KR20110117301A - Method for preparing nanometer sized cu based catalyst - Google Patents

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Abstract

구리 전구체인 제 1 성분, 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 2 성분 전구체 및 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 3 성분 전구체를 수용액에 용해한 후 교반하는 단계; 상기 교반에서 얻어진 혼합 용액을 Na2CO3 및 NaOH를 사용하여 촉매 전구체 침전물로 침전시키는 단계: 및 상기 형성된 촉매 전구체 침전물을 세척 및 여과시키는 단계를 포함하는 나노미터 크기의 구리계 촉매의 제조방법이 개시된다. At least one second component precursor selected from the group consisting of a copper precursor, a first component, a transition metal, an alkaline earth metal, and a group IIIb component and 1 selected from the group consisting of alumina, silica, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, and carbon Dissolving at least three third component precursors in an aqueous solution and then stirring; Precipitating the mixed solution obtained in the stirring to the catalyst precursor precipitate using Na 2 CO 3 and NaOH: and the method for producing a nanometer-sized copper-based catalyst comprising the step of washing and filtering the formed catalyst precursor precipitate Is initiated.

Description

나노미터 크기의 구리계 촉매 제조 방법{Method for preparing nanometer sized Cu based catalyst}Method for preparing nanometer sized copper based catalyst

본 발명은 나노 미터 크기를 갖는 구리계 촉매 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구리입자의 크기를 특정 침전제를 이용하여 수십 나노미터 이하의 크기로 조절하는 촉매 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a copper-based catalyst having a nanometer size, and more particularly to a method for producing a catalyst for controlling the size of the copper particles to a size of several tens of nanometers or less using a specific precipitant.

구리가 촉매로 사용되는 경우 통상 수소화-탈수소화 반응에서 활성을 나타낸다. 수소 분자가 해리 흡착되어 원자 상태로 활성화되는 구리 금속과 백금, 팔라듐, 레늄등의 귀금속이 수소화 반응의 활성물질로 가능하다. 수소화 반응의 활성 물질은 수소의 흡착세기가 너무 강하면 수소화 분해 반응이 진행되어, 탄화수소의 탄소-탄소 결합까지 끊어지면서 수소화가 되는 문제가 있다. 따라서 수소가 적절한 세기로 흡착되는 것이 필요하다. When copper is used as a catalyst it is usually active in the hydrogenation-dehydrogenation reaction. Copper metals that dissociate and adsorb hydrogen molecules to be activated in an atomic state and precious metals such as platinum, palladium, and rhenium are possible as active materials for the hydrogenation reaction. The active material of the hydrogenation reaction has a problem in that if the adsorption strength of hydrogen is too strong, the hydrocracking reaction proceeds, and even the carbon-carbon bonds of the hydrocarbons are broken and become hydrogenated. Therefore, it is necessary for hydrogen to be adsorbed at an appropriate strength.

구리계 촉매는 온도범위가 비교적 낮은 영역(200~ 400℃)에서의 수소화 반응 또는 탈수소화 반응에 응용된다. 특히, 구리계 촉매는 카르복시산으로부터 알코올을 합성하는 수소화 반응 및 탄화수소와 물 또는 탄소와 물로부터 일산화탄소와 수소의 합성가스를 만드는 수성가스화 전환반응 (Water-gas shift reaction), 메탄올로부터 수소를 생산하는 메탄올 개질공정 (Methanol reforming)과 반대로 수소와 이산화탄소로부터 메탄올을 합성하는 이산화탄소 수소화 공정 (CO2 hydrogenation), 염소가 포함된 탄화수소에서 염소를 제거하는 수첨 탈염소 반응 (Hydro-dechlorination) 및 1,4 부탄다이올(1,4-BDO)로 부터 감마 부티로락탄(γ-Butyrolactone)을 생성하는 공정에 응용에 우수한 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. Copper-based catalysts are applied to hydrogenation or dehydrogenation in a region with a relatively low temperature range (200 to 400 ° C). In particular, copper-based catalysts include hydrogenation reactions for the synthesis of alcohols from carboxylic acids and water-gas shift reactions for the synthesis of carbon monoxide and hydrogen from hydrocarbons and water or carbon and water, methanol to produce hydrogen from methanol. In contrast to methanol reforming, CO 2 hydrogenation, which synthesizes methanol from hydrogen and carbon dioxide, hydrogen-dechlorination to remove chlorine from chlorine-containing hydrocarbons, and 1,4 butanedi It is known to exhibit excellent properties for applications in the production of gamma butyrolactane from gamma (1,4-BDO).

구리계 촉매를 제조하는 방법으로써 다양한 방법들이 알려져있다. 대한민국공개특허번호 2010-0006249에서는 불균일 구리 나노 촉매 및 그 제조 방법을 개시하고 있으며, 구리 나노 입자가 보헤마이트(boehmite) 지지체에 고정화된 불균일 나노 촉매 및 그 용도에 관해 개시하고 있다. Various methods are known as a method for producing a copper catalyst. Korean Unexamined Patent Publication No. 2010-0006249 discloses a heterogeneous copper nanocatalyst and a manufacturing method thereof, and discloses a heterogeneous nanocatalyst in which copper nanoparticles are immobilized on a boehmite support and its use.

대한민국공개 특허번호 2007-0028102에서는 나노입자의 구리-망간 산화물 촉매의 제조 방법으로써 망간 질산염 수화물과 구리 질산염 수화물을 증류수에 용해시키는 단계; 상기 용액에 요소를 넣고 용해시키는 단계; 상기 용액에 담체를 함께 넣고 중성 분위기하에서 교반시키는 단계; 및 상기 교반물을 건조, 분쇄 및 소성시키는 단계를 개시하고 있다. Korean Patent Publication No. 2007-0028102 discloses a method for preparing a copper-manganese oxide catalyst of nanoparticles, in which manganese nitrate hydrate and copper nitrate hydrate are dissolved in distilled water; Dissolving urea in the solution; Putting the carrier together in the solution and stirring under a neutral atmosphere; And drying, pulverizing and calcining the agitate.

그러나 현재까지 나노미터 크기의 구리계 촉매를 효율적으로 제조하는 방법은 아직 미흡한 실정이다. However, to date, a method of efficiently preparing a nanometer-sized copper-based catalyst is still insufficient.

본 발명의 일 측면은 구리 전구체인 제 1 성분, 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 2 성분 전구체 및 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 3 성분 전구체를 수용액에 용해한 후 교반하는 단계; 상기 교반에서 얻어진 혼합 용액을 Na2CO3 및 NaOH를 사용하여 촉매 전구체 침전물로 침전시키는 단계: 및 상기 형성된 촉매 전구체 침전물을 세척 및 여과시키는 단계를 포함하는 나노미터 크기의 구리계 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is a copper precursor of the first component, transition metal, alkaline earth metal, at least one second component precursor selected from the group consisting of Group IIIb components and alumina, silica, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, carbon Dissolving at least one third component precursor selected from the group consisting of an aqueous solution and then stirring the solution; Precipitating the mixed solution obtained by the stirring to the catalyst precursor precipitate using Na 2 CO 3 and NaOH: and washing and filtering the catalyst precursor precipitate formed To provide.

본 발명의 또 다른 일측면은 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 나노미터 크기의 구리계 촉매를 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a nanometer sized copper-based catalyst prepared by the production method of the present invention.

본 발명의 또 다른 일측면은 수소화 반응에 사용되는 나노미터 크기의 구리계 촉매를 제공하는 것이다.
Another aspect of the present invention is to provide a nanometer sized copper-based catalyst used in the hydrogenation reaction.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 또 다른 기타 기술적 문제점들은 아래의 기재로부터 보편적 기술자들에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other technical problems will be clearly understood by the general technicians from the following description.

