KR20130129739A - Mixed oxide catalysts with ordered mesopores, method of preparing the same and method of producing ester compounds using the same - Google Patents

Mixed oxide catalysts with ordered mesopores, method of preparing the same and method of producing ester compounds using the same Download PDF

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Abstract

The present invention provides a complex oxide catalyst having cylindrical regular mesopores and excellent acid characteristics and a manufacturing method thereof. A complex oxide catalyst according to the concrete example of the present invention includes tungsten oxide, zirconium oxide, and silicon oxide. The atomic fraction of the tungsten and the silicon is 0.1/1-0.14/1, and the atomic fraction of the zirconium and the silicon is 0.1/1-0.14/1. Moreover, the present invention provides a method for effectively manufacturing a high-value ester compound from ethanol and a carboxylic acid compound using the complex oxide catalyst. [Reference numerals] (AA) Example 1;(BB) Example 2;(CC) Example 3;(DD) Comparative example 2;(EE) Comparative example 3

Description

균일한 중형 기공을 갖는 복합 산화물 촉매, 그 제조 방법 및 상기 촉매를 이용하여 에스테르 화합물을 제조하는 방법 {Mixed Oxide Catalysts with Ordered Mesopores, Method of Preparing the Same and Method of Producing Ester Compounds Using the Same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite oxide catalyst having a uniform mesopore, a method for producing the catalyst, and a method for producing an ester compound using the catalyst,

본 발명은 균일한 중형 기공을 갖는 복합 산화물 촉매, 그 제조 방법 및 상기 촉매를 이용하여 알코올 화합물과 카르복실산 화합물로부터 에스테르 화합물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공(ordered mesopores)을 가지며, 지르코늄 산화물과 텅스텐 산화물의 클러스터에서 기인하는 우수한 산 특성을 보유하고 있기 때문에, 다양한 산 촉매 반응에 사용될 수 있는 새로운 복합 산화물 촉매 및 상기 촉매를 효과적으로 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 촉매를 이용하여 바이오매스 자원에서 많이 얻어지는 알코올과 카르복실산 화합물로부터 고부가가치 에스테르 화합물을 제조할 수 있는 방법을 제공한다.The present invention relates to a composite oxide catalyst having uniform mesopores, a process for producing the catalyst, and a process for producing an ester compound from an alcohol compound and a carboxylic acid compound using the catalyst. More specifically, the present invention has ordered mesopores in a cylindrical form and has excellent acid character attributed to clusters of zirconium oxide and tungsten oxide, so that a new compound An oxide catalyst and a method for effectively producing the catalyst. The present invention also provides a method for producing a high-value-added ester compound from an alcohol and a carboxylic acid compound obtained from a large amount of biomass resources using the catalyst.

산 촉매 물질은 탈수(dehydration), 이성질화(isomerization), 분해(cracking), 에스테르화(esterification) 등과 같은 다양한 화학 반응에서 널리 사용되고 있다. 특히, 고체 산 촉매는 무기산(황산, 염산, 질산 등)과 같은 균일계 촉매가 야기하는 환경오염과 분리 공정의 어려움을 해결할 수 있기 때문에, 많은 연구의 대상이 되어왔다. 그리고 최근 들어 석유, 석탄과 같은 화석 자원 대신 재생가능하고 청정한 바이오매스 자원을 활용하려는 노력이 증가하면서, 고체 산 촉매의 중요성이 더욱 부각되었다. 이는 고체 산 물질이 가수분해(hydrolysis), 탈수(dehydration), 수소화분해(hydrogenolysis) 등과 같이 바이오매스의 높은 O/C 비율을 낮추어 고부가가치 연료와 화합물로 전환하는 반응들을 촉진할 수 있기 때문이다.Acid catalyst materials are widely used in various chemical reactions such as dehydration, isomerization, cracking, esterification, and the like. In particular, solid acid catalysts have been the subject of much research because they can solve environmental pollution caused by homogeneous catalysts such as inorganic acids (sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, etc.) and difficulties in separation process. In recent years, the importance of solid acid catalysts has increased, as efforts to utilize renewable and clean biomass resources instead of fossil resources such as petroleum and coal have increased. This is because solid acid materials can promote the conversion of high-value fuels and compounds by lowering the high O / C ratio of biomass such as hydrolysis, dehydration, and hydrogenolysis.

