고분산 되었다는 것을 의미한다.Figure 3 shows a field emission scanning electron microscope image of each of the heteropolyacid catalyst supported on the carbon airgel prepared by the method of the present invention. As shown in FIG. 3, the field emission scanning electron microscope image of the carbon aerogel carrier and the field emission scanning electron microscope image of the 12-molybdate phosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ) supported catalyst immobilized on the carbon airgel were compared. You can see that there is no big difference in particle shape. This means that the carbon airgel used as the carrier is chemically stable in the process of introducing an amine group onto the surface of the carbon airgel carrier and in the process of chemically bonding the heteropolyacid catalyst. Therefore, the method of chemically immobilizing the heteropolyacid catalyst on the carbon airgel introduced in the method of the present invention is considered to be a suitable method for preparing the heteropolyacid supported catalyst without modifying the structure of the carbon airgel carrier. In addition, the 12-molybdate phosphoric acid catalyst is not visually distinguished between the carbon aerogel carrier and the 12-molybdate phosphoric acid supported catalyst immobilized on the carbon aerogel. This means that it is very highly dispersed.

도 4는 본 발명의 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산(H3PMo12O40) 담지 촉매, 카본 에어로젤 담체 및 비담지 헤테로폴리산 촉매(H3PMo12O40) 등의 X선 회절 스펙트럼이다. 도 4에서 볼 수 있는 것과 같이, 비담지 촉매인 12-몰리브도인산(H3PMo12O40)은 2θ=25° 근처에서 헤테로폴리산의 특성 피크가 나타나는데 비해, 카본 에어로젤 담체에서는 2θ=23.5°와 43.8° 근처에서 유사 그래파이트 구조에 기인하는 두개의 큰 피크가 확인되었다. 또한 12-몰리브도인산이 카본 에어로젤에 담지된 경우에도 12-몰리브도인산 고유의 특성피크들이 사라지고 카본 에어로젤 담체에서만 나타나는 무정형의 피크가 관찰되는데, 이는 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 촉매에서 12-몰리브도인산 촉매는 결정구조를 갖는 상으로 존재하는 것이 아니라 무정형으로 존재함을 의미하며, 이 결과 또한 카본 에어로젤 담체 위에서 12-몰리브도인산 촉매는 분자 단위로 매우 고르게 분산되어 있음을 의미한다.
4 is an X-ray diffraction spectrum of a heteropolyacid (H 3 PMo 12 O 40 ) supported catalyst, a carbon aerogel carrier, and an unsupported heteropolyacid catalyst (H 3 PMo 12 O 40 ), which is immobilized on a carbon airgel of the present invention. As can be seen in FIG. 4, the unsupported catalyst 12-molybdate phosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ) exhibits a characteristic peak of heteropolyacid near 2θ = 25 °, whereas 2θ = 23.5 ° in a carbon aerogel carrier. At and near 43.8 °, two large peaks due to pseudo graphite structures were identified. In addition, even when 12-molybdate phosphoric acid is supported on the carbon aerogel, characteristic peaks inherent in the 12-molybdate phosphoric acid disappear and amorphous peaks appearing only on the carbon airgel carrier are observed. In the phosphoric acid catalyst, the 12-molybdophosphate catalyst does not exist as a phase having a crystal structure but as an amorphous substance. As a result, the 12-molybdophosphate catalyst is dispersed very evenly on a molecular basis on the carbon airgel carrier. It means.

실시예Example 2:  2: 비담지Unsupported 헤테로폴리산Heteropolyacid (12-(12- 몰리브도인산Molybdate phosphoric acid ) 촉매 및 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산(12-Heteropoly acid (12-) immobilized on catalyst and carbon airgel 몰리브도인산Molybdate phosphoric acid ) 담지 촉매 상에서 이소프로판올 산화에 의한 아세톤의 제조Preparation of Acetone by Isopropanol Oxidation over Supported Catalysts