본 발명의 한 측면에 따라, 구리 전구체인 제 1 성분, 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 2 성분 전구체 및 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 3 성분 전구체를 수용액에 용해한 후 교반하는 단계; 상기 교반에서 얻어진 혼합 용액을 Na2CO3 및 NaOH를 사용하여 촉매 전구체 침전물로 침전시키는 단계: 및 상기 형성된 촉매 전구체 침전물을 세척 및 여과시키는 단계를 포함하는 나노미터 크기의 구리계 촉매의 제조방법을 제공한다. According to one aspect of the invention, the at least one second component precursor selected from the group consisting of a copper precursor, a first component, a transition metal, an alkaline earth metal, a group IIIb component and alumina, silica, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia Dissolving at least one third component precursor selected from the group consisting of carbon in an aqueous solution and then stirring the solution; Precipitating the mixed solution obtained by the stirring to the catalyst precursor precipitate using Na 2 CO 3 and NaOH: and washing and filtering the catalyst precursor precipitate formed to provide.

본 발명의 또 다른 일측면에 따라, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 나노미터 크기의 구리계 촉매를 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a nanometer sized copper-based catalyst prepared by the production method of the present invention.

본 발명의 또 다른 일측면에 따라, 수소화 반응에 사용되는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 나노미터 크기의 구리계 촉매를 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a nanometer-sized copper-based catalyst prepared by the production method of the present invention used for the hydrogenation reaction.

본 발명의 구리계 촉매 제조방법은 구리, 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분, 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소 성분, 이들 성분간의 함량, 침전제 종류 및 공침시 pH를 조정하여 나노미터 크기의 구리계 촉매를 제조할 수 있다. Copper-based catalyst production method of the present invention is a copper, transition metal, alkaline earth metal, group IIIb component, alumina, silica, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, carbon components, the content between these components, the type of precipitant and pH at coprecipitation The nanometer sized copper-based catalyst can be prepared.

도 1은 구리, 아연 및 알루미나의 비율을 달리한 구리계 촉매의 수소 환원 특성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 구리계 촉매의 조성을 달리한 촉매의 부티르산 직접수소화에 반응 결과를 보여준다.
1 shows hydrogen reduction characteristics of a copper-based catalyst having different ratios of copper, zinc and alumina.
Figure 2 shows the reaction results in the direct hydrogenation of butyric acid of the catalyst with a different composition of the copper-based catalyst of the present invention.

이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 제조방법은, 구리 전구체인 제 1 성분, 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 2 성분 전구체 및 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 3 성분 전구체를 수용액에 용해한 후 교반하는 단계; 상기 교반에서 얻어진 혼합 용액을 Na2CO3 및 NaOH를 사용하여 촉매 전구체 침전물로 침전시키는 단계: 및 상기 형성된 촉매 전구체 침전물을 세척 및 여과시키는 단계를 포함한다. Catalyst preparation method according to an embodiment of the present invention, the first component of the copper precursor, transition metal, alkaline earth metal, at least one second component precursor selected from the group consisting of Group IIIb components and alumina, silica, silica-alumina, Dissolving at least one third component precursor selected from the group consisting of magnesia, titania, zirconia and carbon in an aqueous solution, followed by stirring; Precipitating the mixed solution obtained in the stirring to the catalyst precursor precipitate using Na 2 CO 3 and NaOH: and washing and filtering the formed catalyst precursor precipitate.

명세서의 상세한 설명 및 청구항에 걸쳐서 사용되는 특정 용어는 다음과 같이 정의된다. Specific terms used throughout the description and claims of the specification are defined as follows.

여기서 “구리계 촉매”란 구리가 활성을 나타내는 주 촉매 (catalyst)로 작용하는 것을 말한다. 구리계 촉매라 하더라도 주 촉매 성분인 구리가 전체 촉매 중 다른 성분보다 반드시 많을 필요는 없다. “Copper-based catalyst” here means that copper acts as the main catalyst (catalyst). Even if it is a copper-based catalyst, the main catalyst component, copper, does not necessarily have to be more than other components in the total catalyst.

여기서 “나노미터 크기”는 아산화질소 (N2O) 가스의 화학 흡-탈착법 및 활성가스인 일산화탄소의 화학 흡-탈착법 또는 XRD (X-ray diffraction patterns)의 구리 피크를 통해 입자크기 계산법에 의해 측정되었을 때 1 나노미터 이상 내지 수 백 나노미터까지 측정된 것을 말한다.“Nanometer size” refers to particle size calculation through chemical adsorption-desorption of nitrous oxide (N 2 O) gas and chemical adsorption-desorption of activated carbon monoxide or copper peaks of XRD (X-ray diffraction patterns). Refers to those measured from 1 nanometer to several hundred nanometers.

여기서 “구리 전구체”는 구리 염을 말하는 것으로써, 소성 후 구리 또는 구리 산화물 상태로 존재할 수 있다. As used herein, “copper precursor” refers to a copper salt, which may be present in the copper or copper oxide state after firing.

또한, 여기서 “제 2 성분 전구체”는 전이금속, 알칼리 토금속, III족 성분 또는 이들의 혼합물의 염을 말하는 것으로써, 소성 후, 전이금속, 알칼리 토금속, III족 성분 또는 이들의 산화물 상태로 존재할 수 있다.In addition, “second component precursor” herein refers to salts of transition metals, alkaline earth metals, group III components or mixtures thereof, and may be present in the transition metal, alkaline earth metal, group III components or oxides thereof after firing. have.

본 발명의 구리계 촉매 성분을 이루는 제 1성분으로써 구리 전구체는 질산염, 아세테이트염, 염소염 등의 염을 포함할 수 있다. 구리 질산염 수화물은 질산 구리(Cu(NO3)2· nH2O) 수화물로써, 3 수화물, 6 수화물, 9 수화물 등이 있으며, 물, 에탄올에 잘 녹는다. As the first component constituting the copper-based catalyst component of the present invention, the copper precursor may include salts such as nitrate, acetate salt and chlorine salt. Copper nitrate hydrate is a copper nitrate (Cu (NO3) 2.nH2O) hydrate, which is trihydrate, hexahydrate, hexahydrate, etc., and is soluble in water and ethanol.

본 발명의 구리계 촉매 성분을 이루는 제 2 성분으로써, 전이금속, 알칼리 토금속, 또는 IIIb족 성분은 구리 촉매와 혼합되는 물질로써 그 자체로서도 활성을 갖지만 구리에 비해서는 활성이 낮다. 구리계 촉매 성분으로써, 상기 전이금속은 Zn. Co, Ni, Cr, Fe, Mo, Nb, Mn, Pt, Pd, Rh, Ru, 알칼리 토금속은 Mg, Ca, Sr, Ba, IIIb 족 성분은 Ga이 바람직하다. As the second component constituting the copper-based catalyst component of the present invention, the transition metal, alkaline earth metal, or group IIIb component is active in itself as a material mixed with the copper catalyst, but is less active than copper. As a copper-based catalyst component, the transition metal is Zn. Co, Ni, Cr, Fe, Mo, Nb, Mn, Pt, Pd, Rh, Ru, and alkaline earth metals are preferably Mg, Ca, Sr, Ba, or IIIb group Ga.

구리계 촉매를 이루는 상기 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb 족 성분의 함량은 구리 보다 반드시 더 적은 양으로 사용되어야 할 필요는 없으며, 더 많은 양으로도 사용될 수 있으며, 바람직하게는 구리 대 제 2 성분 비율은 몰 비율로써 1: 0.4-3.5로 사용될 수 있다. The content of the transition metal, alkaline earth metal, and group IIIb components constituting the copper catalyst need not necessarily be used in a smaller amount than copper, and may also be used in a larger amount, and preferably a copper to second component ratio. Can be used at 1: 0.4-3.5 as molar ratio.

본 발명의 구리계 촉매 성분을 이루는 제 3 성분은 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이들 성분은 자기 자신은 활성을 지니고 있지 않으나, 촉매 제조 시 소량 첨가함으로써 주 촉매의 활성 및 선택성, 그리고 안정성을 향상시키거나 촉매를 지지해 주는 역할을 한다. 상기 성분의 함량은 특별히 한정되지는 않는다.As the third component constituting the copper-based catalyst component of the present invention, alumina, silica, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, carbon or a mixture thereof can be used. These components themselves do not have activity, but by adding a small amount in the preparation of the catalyst serves to improve the activity and selectivity, stability of the main catalyst and to support the catalyst. The content of the component is not particularly limited.