하지만 지금까지 연구된 고체 산 촉매들은 대부분 일정한 한계점을 가지고 있다. 예를 들어, 대표적인 고체 산 촉매인 제올라이트는 기공의 크기가 매우 작기 때문에 셀룰로오스와 같이 분자량이 큰 물질의 반응에는 사용하기 어렵다. 또한 초 강산 물질이라고 알려진 황산화 지르코니아(sulfated zirconia) 촉매는 반응 중에 휘발성 황 오염물질을 배출하며, 촉매 활성이 쉽게 저하되는 단점이 있다. 아울러 우수한 산 특성과 함께 산화환원 반응 등에도 많이 이용되는 헤테로폴리산은 수용액에서 쉽게 침출(leach)되는 문제점이 있다.However, most of the solid acid catalysts studied so far have certain limitations. For example, zeolite, which is a typical solid acid catalyst, is difficult to use for the reaction of a substance having a large molecular weight such as cellulose because the pore size is very small. Sulfated zirconia catalysts, also known as super strong acids, release volatile sulfur contaminants during the reaction and have a disadvantage in that the catalytic activity is easily lowered. In addition, heteropoly acid, which is widely used for redox reaction as well as excellent acid characteristics, is easily leached from an aqueous solution.

한편, 텅스텐 산화 지르코늄(tungstated zirconia, WOx/ZrO2) 촉매는 강한 산 세기와 함께 저온에서도 알칸 화합물의 이정질화 반응에 높은 활성을 보인다는 것이 발견된 이후, 새로운 고체 산 물질로 각광을 받아 왔다. 특히 텅스텐 산화 지르코늄 촉매는 고온 안정성과 화학적 안정성이 우수하여, 다양한 공정에 활용하려는 노력이 계속되고 있다. 하지만, 기존의 텅스텐 산화 지르코늄 촉매는 산 특성을 나타내는 지르코늄과 텅스텐 산화물의 클러스터(Zr-WOx)를 높은 밀도로 형성하는 것이 어렵고, 비표면적이 작기 때문에 액상 반응에 활용하기 어렵다는 단점이 있다.On the other hand, tungstated zirconia (WO x / ZrO 2 ) catalyst has been attracting attention as a new solid acid substance after it has been found to exhibit high activity in the azeotropic reaction of alkane compounds at low temperature with strong acid strength . In particular, tungsten oxide zirconium oxide catalysts are excellent in high temperature stability and chemical stability, and efforts to utilize them in various processes are continuing. However, the conventional tungsten oxide zirconium catalyst has a disadvantage that it is difficult to form clusters of zirconium and tungsten oxide (Zr-WO x ) exhibiting acid characteristics at a high density, and it is difficult to utilize the zirconium and tungsten oxide clusters for liquid phase reaction because of their small specific surface area.

이에 본 발명자들은 이러한 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여, 순차적인 가수분해 반응(sequential hydrolysis)을 통해 지르코늄, 텅스텐 및 실리콘 산화물을 균일하게 복합함으로써, 규칙적인 기공 구조와 고밀도의 지르코늄-텅스텐 산화물 클러스터(Zr-WOx)를 갖는 새로운 중형 기공성 복합 산화물 촉매 및 그 제조 방법을 개발하게 되었다.In order to overcome the disadvantages of the prior art, the present inventors have found that by uniformly combining zirconium, tungsten and silicon oxide through sequential hydrolysis, the zirconium-tungsten oxide clusters Zr-WO x ) and a process for preparing the same.

아울러 본 발명자들은 상기 복합 산화물 촉매를 이용하여 바이오매스 자원의 발효 과정 등에서 다량으로 발생하는 알코올과 카르복실산 화합물을 고부가가치 에스테르 화합물로 전환할 수 있는 새로운 공정을 개발하였다.In addition, the present inventors have developed a new process for converting an alcohol and a carboxylic acid compound generated in a fermentation process of biomass resources into a high-value-added ester compound using the above-mentioned composite oxide catalyst.

본 발명의 목적은 규칙적인 중형 기공, 넓은 비표면적 및 우수한 산 특성을 갖는 새로운 복합 산화물 촉매를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a new composite oxide catalyst having regular mesopores, broad specific surface area and excellent acid properties.

본 발명의 다른 목적은 고밀도의 지르코늄-텅스텐 산화물 클러스터를 갖는 복합 산화물 촉매를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a composite oxide catalyst having a high-density zirconium-tungsten oxide cluster.