담지되지 않은 헤테로폴리산 및 상기 실시예 1에서 제조한 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산(H3PMo12O40) 담지 촉매의 이소프로판올의 산화 반응을 기체 상태로 수행하였다. 대기압 조건하의 연속 흐름식 파이렉스 반응기에 촉매를 장착하여 촉매 활성을 분석하였으며, 상기 반응을 위해 이소프로판올을 충분히 기화시킨 후 질소(20 ml/분)와 산소(5 ml/분)를 각각 흘리면서 반응물을 도입하였다. 이소프로판올은 시간당 3.9 x 10-3 몰의 속도로 일정하게 반응기에 유입되도록 조절하였다. 반응 전 240 oC의 온도에서 질소(20 ml/분)와 산소(5 ml/분)를 각각 흘려주면서 1 시간 동안 촉매를 활성화시키고, 220 oC의 온도에서 5 시간 동안 촉매 반응을 수행하였다. 촉매의 양은 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매 내의 12-몰리브도인산의 담지량을 고려하여 비담지 촉매인 12-몰리브도인산 20 mg을 기준으로 하였다. 이소프로판올은 헤테로폴리산의 산화 촉매 반응에 의해 아세톤으로 전환되며, 산 촉매 반응에 의해 프로필렌으로 전환된다. 전술한 바와 같이, 헤테로폴리산 촉매는 산 및 산화 촉매 특성을 동시에 지니고 있는 이원 촉매이다. 이소프로판올의 산화 반응을 수행한 결과 산화 특성으로 대변되는 아세톤의 선택도는 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매가 담지되지 않은 12-몰리브도인산 촉매보다 우수하게 나타났다. 반면 산 촉매 반응 특성으로 대변되는 프로필렌의 선택도는 담지되지 않은 12-몰리브도인산 촉매가 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매와 비교하여 더 큰 결과로 나타나 산화 촉매 반응 선택도와는 반대 경향을 나타냈다. 이상의 결과는 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매의 경우 담지되지 않은 헤테로폴리산 모촉매에 비해 산 촉매 특성은 줄어들고 상대적으로 산화 촉매 특성이 향상되었음을 의미한다. 이는 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매를 제조하는 과정에서 헤테로폴리산 촉매의 벌크 상태에 존재하는 3개의 수소 양이온(H+)이 떨어지고 헤테로폴리음이온이 카본 에어로젤의 양이온 기능기에 화학적으로 고정화 되면서 촉매 내에 존재하는 수소 양이온의 양이 줄어들었기 때문이다. 이소프로판올의 전환율도 카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 담지 촉매가 담지되지 않은 12-몰리브도인산 촉매보다 우수한 결과를 나타냈다. 이는 담지촉매 상에서 12-몰리브도인산 촉매가 분자 상태로 매우 고분산 되어 촉매의 활성 면적이 늘어나 촉매의 활성이 증가되었기 때문이다. 담지되지 않은 헤테로폴리산 및 상기 실시예 1에서 제조한 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매의 촉매활성을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.Oxidation reaction of the unsupported heteropolyacid and the isopropanol of the heteropolyacid (H 3 PMo 12 O 40 ) supported catalyst immobilized on the carbon airgel prepared in Example 1 was carried out in a gaseous state. The catalyst activity was analyzed by mounting a catalyst in a continuous flow Pyrex reactor under atmospheric pressure, and the reaction was introduced while flowing nitrogen (20 ml / min) and oxygen (5 ml / min), respectively, after sufficient vaporization of isopropanol for the reaction. It was. Isopropanol was adjusted to enter the reactor at a constant rate of 3.9 x 10 -3 moles per hour. Before the reaction, the catalyst was activated for 1 hour while flowing nitrogen (20 ml / min) and oxygen (5 ml / min) at a temperature of 240 ° C., and the catalytic reaction was performed at a temperature of 220 ° C. for 5 hours. The amount of the catalyst was based on 20 mg of the unsupported catalyst 12-molybdate phosphoric acid in consideration of the amount of 12-molybdate phosphoric acid in the supported catalyst 12-molybdate phosphoric acid immobilized on the carbon airgel. Isopropanol is converted to acetone by oxidation catalysis of heteropolyacids and to propylene by acid catalysis. As mentioned above, heteropolyacid catalysts are binary catalysts having both acidic and oxidation catalytic properties. As a result of performing the oxidation reaction of isopropanol, the selectivity of acetone, which is represented by the oxidizing property, was superior to that of the 12-molybdate phosphoric acid catalyst which was not supported with the 12-molybdate phosphoric acid supported catalyst immobilized on the carbon airgel. On the other hand, the selectivity of propylene, which is represented by the acid catalysis, is greater than that of unsupported 12-molybdophosphate catalysts compared to the 12-molybdophosphate supported catalysts immobilized on carbon aerogels. Showed the opposite trend. The above results indicate that in the case of the 12-molybdic acid-supported catalyst immobilized on the carbon aerogel, the acid catalyst property is decreased and the oxidation catalyst property is relatively improved compared to the unsupported heteropolyacid mother catalyst. This is because the three hydrogen cations (H + ) present in the bulk of the heteropolyacid catalyst are dropped during the preparation of the 12-molybdolic acid-supported catalyst immobilized on the carbon airgel, and the heteropolyanion is chemically immobilized on the cationic functional group of the carbon airgel. This is because the amount of hydrogen cations present in the catalyst is reduced. The conversion of isopropanol was also better than that of the 12-molybdophosphate supported catalyst, which was not supported on the carbon aerogel. This is because the 12-molybdate phosphoric acid catalyst is highly dispersed in the molecular state on the supported catalyst, thereby increasing the active area of the catalyst and increasing the activity of the catalyst. The catalytic activity of the unsupported heteropoly acid and the heteropoly acid supported catalyst immobilized on the carbon airgel prepared in Example 1 was measured, and the results are summarized in Table 2 below.