통상의 구리계 촉매의 경우, 구리 및 아연을 많이 사용한다. 이러한 CuZn 촉매의 경우, Cu 크기, 비표면적 및 분산도가 좋지 않다. In the case of conventional copper-based catalysts, a lot of copper and zinc are used. In the case of such a CuZn catalyst, Cu size, specific surface area and dispersion degree are poor.

그러나 본원의 발명자는 CuZn 촉매에 알루미나등을 사용하는 경우, Cu의 분산도를 높여주며, Cu가 낮은 온도에서 환원될 수 있도록 하는 것을 알아내었다. 예컨대 CuZn 제조시 Al을 첨가하는 경우, Al이 포함되지 않은 촉매는 환원시 충분히 금속의 Cu 상태로 환원되지 못하고, 큰 Cu 입자가 형성되는 것을 알아내었다. However, the inventors of the present application have found that when alumina or the like is used for the CuZn catalyst, the dispersion degree of Cu is increased, and Cu can be reduced at a low temperature. For example, when Al was added in the production of CuZn, it was found that the catalyst without Al was not sufficiently reduced to the Cu state of the metal at the time of reduction, and large Cu particles were formed.

또한 본원의 발명자는 구리계 촉매의 입자크기는 수소화 반응의 효율을 결정하기 때문에 중요하며, 구리와 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분 또는 이들의 혼합물의 제 2 성분 및 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소 또는 이들의 혼합물의 제 3성분을 사용한 경우, 수소 환원 특성은 1 나노미터 내지 50 나노미터 크기의 구리계 촉매가 효과적이며, 바람직하게는 20 나노미터 이하임을 알아내었다. In addition, the inventors of the present application are important because the particle size of the copper-based catalyst determines the efficiency of the hydrogenation reaction, and the second component and alumina, silica, silica-alumina of copper and transition metals, alkaline earth metals, group IIIb components or mixtures thereof When using the third component of magnesia, titania, zirconia, carbon or mixtures thereof, hydrogen reduction properties have been found to be effective, preferably from 20 nanometers to copper-based catalysts ranging from 1 nanometer to 50 nanometers in size. .

또한 구리계 촉매의 경우, 상기 제 2 성분 및 상기 제 3성분을 함께 사용한 경우 수소 환원 특성이 좋으며, 구리 대 제 2 성분의 몰 비율은 구리 금속 함량이 낮은 경우, 더 낮은 온도에서 환원되어 수소화 반응 효율을 높일 수 있음을 알아내었다. In addition, in the case of the copper-based catalyst, when the second component and the third component are used together, hydrogen reduction properties are good, and the molar ratio of copper to the second component is reduced at a lower temperature when the copper metal content is low, thereby hydrogenating. It was found that the efficiency can be increased.

따라서 구리계 촉매 입자는 구리와 상기 제 2 성분의 성분비율을 조절하여 구리계 촉매의 수소 환원도를 조절할 수 있다. Therefore, the copper-based catalyst particles can control the hydrogen reduction degree of the copper-based catalyst by adjusting the component ratio of copper and the second component.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 제조방법에서, 상기 제 1 단계는 구리 전구체의 제 1성분 전구체, 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 2 성분 전구체 및 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 3 성분 전구체를 수용액에 용해한 후 교반하여 혼합용액을 얻는다. 수용액은 순수를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 전술한 바와 같이 구리계 촉매의 크기는 수소화 효율에 영향을 미치며, 촉매 크기는 구리 대 제 2 성분의 몰 비율에 따라 달라진다. In the method for preparing a catalyst according to an embodiment of the present invention, the first step may include one or more second component precursors and alumina selected from the group consisting of a first component precursor, a transition metal, an alkaline earth metal, and a Group IIIb component of the copper precursor, One or more third component precursors selected from the group consisting of silica, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, and carbon are dissolved in an aqueous solution, followed by stirring to obtain a mixed solution. Aqueous solutions include but are not limited to pure water. As mentioned above, the size of the copper-based catalyst affects the hydrogenation efficiency, and the catalyst size depends on the molar ratio of copper to the second component.

상기 제 2 단계에서는 제 1 단계에서 얻은 혼합용액을 침전제를 사용하여 촉매 전구체 침전물로 침전시키는 단계이다. In the second step, the mixed solution obtained in the first step is precipitated into the catalyst precursor precipitate using a precipitant.

침전제로써 Na2CO3 사용 후 이어서 NaOH를 사용하여 촉매전구체 침전물로 침전시킨다. 이 경우 침전제로써 Na2CO3만을 사용하거나, NaOH만을 사용한 경우보다 더 적은 크기의 구리 금속입자를 얻을 수 있다. The use of Na 2 CO 3 as precipitant is followed by precipitation of the catalyst precursor precipitate with NaOH. In this case, it is possible to obtain copper metal particles having a smaller size than when only Na 2 CO 3 is used as the precipitant or when only NaOH is used.

NaOH를 침전제로 사용하는 경우, 침전과정에서 구리 및 제 2 성분의 전구체 및 제 3성분의 전구체가 급격하게 침전되어 금속 입자들이 불균일하게 섞이기 때문이다. 한편 NH3 수용액을 침전제로 사용하는 경우, 공침과 숙성과정을 거치는 동안 pH가 일정하게 유지되지 못한다. 따라서 촉매 제조과정에서, 구리 및 제 2 성분의 전구체 및 제 3성분의 전구체가 불균일하게 구조가 형성되며, pH 변화로 인해 구리 입자크기가 원하는 크기만큼 작게 형성되지 못한다. This is because when NaOH is used as a precipitant, the copper and the precursor of the second component and the precursor of the third component are rapidly precipitated and the metal particles are mixed unevenly. On the other hand, when using NH3 aqueous solution as a precipitant, the pH is not kept constant during the coprecipitation and aging process. Therefore, during the catalyst preparation process, the copper and the precursor of the second component and the precursor of the third component are non-uniformly formed, and due to the pH change, the copper particle size may not be formed as small as the desired size.

그러나, Na2CO3를 사용하여, pH를 서서히 증가시킨 후, 이어서 NaOH를 사용하여 pH를 높임으로써, 구리, 제 2 성분 및 제 3성분이 급격하게 침전되는 현상을 막아 금속입자들이 불균일하게 섞이는 것을 방지하면서도 pH가 일정하게 유지되어 균일한 나노입자 크기의 구리계 촉매를 얻을 수 있다. However, by gradually increasing the pH using Na 2 CO 3 and then increasing the pH using NaOH, metal particles are mixed unevenly by preventing the sudden precipitation of copper, the second component and the third component. While preventing the pH is kept constant to obtain a copper-based catalyst of uniform nanoparticle size.

상기 침전시키는 단계에서 pH는 5.0 내지 11.0인 것이 바람직하다.In the precipitation step, the pH is preferably 5.0 to 11.0.

구리 전구체, 제 2 성분의 전구체 및 제 3성분의 전구체가 수용액 상에 용해된 상태의 초기 혼합 촉매 전구체의 pH는 2~4 이며 알칼리 침전제를 서서히 가하게 되면 pH 5부터 촉매 전구체의 침전이 시작된다. The pH of the initial mixed catalyst precursor in a state where the copper precursor, the precursor of the second component, and the precursor of the third component is dissolved in the aqueous solution is 2-4, and when the alkali precipitant is gradually added, precipitation of the catalyst precursor starts from pH 5.

알칼리 침전제의 양이 늘어날수록 금속 혼합액의 색은 점점 짙어지게 되며, 나노미터 크기의 구리계 촉매는 pH 9 까지 침전현상이 발생한다. 그 이상의 pH에서는 점점 침전된 금속이 다시 수용액상에 재용해 되는 현상이 발생한다. 따라서 상기 침전 시키는 단계에서 공침시 pH는 5.0 내지 11.0이며, 보다 바람직하게는 pH 6 내지 9 범위가 바람직하다.As the amount of alkali precipitant increases, the color of the metal mixture becomes darker, and the nanometer sized copper catalyst precipitates up to pH 9. At higher pH, the precipitated metal is redissolved again in aqueous solution. Therefore, the pH of the coprecipitation in the precipitation step is 5.0 to 11.0, more preferably pH 6 to 9 range is preferred.

상기 제 3단계에서는 촉매 전구체 침전물을 중성으로 만들기 위해 세척한 후 여과하는 단계이다. In the third step, the catalyst precursor precipitate is washed and then filtered to be neutral.

구리계 촉매를 수소화 반응에 사용하는 경우, 상기 제 3단계에서 최종 금속 촉매를 얻은 후, 제조된 금속 촉매를 건조 후 소성과정을 거쳐 금속 산화물 상태로 전환시킨 후 사용한다. When the copper-based catalyst is used in the hydrogenation reaction, after obtaining the final metal catalyst in the third step, the prepared metal catalyst is dried and calcined to be converted into a metal oxide state.

본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 나노미터 크기의 구리계 촉매를 제공하며, 바람직하게는 20 나노미터 이하의 구리계 촉매를 제공한다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a nanometer sized copper-based catalyst prepared by the production method of the present invention, preferably a copper-based catalyst of 20 nanometers or less.

본 발명의 일 실시예의 제조방법에 따라 제조된 나노미터 크기의 구리계 촉매수소화 반응 또는 탈수소화 반응에 사용될 수 있다. The nanometer-sized copper-based catalyst prepared according to the preparation method of an embodiment of the present invention may be used for hydrogenation or dehydrogenation.

본 발명의 나노미터 크기의 구리계 촉매는 수성가스화 전환반응 (Water-gas shift reaction), 메탄올로부터 수소를 생산하는 메탄올 개질공정 (Methanol reforming), 수소와 이산화탄소로부터 메탄올을 합성하는 이산화탄소 수소화 공정 (CO2 hydrogenation), 염소가 포함된 탄화수소에서 염소를 제거하는 수첨 탈염소 반응 (Hydro-dechlorination) 또는 1,4 부탄다이올(1,4-BDO)로부터 감마 부티로락탄(γ-Butyrolactone)을 생성하는 반응에 사용할 수 있다. The nanometer sized copper-based catalyst of the present invention is a water-gas shift reaction, methanol reforming to produce hydrogen from methanol, and carbon dioxide hydrogenation process to synthesize methanol from hydrogen and carbon dioxide (CO 2 hydrogenation, hydro-dechlorination to remove chlorine from chlorine-containing hydrocarbons or gamma-butyrolactone from 1,4-butanediol (1,4-BDO) Can be used for the reaction.

상기 수소화 반응 또는 탈수소화 반응에 사용되는 구리계 금속의 입자는 20 nm 이하가 바람직하다. As for the particle | grains of the copper metal used for the said hydrogenation reaction or dehydrogenation reaction, 20 nm or less is preferable.

예컨대 구리와 제 2성분으로써 아연 및 제 3성분으로써 알루미나를 사용한 촉매를 사용하여 부티르산을 직접수소화 하여 부탄올을 제조한 경우, 구리계 금속 중 구리의 몰 비율이 줄어들수록 부티르산 전환율과 부탄올 선택도가 선형적으로 증가하며, 이는 구리계 촉매 중 구리 입자가 작아지는 경향성과 일치하며, 낮은 온도영역에서 환원이 잘 될수록 부티르산 직접 수소화에 높은 활성을 나타낸다. 이들 구리계 촉매의 부티르산 전환율과 부탄올 수율은 표 1 및 도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이 구리계 촉매 중 구리 입자 크기가 20 nm 이하일 때 가장 우수함을 알 수 있다.
For example, when butanol was prepared by directly hydrogenating butyric acid using a catalyst using zinc as the second component and alumina as the third component, the butyric acid conversion and butanol selectivity were linear as the molar ratio of copper in the copper metal decreased. It is increased, which is consistent with the tendency of the copper particles in the copper-based catalyst to become smaller, and the better the reduction in the low temperature range, the higher the activity of butyric acid direct hydrogenation. Butyric acid conversion and butanol yield of these copper-based catalysts can be seen that the best when the copper particle size of the copper-based catalyst of 20 nm or less, as can be seen through Table 1 and FIG.

이하, 본 발명의 촉매 제조방법을 실시예 및 비교예를 통하여 보다 자세하게 설명하고자 한다.
Hereinafter, the catalyst production method of the present invention will be described in more detail through Examples and Comparative Examples.

비교예Comparative example 1 :  One : CuZnOCuZnO 촉매의 제조  Preparation of the catalyst

CuZn (Cu:Zn molar ratio = 8:2, 이후 이 촉매를 CZ-82 촉매라 명함)촉매 제조를 위해 초순수 증류수 (저항 18 MΩ이상) 300 ml에 질산 구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 24.8 g, 질산아연 [Zn(NO3)2·6H2O] 7.93 g을 함께 용해시킨 후 1시간 교반하였다. CuZn (Cu: Zn molar ratio = 8: 2, later referred to as CZ-82 catalyst) for the preparation of the catalyst 300 ml of ultrapure distilled water (resistance of 18 MΩ or more) in copper nitrate [Cu (NO 3 ) 2 · 3H 2 O] 24.8 g and zinc nitrate [Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O] 7.93 g were dissolved together and stirred for 1 hour.

교반한 촉매전구체 혼합 용액은 pH 범위 1.0 ~3.0 사이를 나타내며, 이후 촉매전구체 혼합 용액에 1.0 M 농도의 Na2CO3를 1.0 cc/min 의 속도로 pH 4.0~5.0 의 범위가 될 때까지 서서히 가한 후, 1.0 M 농도의 NaOH 용액으로 pH 7.0 가 될 때 까지 1.0 cc/min의 속도로 떨어뜨려 촉매 전구체를 수용액 상에서 침전 시켰다. The stirred catalyst precursor mixed solution exhibited a pH range of 1.0 to 3.0, and then slowly added 1.0 M Na 2 CO 3 to the catalyst precursor mixed solution at a rate of 1.0 cc / min until the pH was in the range of 4.0 to 5.0. Thereafter, the catalyst precursor was precipitated in an aqueous solution by dropping at a rate of 1.0 cc / min until a pH of 7.0 was obtained with a 1.0 M NaOH solution.

침전된 금속 혼합물은 25 oC 조건에서 24시간 교반한 후 물과 촉매 전구체가 충분히 상분리가 일어날 수 있도록 6시간 동안 정치시켰으며, 이후 형성된 촉매 전구체 침전물은 여과를 통한 세척액이 pH 7.0까지 충분히 세척, 여과하여 최종의 금속 촉매를 얻을 수 있었다. 제조된 금속 촉매는 100 oC 에서 24시간 동안 충분히 건조한 후 450 oC 공기 흐름하에 3시간 소성과정을 거쳐 금속산화물 상태로 전환시켰다.
The precipitated metal mixture was stirred at 25 ° C. for 24 hours and allowed to stand for 6 hours to allow sufficient phase separation of water and catalyst precursor. After that, the formed catalyst precursor precipitate was sufficiently washed with filtration to pH 7.0, Filtration gave the final metal catalyst. The prepared metal catalyst was sufficiently dried at 100 ° C. for 24 hours and then calcined under a 450 ° C. air flow for 3 hours to convert to a metal oxide state.

실시예Example 1 :  One : CuZnAlCuZnAl 촉매의 제조 ( Preparation of the catalyst ( AlAl 첨가에 따른 효과) Effect of addition)

비교예 1 CZ-82 촉매에서의 Al 첨가 시 촉매 활성변화를 살펴보기 위해 CuZnAl (Cu:Zn:Al molar ratio =8:1:1, 이후 이 촉매를 CZA-811 촉매라 명함) 촉매를 제조하였다. 촉매는 초순수 증류수 300 ml에 질산 구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 24.8 g, 질산아연 [Zn(NO3)2·6H2O] 3.96 g, 및 질산알루미늄[Al(NO3)2·6H2O] 5.0 g 을 함께 용해시킨 후 1시간 동안 교반하였다. 교반 후, 촉매전구체 혼합 용액에 1.0 M 농도의 Na2CO3를 1.0 cc/min 의 속도로 pH 4.0~5.0의 범위가 될 때까지 서서히 가한 후 1.0 M 농도의 NaOH 용액으로 pH 7.0 가 될 때까지 1.0 cc/min의 속도로 떨어뜨려 촉매 전구체를 수용액 상에서 침전시켰다. Comparative Example 1 A CuZnAl (Cu: Zn: Al molar ratio = 8: 1: 1 catalyst was prepared as a CZA-811 catalyst) to examine the change in catalytic activity when Al was added to the CZ-82 catalyst. . The catalyst of copper nitrate in 300 ml deionized water of distilled water [Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O] 24.8 g, zinc nitrate [Zn (NO 3) 2 · 6H 2 O] 3.96 g, and aluminum nitrate [Al (NO 3) 2 · 6H 2 O] 5.0 g were dissolved together and stirred for 1 hour. After stirring, 1.0 M Na 2 CO 3 was slowly added to the catalyst precursor mixture at a rate of 1.0 cc / min until it was in the range of pH 4.0 to 5.0, and then until pH 7.0 was reached with 1.0 M NaOH solution. The catalyst precursor was precipitated on the aqueous solution at a rate of 1.0 cc / min.