이소프로판올 전환율 (%)Isopropanol conversion (%) 아세톤 선택도 (%)Acetone selectivity (%) 아세톤 수율 (%)Acetone yield (%) 프로필렌 선택도 (%)Propylene Selectivity (%) 프로필렌 수율 (%)Propylene Yield (%) 12-몰리브도인산
(H3PMo12O40)
12-molybdate phosphoric acid
(H 3 PMo 12 O 40 )
20.720.7 12.212.2 2.52.5 87.787.7 18.218.2
카본 에어로젤에 고정화된 12-몰리브도인산 촉매12-molybdate phosphoric acid catalyst immobilized on carbon airgel 29.929.9 41.441.4 12.412.4 58.658.6 17.617.6

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Figure pat00003
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이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방법으로 산 및 산화반응 특성을 동시에 지니고 있는 헤테로폴리산 촉매를 큰 기공 부피와 넓은 표면적을 가지면서 표면이 양이온 관능기로 치환된 카본 에어로젤에 담지하여 카본 에어로젤에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매를 제조하는 경우, 단순히 물리적으로 결합되는 것이 아니라 화학적 결합에 의해 강하게 고정화되며, 또한 산 촉매 특성이 억제되고 산화 반응 특성이 활성화되어 산화 촉매 반응 시 반응 선택성이 매우 높아져 이소프로판올 산화 반응시 산 촉매 반응특성을 억제하고 산화 촉매 반응에 대한 촉매 활성을 향상시켜 선택적 산화반응 촉매로 활용이 가능하다는 장점이 있다.As described above, the heteropolyacid catalyst having both acid and oxidation characteristics by the method of the present invention is chemically immobilized on the carbon airgel by supporting it on a carbon airgel having a large pore volume and a large surface area and having a surface substituted with a cationic functional group. In the preparation of the supported heteropolyacid supported catalyst, it is not simply physically bonded but is strongly immobilized by chemical bonding, and also the acid catalyst property is suppressed and the oxidation reaction property is activated, so that the reaction selectivity is very high in the oxidation catalyst reaction, resulting in isopropanol oxidation reaction. It is advantageous in that it can be utilized as a selective oxidation catalyst by suppressing the acid catalytic reaction characteristics and improving the catalytic activity for the oxidation catalytic reaction.

앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can change and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention, as will be apparent to those skilled in the art.

Claims (4)