침전된 금속은 비교예 1에서 진행한 방법대로, 세척 여과 및 건조 과정을 거쳐 450 oC 공기 흐름하에 3시간 소성과정을 거쳤다. The precipitated metal was subjected to calcination for 3 hours under a flow of 450 ° C. after washing, filtration and drying, as described in Comparative Example 1.

CuZnAl 촉매계에서 Cu/Zn molar ratio의 변화에 따른 촉매의 활성을 살펴보기 위해 Alumina 양을 고정하고, Cu와 Zn의 ratio를 변화시켜 CuZnAl 촉매를 제조하였다.
CuZnAl catalyst was prepared by fixing the amount of Alumina and changing the ratio of Cu and Zn in order to examine the activity of the catalyst according to the change of Cu / Zn molar ratio in the CuZnAl catalyst system.

실시예Example 2 :  2 : CuCu ,, ZnZn ,, AlAl of molarmolar ratioratio 가 7:2:1인 촉매 제조Preparation of a catalyst at 7: 2: 1

CuZnAl에서 Cu,Zn,Al의 molar ratio가 7:2:1인 촉매(이후, 이 촉매를 CZA-721이라 명함)를 제조하기 위해 초순수 증류수 300 ml에 질산 구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 21.7 g, 질산아연 [Zn(NO3)2·6H2O] 7.9 g, 및 질산알루미늄[Al(NO3)2·6H2O] 5.0 g을 함께 용해시킨 후 1시간 교반하였으며, 비교예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.
To prepare a catalyst having a molar ratio of Cu, Zn, Al in CuZnAl of 7: 2: 1 (hereinafter, referred to as CZA-721), copper nitrate [Cu (NO 3 ) 2 .3H was added to 300 ml of ultrapure distilled water. 2 O] 21.7 g, zinc nitrate [Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O] 7.9 g, and aluminum nitrate [Al (NO 3 ) 2 .6H 2 O] 5.0 g were dissolved together and stirred for 1 hour. A catalyst was prepared in the same manner as in Comparative Example 1.

실시예Example 3:  3: CuCu ,, ZnZn ,, AlAl of molarmolar ratioratio 가 6:3:1인 촉매 제조Preparation of catalysts with 6: 3: 1

CuZnAl에서 Cu,Zn,Al의 molar ratio가 6:3:1인 촉매(이후, 이 촉매를 CZA-631이라 명함)를 제조하기 위해 초순수 증류수 300 ml에 질산 구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 18.6 g, 질산아연 [Zn(NO3)2·6H2O] 11.9 g, 및 질산알루미늄[Al(NO3)2·6H2O] 5.0 g을 함께 용해시킨 후 1시간 교반하였으며, 비교예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.
To prepare a catalyst having a molar ratio of Cu, Zn, Al of CuZnAl in 6: 3: 1 (hereinafter, referred to as CZA-631), copper nitrate [Cu (NO 3 ) 2 .3H in 300 ml of ultrapure distilled water. 2 O] 18.6 g, zinc nitrate [Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O] 11.9 g, and aluminum nitrate [Al (NO 3 ) 2 .6H 2 O] 5.0 g were dissolved together and stirred for 1 hour. A catalyst was prepared in the same manner as in Comparative Example 1.

실시예Example 4:  4: CuCu ,, ZnZn ,, AlAl of molarmolar ratioratio 가 5:4:1인 촉매 제조Preparation of a catalyst with a 5: 4: 1

CuZnAl에서 Cu,Zn,Al의 molar ratio가 5:4:1인 촉매(이후, 이 촉매를 CZA-541이라 명함)를 제조하기 위해 초순수 증류수 300 ml에 질산 구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 15.5 g, 질산아연 [Zn(NO3)2·6H2O] 15.9 g, 및 질산알루미늄[Al(NO3)2·6H2O] 5.0 g을 함께 용해시킨 후 1시간 교반하였으며, 비교예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.
To prepare a catalyst having a molar ratio of Cu, Zn, Al of CuZnAl of 5: 4: 1 (hereinafter, referred to as CZA-541), copper nitrate [Cu (NO 3 ) 2 .3H in 300 ml of ultrapure distilled water. 2 O] 15.5 g, zinc nitrate [Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O] 15.9 g, and aluminum nitrate [Al (NO 3 ) 2 .6H 2 O] 5.0 g were dissolved together and stirred for 1 hour. A catalyst was prepared in the same manner as in Comparative Example 1.

실시예Example 5:  5: CuCu ,, ZnZn ,, AlAl of molarmolar ratioratio 가 4:5:1인 촉매 제조Preparation of catalysts with a 4: 5: 1

CuZnAl에서 Cu,Zn,Al의 molar ratio가 4:5:1인 촉매(이후, 이 촉매를 CZA-451이라 명함)를 제조하기 위해 초순수 증류수 300 ml에 질산 구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 12.4 g, 질산아연 [(NO3)2·6H2O] 19.8 g, 및 질산알루미늄[Al(NO3)2·6H2O] 5.0 g을 함께 용해시킨 후 1시간 교반하였으며, 비교예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.
To prepare a catalyst having a molar ratio of Cu, Zn, Al of CuZnAl in 4: 5: 1 (hereinafter, referred to as CZA-451), copper nitrate [Cu (NO 3 ) 2 .3H in 300 ml of ultrapure distilled water. 2 O] 12.4 g, zinc nitrate [(NO 3 ) 2 · 6H 2 O] and 5.0 g of aluminum nitrate [Al (NO 3 ) 2 .6H 2 O] were dissolved together and stirred for 1 hour. A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1.

실시예Example 6: 침전제로  6: with precipitant NaNa 22 COCO 33 사용 후 after use NaOHNaOH 사용 use

CuZnAl 촉매계에서 침전 시 사용되는 침전제의 종류에 따른 촉매활성 변화를 살펴보기 위해 Na2CO3 사용 후 NaOH를 추가하여 침전제로 각각 사용하여 촉매를 제조하였다. 이 촉매는 전술한 실시예 3에서 Cu/Zn molar ratio 에 따른 CZA 촉매 중 구성 성분비 CZA-631에 해당하는 촉매이다. 이들 침전제는 각각 1.0 M 농도로 제조되었으며, 초순수 증류수 300 ml에 질산 구리 [Cu(NO3)2·3H2O] 18.6 g, 질산아연 [Zn(NO3)2·6H2O] 11.9 g, 및 질산알루미늄[Al(NO3)2·6H2O] 5.0 g을 함께 용해시킨 후 1시간 교반하였다. In order to investigate the change of catalytic activity according to the type of precipitant used in precipitation in CuZnAl catalyst system, Na 2 CO 3 After use, NaOH was added and used as a precipitant, respectively, to prepare a catalyst. This catalyst is the catalyst corresponding to the component ratio CZA-631 in the CZA catalyst according to the Cu / Zn molar ratio in Example 3 described above. The precipitating agent is 1.0 were prepared with M concentration, ultra pure distilled water to 300 ml of copper nitrate [Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O] 18.6 g, zinc nitrate [Zn (NO 3) 2 · 6H 2 O] 11.9 g each, And 5.0 g of aluminum nitrate [Al (NO 3 ) 2 .6H 2 O] were dissolved together and stirred for 1 hour.

여기에 먼저 1.0 M 농도의 Na2CO3를 1.0 cc/min 의 속도로 pH 4.0~5.0 의 범위가 될 때까지 서서히 가한 후, 이어서 1.0 M 농도의 NaOH 용액을 pH 7.0 이 될 때 까지 1.0 cc/min의 속도로 떨어뜨려 촉매 전구체를 수용액 상에서 침전 시켰다. 이후 과정은 비교예 1과 동일하다.
First, 1.0 M Na 2 CO 3 was slowly added at a rate of 1.0 cc / min until the pH was in the range of 4.0 to 5.0, and then 1.0 M NaOH solution was added at 1.0 cc / min until the pH was 7.0. The catalyst precursor was precipitated in aqueous solution by dropping at a rate of min. Since the process is the same as in Comparative Example 1.

실시예Example 7:  7: CZACZA -631 촉매의 -631 of catalyst 공침시Copulation pHpH 를 8.8. 0로With zero 유지 maintain

실시예 3에서 침전제 Na2CO3 사용 후 NaOH를 공침시 pH를 7.0이 될 때까지 1.0 cc/min의 속도로 떨어뜨린 것 대신에 pH를 8.0으로 조정한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시 하였다.
In Example 3, after using the precipitant Na 2 CO 3 NaOH co-precipitation was the same as in Example 3 except that the pH was adjusted to 8.0 instead of dropping at a rate of 1.0 cc / min until the pH is 7.0 Was carried out.

실시예Example 8:  8: CZACZA -631 촉매의 -631 of catalyst 공침시Copulation pHpH 를 9.9. 0로With zero 유지 maintain

실시예 3에서 침전제 Na2CO3 사용 후 NaOH를 공침시 pH를 7.0이 될 때까지 1.0 cc/min의 속도로 떨어뜨린 것 대신에 pH를 9.0으로 조정한 것을 제외 하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다.
After using the precipitant Na 2 CO 3 in Example 3 was the same as in Example 3 except that the pH was adjusted to 9.0 instead of dropping the pH at a rate of 1.0 cc / min until the pH is 7.0 Was carried out.

비교예Comparative example 2 : 침전제  2: precipitant NaOHNaOH 사용  use

실시예 6에서 침전제로 Na2CO3 사용 후 NaOH를 첨가한 것을 대신해 침전제로써 NaOH를 사용하여 pH 7.0 이 될 때까지 1.0 cc/min의 속도로 떨어뜨려 촉매 전구체를 수용액 상에서 침전 시킨 것을 제외하고는 실시예 6과 동일하게 실시하였다.
In Example 6, except that NaOH was added after using Na 2 CO 3 as a precipitant, the catalyst precursor was precipitated in an aqueous solution by dropping at a rate of 1.0 cc / min until pH 7.0 using NaOH as a precipitant. It carried out similarly to Example 6.

비교예Comparative example 3: 침전제  3: precipitant NHNH 33 수용액 사용  Use of aqueous solution

실시예 6에서 침전제로 Na2CO3 사용 후 NaOH를 첨가한 것을 대신해 침전제로써 NH3 수용액 (28~30 wt%)을 사용하여 pH 7.0 이 될 때까지 1.0 cc/min의 속도로 떨어뜨려 촉매 전구체를 수용액 상에서 침전 시킨 것을 제외하고는 실시예 6과 동일하게 실시하였다.
In Example 6, after using Na 2 CO 3 as a precipitant, the catalyst precursor was dropped at a rate of 1.0 cc / min until the pH was 7.0 using an aqueous solution of NH 3 (28-30 wt%) as a precipitant instead of NaOH. Except that was precipitated in an aqueous solution was carried out in the same manner as in Example 6.

실험예Experimental Example 1 :  One : CuCu 계 촉매의 금속  Metal of catalyst CuCu 의 입자 크기, Particle size, 비표면적Specific surface area 및 분산도 And dispersion

CuZn 촉매, CuZnAl-811, CuZnAl-721, CuZnAl-631, CuZnAl-541, CuZnAl-451 촉매의 Cu 입자 크기, 비표면적 및 분산도는 Cu계 촉매를 300 oC에서 2시간 환원한 후, 90 oC 의 조건에서 N2O gas를 흡착 시킨 후 승온 후 탈착되는 N2의 양을 계산하여 측정하였다. Cu particle size, specific surface area and dispersity of CuZn catalyst, CuZnAl-811, CuZnAl-721, CuZnAl-631, CuZnAl-541, CuZnAl-451 catalysts were measured at 90 ° C after reduction of the Cu-based catalyst at 300 ° C for 2 hours. After adsorbing N 2 O gas under the condition of C, the amount of N 2 desorbed after the temperature increase was measured.

표 1은 촉매의 Cu 입자 크기, 비표면적 및 분산도를 나타낸다. CuZn 촉매는 CuZnAl 촉매와 달리 Cu의 크기, 비표면적 및 분산도가 측정되어지지 않았다. 이는 CuZnAl 촉매 제조 시 Al는 Cu의 분산도를 높여주며 Cu가 낮은 온도에서 환원되도록 하는 역할을 하기 때문이다. Al 가 포함되지 않은 촉매는 환원 시 충분히 금속의 Cu 상태로 환원되지 못하고, 측정범위를 넘어설 정도로 큰 Cu 입자가 형성되었다. Table 1 shows the Cu particle size, specific surface area and dispersion of the catalyst. Unlike the CuZnAl catalyst, the CuZn catalyst did not measure the size, specific surface area and dispersion of Cu. This is because Al increases the dispersion of Cu in the production of CuZnAl catalyst and serves to reduce Cu at low temperature. The catalyst containing Al did not sufficiently reduce to the Cu state of the metal at the time of reduction, and formed Cu particles large enough to exceed the measurement range.

Figure pat00001
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Al 함량이 고정된 상태에서 Cu와 Zn의 molar ratio에 따라 Cu 의 입자를 살펴본 결과 Cu 함량이 상대적으로 적을수록 Cu의 입자크기는 선형적으로 줄어들며, 반대로 Cu의 비표면적과 분산도는 상대적으로 증가하는 경향을 알 수 있다. As a result of examining the Cu particles according to the molar ratio of Cu and Zn with the Al content fixed, the particle size of Cu decreases linearly as the Cu content is relatively low, whereas the specific surface area and dispersion of Cu increase relatively. You can see the tendency to do it.

Cu와 Zn 만으로 구성된 촉매와 달리 CZA 촉매는 Cu의 입자 크기가 약 70 nm 이하의 크기로 형성되었으며, Cu/Zn의 molar ratio가 작아질수록 Cu 입자는 작아져 CZA-541 촉매의 경우 Cu 입자의 크기가 약 20 나노미터 이하로 형성되는 것을 확인 할 수 있었다.
Unlike the catalyst composed of only Cu and Zn, the CZA catalyst has a Cu particle size of about 70 nm or less.The smaller the Cu / Zn molar ratio, the smaller the Cu particles. It was confirmed that the size is formed to about 20 nanometers or less.

실험예Experimental Example 2 :  2 : CuCu 계 촉매의  Of catalyst CuCu /Of ZnZn ratioratio 에 따른 수소 환원특성 조사Hydrogen Reduction Characteristics

제조된 CZ 촉매 및 CZA 촉매의 수소 환원특성 조사를 위해 TPR(Temperature Programmed Reduction) 분석을 수행하였다. Cu 촉매는 120 oC에서 50 cc/min 속도 He의 분위기로 1시간 전처리 되었으며, 상온으로 냉각시킨 후 수소 분위기하에서 700 oC 까지 승온하여 촉매의 환원도를 측정하였다. 도 1은 CZ 촉매 및 CZA 촉매의 수소 환원 특성을 나타낸 것이다. 환원 피크의 피크 온도 위치를 살펴보면, CZ 촉매는 CZA 촉매에 비해 높은 온도에서 환원이 되는 것을 확인할 수 있었다. TPR (Temperature Programmed Reduction) analysis was performed to investigate the hydrogen reduction properties of the prepared CZ catalyst and CZA catalyst. The Cu catalyst was pretreated in an atmosphere of 50 cc / min rate He at 120 ° C. for 1 hour. After cooling to room temperature, the Cu catalyst was heated up to 700 ° C. under hydrogen atmosphere to measure the reduction of the catalyst. Figure 1 shows the hydrogen reduction characteristics of the CZ catalyst and CZA catalyst. Looking at the peak temperature position of the reduction peak, it was confirmed that the CZ catalyst is reduced at a higher temperature than the CZA catalyst.