표면에 아민기(-NR1R2R3 +, 상기 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소 또는 C1 내지 C20의 알킬기)를 부착한 카본 에어로젤에 음이온성의 헤테로폴리산을 무게비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합시킨 것을 특징으로 하는 카본 에어로젤 담체에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매.An amine group on the surface (-NR 1 R 2 R 3 + , R 1 , R 2, and R 3 are each independently hydrogen or C 1 to C 20 alkyl group) carbon aerogels, characterized in that the anionic heteropoly acid reacted in a weight ratio of 1: 0.01 to 2 by weight and ion-bonded Heteropoly acid supported catalyst chemically immobilized on an airgel carrier. 제1항에 있어서,
상기 헤테로폴리산 촉매는 케긴(Keggin) 형태의 헤테로폴리산인 12-몰리브도인산(H3PMo12O40), 12-텅스토인산(H3PW12O40), 12-텅스토실리콘산(H4SiW12O40), 12-몰리브도텅스토인산(H3PMo12 - xWxO40, x=0-12), 12-몰리브도바나도인산(H3 + xPMo12 - xVxO40, x=0-12) 및 12-텅스토바나도인산(H3+xPW12-xVxO40, x=0-12)과 웰스-다우슨 (Wells-Dawsons) 형태의 헤테로폴리산인 18-몰리브도인산(H6P2Mo18O62), 18-텅스토인산(H6P2W18O62), 18-몰리브도텅스토인산(H6P2Mo18 - xWxO62, x=0-18), 18-몰리브도바나도인산(H6 + xP2Mo18 - xVxO62, x=0-18), 18-텅스토바나도인산(H6 + xP2W18 - xVxO62, x=0-18) 및 18-텅스토니오비움인산(H6+xP2W18-xNbxO62, x=0-18)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매.
The method of claim 1,
The heteropolyacid catalyst is a 12-molybdate phosphoric acid (H 3 PMo 12 O 40 ), a 12- tungstoic acid (H 3 PW 12 O 40 ), 12- tungstosilonic acid (H 4) SiW 12 O 40 ), 12-molybdoungstophosphoric acid (H 3 PMo 12 - x W x O 40 , x = 0-12), 12-molybdobanadophosphoric acid (H 3 + x PMo 12 - x V x O 40 , x = 0-12) and 12-tungstovavanophosphate (H 3 + x PW 12-x V x O 40 , x = 0-12) and Wells-Dawsons forms Heteropolyacids of 18-molybdophosphoric acid (H 6 P 2 Mo 18 O 62 ), 18- tungstophosphoric acid (H 6 P 2 W 18 O 62 ), 18-molybdo tungstophosphoric acid (H 6 P 2 Mo 18 - x W x O 62 , x = 0-18), 18-molybdobanadophosphoric acid (H 6 + x P 2 Mo 18 - x V x O 62 , x = 0-18), 18-tungsto Banadophosphoric acid (H 6 + x P 2 W 18 - x V x O 62 , x = 0-18) and 18-tungsteniobium phosphate (H 6 + x P 2 W 18-x Nb x O 62 , x Heteropoly acid-supported catalyst immobilized on a carbon airgel, characterized in that at least one selected from the group consisting of = 0-18).
ⅰ)카본 에어로젤의 표면에 수소화처리를 하여 탄소를 활성화하는 단계;
ⅱ)상기 표면 활성화된 카본 에어로젤에 무수아세트산 존재 하에 황산 및 질산용액과 반응시켜 상기 카본 에어로젤 표면에 니트로기를 부착하는 단계;
ⅲ)상기 카본 에어로젤의 표면에 부착된 니트로기를 환원시켜 아민화하는 단계 및,
ⅳ)상기 카본 에어로젤 표면에 형성된 아민과 헤테로폴리산을 무게비로 1:0.01 내지 2 범위에서 반응시켜 이온결합시키는 단계를 포함하는 카본 에어로젤에 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매 제조방법.
Iii) hydrogenating the surface of the carbon airgel to activate carbon;
Ii) reacting the surface activated carbon airgel with sulfuric acid and nitric acid solution in the presence of acetic anhydride to attach nitro groups to the surface of the carbon airgel;
Iii) amination by reducing the nitro group attached to the surface of the carbon airgel, and
And iii) reacting the amine formed on the surface of the carbon airgel with the heteropolyacid in a weight ratio of 1: 0.01 to 2 to ion-bond the heteropolyacid-supported catalyst immobilized on the carbon airgel.
제1항의 카본 에어로젤 담체에 화학적으로 고정화된 헤테로폴리산 담지 촉매 존재하에 이소프로판올을 산화시키는 것을 특징으로 하는 이소프로판올의 산화반응에 의한 아세톤 제조방법.A method for producing acetone by oxidation of isopropanol, wherein the isopropanol is oxidized in the presence of a heteropolyacid-supported catalyst chemically immobilized on the carbon airgel carrier of claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101301696B1 (en) * 2011-10-11 2013-08-30 서울대학교산학협력단 Novel metal catalyst suppored on activated carbon aerogel bearing acid site, preparation method thereof and decomposition of lignin compound using said catalyst
CN105478082A (en) * 2016-01-14 2016-04-13 四川大学 Carbon-aerogel-based supported organic amine CO2 absorbent and preparation method thereof

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