또한, CZA 계열의 촉매에서 Cu/Zn의 ratio가 작을수록 CZA 촉매는 낮은 온도에서 환원되며, 앞선 실시예 1에서 언급한 것처럼 Cu/Zn의 molar ratio가 감소함에 따라 Cu 금속입자의 크기가 줄어드는 것과 같은 경향을 나타낸다. 결과적으로 Cu 금속 입자가 작아질수록 CZA 촉매의 환원되는 온도는 낮아지며, Cu 입자는 Cu와 Zn의 성분비 조절을 통해 Cu 금속의 수소 환원도를 조절할 수 있다.
In addition, the smaller the ratio of Cu / Zn in the CZA-based catalyst, the lower the CZA catalyst at a lower temperature. As mentioned in Example 1, the size of Cu metal particles decreases as the molar ratio of Cu / Zn decreases. Shows the same trend. As a result, the smaller the Cu metal particles, the lower the temperature at which the CZA catalyst is reduced, and the Cu particles can control the hydrogen reduction degree of the Cu metal by controlling the ratio of Cu and Zn.

실험예Experimental Example 3:  3: CZCZ  And CuCu /Of ZnZn 몰 비율을 달리한  Different molar ratios CZACZA 촉매의 부티르산 직접 수소화 반응 Butyric Acid Direct Hydrogenation of Catalyst

상기 제조된 촉매를 부티르산 직접 수소화 반응에 응용하였으며, 도 2는 본 발명의 구리계 촉매의 조성을 달리한 촉매의 부티르산 직접수소화에 반응 결과를 보여준다. 제조된 촉매의 활성은 촉매가 고정된 연속 흐름식 반응기에서 테스트 되었으며, 모든 촉매는 300 oC에서 20 cc/min의 수소 및 400 cc/min의 질소 흐름하에 2 시간동안 환원 전처리된 후, 270 oC, 550 psi에서 400 cc/min의 수소 흐름하에 진행되었다. 또한 촉매 반응은 WHSV=1.2 조건에서 Feed가 반응기내에 공급되었으며, 부티르산이 촉매상에 액체상태(Liquid phase)로 공급되지 않도록 반응물 도입부에 별도의 예열구간이 존재하여 충분히 기화하도록 하였다. The prepared catalyst was applied to a butyric acid direct hydrogenation reaction, and FIG. 2 shows a reaction result for butyric acid direct hydrogenation of a catalyst having a different composition of the copper-based catalyst of the present invention. The activity of the prepared catalyst was tested in a continuous flow reactor in which the catalyst was fixed. All catalysts were reduced pretreated for 2 hours under 20 cc / min of hydrogen and 400 cc / min of nitrogen at 300 ° C., followed by 270 o C, under a hydrogen flow of 400 cc / min at 550 psi. In the catalytic reaction, feed was supplied into the reactor under the condition of WHSV = 1.2, and a separate preheating section existed at the inlet of the reactant so that butyric acid was not supplied in the liquid phase on the catalyst.

Alumina가 포함되지 않은 CZ-82 촉매는 금속 입자가 크고, 촉매의 활성 면적이 작아 부티르산의 전환율이 낮고, 촉매 성능이 급격히 비활성화되는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 Alumina가 첨가된 촉매의 경우 Cu 입자의 크기가 상대적으로 작고, Cu의 비표면적이 높아 부티르산의 전환율과 부탄올 선택도가 높게 나타났다. 이는 Alumina가 Cu 금속의 비표면적을 늘리기 위한 분산제 역할을 하는 것이며, CZA 촉매의 경우, molar ratio가 줄어들수록 부티르산 전환율과 부탄올 선택도가 선형적으로 증가하였으며, 이는 CZA 촉매의 Cu 입자가 작아지는 경향성과 일치하며, 낮은 온도영역에서 환원이 잘 될수록 부티르산 직접수소화에 높은 활성을 갖는 것을 확인하였다. The CZ-82 catalyst without alumina had large metal particles, a small active area of the catalyst, low conversion of butyric acid, and rapid deactivation of catalyst performance. On the other hand, in the case of alumina-added catalysts, Cu particles were relatively small in size, and Cu had a high specific surface area, indicating high conversion of butyric acid and butanol selectivity. Alumina acts as a dispersant to increase the specific surface area of Cu metals. For CZA catalysts, butyric acid conversion and butanol selectivity increased linearly as the molar ratio decreased. It was confirmed that the lower the temperature range, the better the reduction in the butyric acid direct hydrogenation.

CZA-541 촉매와 CZA-451 촉매는 Cu 입자크기가 모두 20 nm 이하로 부티르산 전환율과 부탄올 수율이 다른 CZA 촉매에 비해 우수한 특성을 나타내었다. 하지만, 입자 크기가 상대적으로 작은 CZA-451 촉매에 비하여 입자 크기는 크지만 Cu 함량이 상대적으로 높은 CZA-541 촉매가 내구성 면에 있어서 우수한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. Both the CZA-541 catalyst and the CZA-451 catalyst exhibited superior characteristics compared to other CZA catalysts with different butyric acid conversions and butanol yields with Cu particle sizes of 20 nm or less. However, it was confirmed that the CZA-541 catalyst having a larger particle size but a higher Cu content than the CZA-451 catalyst having a relatively small particle size showed excellent characteristics in terms of durability.

부티르산의 직접수소화 반응에 있어서 촉매활성은 부티르산내에 존재하는 Carbonyl group의 활성화를 높여 주어야 하며, 이러한 Carbonyl group을 활성화함에 있어 금속 Cu 크기 이외에도 Cu의 높은 수소 환원 특성이 촉매활성에 중요한 영향을 미친다. In the direct hydrogenation of butyric acid, catalytic activity should enhance the activation of carbonyl groups in butyric acid. In addition to the metal Cu size, the high hydrogen reduction properties of Cu have an important effect on catalytic activity.

이에 CZA-541 촉매는 CZA-451에 비하여 Cu의 함량이 상대적으로 높고, Cu, Zn, Al가 이루는 구조에 있어서 부티르산에 대한 내구성이 뛰어난 것으로 판단된다. 이러한 예는 Cu의 함량을 낮추어 Cu 입자의 크기를 수 나노미터 사이즈까지 작게 촉매를 제조하여 테스트해보면 Cu 입자의 크기를 작게 하는 데는 성공할 수 있지만, 부티르산내의 Carbonyl group을 활성화하는 능력은 떨어져 부티르산 직접 수소화 반응에는 촉매 성능이 떨어지는 현상을 관찰할 수 있었다.
Accordingly, the CZA-541 catalyst has a higher Cu content than CZA-451, and is superior in durability to butyric acid in the structure of Cu, Zn, and Al. This example can be successful in reducing the size of Cu particles by lowering the Cu content and producing catalysts with a smaller Cu particle size down to several nanometers. However, the ability to activate carbonyl groups in butyric acid is reduced, resulting in direct hydrogenation of butyric acid. In the reaction, the phenomenon of deterioration of the catalyst performance was observed.

실험예Experimental Example 4 : 침전제 종류에 따른 구리계 촉매의 입자 크기 변화 조사 4: Investigation of particle size change of copper catalyst according to the type of precipitant

CZA-631 촉매를 제조함에 있어 침전제의 종류에 따라 촉매를 달리제조 한 후 부티르산의 직접 수소화 반응에 사용하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 촉매반응 조건은 WHSV=1.2인 것을 제외한 실험예 3과 모든 조건은 동일하며 1.0 M의 NaOH 침전제로 사용한 경우와 1.0 M 의 NH3 aqueous solution을 사용한 촉매의 경우, Cu 금속의 입자 크기가 100 nm 미터크기 이상으로 제조 되었으며, 1.0 M의 Na2CO3 와 NaOH를 침전제로 제조한 촉매 경우, 금속 Cu의 입자 크기가 20 nm 이하로 고분산 되어 제조되었다. In preparing the CZA-631 catalyst, the catalyst was prepared according to the type of precipitant, and used for the direct hydrogenation of butyric acid. The results are shown in Table 2. The catalytic reaction conditions were the same as in Experiment 3 except that WHSV = 1.2, and the Cu metal particles had a particle size of 100 nm in the case of 1.0 M NaOH precipitant and 1.0 M NH 3 aqueous solution. Manufactured to size and above 1.0 M Na 2 CO 3 In the case of the catalyst prepared with NaOH as a precipitant, the particle size of the metal Cu was highly dispersed to 20 nm or less.

이는 Cu, Zn. Al의 전구체가 침전될 때, 균일하게 구조를 형성하는 것으로 판단된다. 이와 달리 1.0 M의 NaOH를 침전제로 사용하는 경우, 침전과정에서 Cu, Zn, Al 금속이 급격하게 침전되어, 금속입자들이 불균일하게 섞이게 되는 현상을 확인할 수 있었다. 또한 NH3 aqueous solution을 침전제로 사용하는 경우 공침과 숙성과정을 거치는 동안 pH가 일정하게 유지되지 못하는 현상을 관찰할 수 있었다. This is Cu, Zn. When the precursor of Al precipitates, it is judged to form a structure uniformly. On the other hand, when 1.0 M NaOH was used as a precipitant, Cu, Zn, and Al metals precipitated rapidly during the precipitation process, so that the metal particles were mixed unevenly. In addition, when the NH 3 aqueous solution was used as a precipitant, the pH could not be kept constant during the coprecipitation and aging process.

이러한 제조 과정에서 Cu,Zn,Al 간의 불균일한 구조형성과 pH 변화로 인해 Cu 입자의 크기가 작게 형성되지 못하였을 것으로 판단되며, 이러한 영향으로 인해 부티르산 직접수소화 반응을 통해 NaOH 와 NH3 aqueous solution을 침전제로 사용한 경우 낮은 부탄올 수율을 나타내었다. In this manufacturing process, Cu particles could not be formed small due to non-uniform structure formation and pH change between Cu, Zn and Al. Due to these effects, NaOH and NH 3 aqueous solutions were dissolved through butyric acid direct hydrogenation. When used as a precipitant it showed a low butanol yield.

Figure pat00002
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실험예Experimental Example 5 : 침전시  5: when settling pHpH 에 따른 구리계 촉매의 입자 크기 변화 조사Of particle size change of copper catalyst

침전 시 pH를 달리하여 제조한 CZA-631 촉매를 제조한 결과는 표 3에 나타내었다. 제조된 촉매는 실시예 3과 동일한 반응조건에서 진행되었으며, pH=9.0 조건에서 침전한 촉매의 경우 높은 촉매 활성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 공침 시 금속전구체의 pH는 금속 성분들이 상호 결합하여 일정한 구조 형성에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있으며, pH=9.0 이상의 범위에서 제조된 촉매의 경우, pH가 높아짐에 따라 침전된 전구체가 다시 수용액 상으로 해리되는 현상이 나타나며 최종적으로 얻어지는 촉매의 양도 상대적으로 적은 것을 확인하였다. Table 3 shows the results of preparing the CZA-631 catalyst prepared by varying the pH during precipitation. The prepared catalyst was carried out under the same reaction conditions as in Example 3, and it was confirmed that the catalyst precipitated under the pH = 9.0 condition exhibited high catalytic activity. The pH of the metal precursor during coprecipitation is known to have a significant effect on the formation of a certain structure by the mutual coupling of the metal components, and in the case of a catalyst prepared in the range of pH = 9.0 or more, the precipitated precursor is returned to the aqueous phase as the pH is increased. The dissociation phenomenon appeared and it was confirmed that the amount of the finally obtained catalyst is also relatively small.

Figure pat00003
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Claims (8)

구리 전구체인 제 1 성분, 전이금속, 알칼리 토금속, IIIb족 성분으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 2 성분 전구체 및 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 마그네시아, 티타니아, 지르코니아, 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 제 3 성분 전구체를 수용액에 용해한 후 교반하는 단계; 상기 교반에서 얻어진 혼합 용액을 Na2CO3 및 NaOH를 사용하여 촉매 전구체 침전물로 침전시키는 단계: 및 상기 형성된 촉매 전구체 침전물을 세척 및 여과시키는 단계를 포함하는 나노미터 크기의 구리계 촉매의 제조방법. At least one second component precursor selected from the group consisting of a copper precursor, a first component, a transition metal, an alkaline earth metal, and a group IIIb component and 1 selected from the group consisting of alumina, silica, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, and carbon Dissolving at least three third component precursors in an aqueous solution and then stirring; Precipitating the mixed solution obtained by the stirring to the catalyst precursor precipitate using Na 2 CO 3 and NaOH: and washing and filtering the formed catalyst precursor precipitate. 제 1항에 있어서, 구리 전구체 및 제 2 성분 전구체의 비율은 구리 대 제 2 성분 비율로 환산하여, 구리를 기준으로 제 2 성분의 몰 비율이 0.4 내지 3.5 인 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 구리계 촉매의 제조방법. The nanometer sized copper of claim 1, wherein the ratio of the copper precursor and the second component precursor is in terms of copper to second component ratio, wherein the molar ratio of the second component is 0.4 to 3.5 based on copper. Method for producing a catalyst. 제 1항에 있어서, 상기 전이금속은 Zn, Co, Ni, Cr, Fe, Zn. Co, Ni, Cr, Fe, Mo, Nb, Mn, Pt, Pd, Rh, Ru, 알칼리 토금속은 Mg, Ca, Sr, Ba, IIIb 족 성분은 Ga인 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 구리계 촉매의 제조방법. The method of claim 1, wherein the transition metal is Zn, Co, Ni, Cr, Fe, Zn. Nanometer sized copper-based catalysts characterized in that Co, Ni, Cr, Fe, Mo, Nb, Mn, Pt, Pd, Rh, Ru, and alkaline earth metals are Mg, Ca, Sr, Ba, and IIIb group Ga Manufacturing method. 제 1항에 있어서, 상기 침전시키는 단계의 pH는 5.0 내지 11.0인 것을 특징으로 하는 나노미터 크기의 구리계 촉매의 제조방법. The method of claim 1, wherein the pH of the precipitation step is a method for producing a nanometer sized copper-based catalyst, characterized in that 5.0 to 11.0. 제 1항의 제조방법에 따른 나노미터 크기의 구리계 촉매.Nanometer size copper-based catalyst according to the method of claim 1. 제 5항에 있어서, 상기 구리계 촉매는 20 nm 이하인 것을 특징으로 하는 구리계 촉매.6. The copper catalyst of claim 5, wherein the copper catalyst is 20 nm or less. 수소화 반응 또는 탈수소화 반응에 사용되는 제 5항의 촉매. The catalyst of claim 5 used in hydrogenation or dehydrogenation. 제 7항에 있어서, 상기 수소화 반응 또는 탈수소화 반응은 수성가스화 전환반응 (Water-gas shift reaction), 메탄올로부터 수소를 생산하는 메탄올 개질공정 (Methanol reforming), 수소와 이산화탄소로부터 메탄올을 합성하는 이산화탄소 수소화 공정 (CO2 hydrogenation), 염소가 포함된 탄화수소에서 염소를 제거하는 수첨 탈염소 반응 (Hydro-dechlorination) 또는 1,4 부탄다이올(1,4- BDO)로부터 감마 부티로락탄(γ-Butyrolactone)을 생성하는 반응인 것을 특징으로 하는 제 5항의 촉매. The method of claim 7, wherein the hydrogenation or dehydrogenation reaction comprises a water-gas shift reaction, methanol reforming to produce hydrogen from methanol, and carbon dioxide hydrogenation to synthesize methanol from hydrogen and carbon dioxide. Process (CO 2 hydrogenation), hydro-dechlorination to remove chlorine from chlorine-containing hydrocarbons or gamma-butyrolactone from 1,4-butanediol (1,4-BDO) The catalyst of claim 5, wherein the reaction is to generate a reaction product.
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