본 발명의 또 다른 목적은 순차적인 가수분해 반응을 이용하여 상기 촉매를 효과적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for efficiently producing the catalyst using a sequential hydrolysis reaction.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 촉매를 이용하여 바이오매스 자원으로부터 다량으로 얻어지는 알코올과 카르복실산 화합물을 고부가가치 에스테르 화합물로 전화할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for converting alcohols and carboxylic acid compounds obtained from biomass resources into high value-added ester compounds using the catalyst.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은 아래에 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved by the present invention described in detail below.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 구체예에 따른 복합 산화물 촉매는 텅스텐 산화물, 지르코늄 산화물 및 실리콘 산화물을 포함하고, 텅스텐/실리콘의 원자 비율이 0.1/1 ~ 0.14/1이며, 지르코늄/실리콘의 원자 비율이 0.01/1 ~ 0.14/1이고, 원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공을 갖는다.In order to achieve the above object, the present invention provides a composite oxide catalyst comprising tungsten oxide, zirconium oxide and silicon oxide, wherein the atomic ratio of tungsten / silicon is 0.1 / 1-0.14 / 1, the zirconium / The atomic ratio of silicon is 0.01 / 1 to 0.14 / 1, and the regular mesopores of the cylindrical shape are regular.

상기 복합 산화물 촉매는 0.1/1 ~ 0.9/1의 지르코늄/텅스텐의 원자 비율을 가질 수 있다.The composite oxide catalyst may have an atomic ratio of zirconium / tungsten of 0.1 / 1 to 0.9 / 1.

상기 복합 산화물 촉매는 400 m2/g 이상의 비표면적, 보다 구체적으로는 400~700 m2/g의 비표면적을 가질 수 있다.The composite oxide catalyst may have a specific surface area of 400 m 2 / g or more, more specifically, a specific surface area of 400 to 700 m 2 / g.

상기 중형 기공의 평균 지름은 4 ~ 8 nm일 수 있다.The average diameter of the mesopores may be between 4 and 8 nm.

본 발명의 다른 구체예에 따른 복합 산화물 촉매의 제조 방법은 계면활성제를 포함하는 산성 수용액에 지르코늄 전구체를 포함하는 알코올 용액을 적가하여 1차 혼합하는 단계, 상기 1차 혼합액에 텅스텐 전구체를 포함하는 수용액을 적가하여 2차 혼합하는 단계, 상기 2차 혼합액에 실리카 전구체를 혼합하는 단계, 상기 실리카 전구체가 혼합된 혼합액을 가열하여 현탁액을 만드는 단계, 상기 현탁액을 여과 및 건조하는 단계 및 상기 건조물을 산소 분위기에서 소성하는 단계를 포함한다.The method for preparing a composite oxide catalyst according to another embodiment of the present invention comprises the steps of adding an alcohol solution containing a zirconium precursor dropwise to an acidic aqueous solution containing a surfactant and then mixing the aqueous solution in an aqueous solution containing a tungsten precursor Adding a silica precursor to the secondary mixed solution, heating the mixed solution mixed with the silica precursor to make a suspension, filtering and drying the suspension, and drying the dried product in an oxygen atmosphere Lt; / RTI >

본 발명의 또 다른 구체예에 따른 에스테르 화합물의 제조 방법은 상기 복합 산화물 촉매의 존재 하에서, 알코올 화합물과 카르복실산 화합물을 반응시키는 단계를 포함하여 이루어진다.The method for producing an ester compound according to another embodiment of the present invention comprises reacting an alcohol compound and a carboxylic acid compound in the presence of the complex oxide catalyst.

상기 알코올 화합물은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The alcohol compound may be methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, or a mixture thereof.

상기 카르복실산 화합물은 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로판산(propionic acid), 부탄산(butanoic acid) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
The carboxylic acid compound may be formic acid, acetic acid, propionic acid, butanoic acid or a mixture thereof.

본 발명의 구체예에 따른 복합 산화물 촉매는 원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공과 넓은 비표면적을 가지며, 동시에 우수한 산 특성을 보유하기 때문에, 바이오매스 자원의 액상 반응에서 뛰어난 산 촉매 성능을 나타낼 수 있다. 그리고 상기 복합 산화물 촉매는 산 특성을 나타내는 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터를 높은 밀도로 포함하는 장점을 갖는다.The complex oxide catalyst according to the embodiment of the present invention can exhibit excellent acid catalytic performance in the liquid phase reaction of biomass resources because it has a regular mesopore in the form of a cylinder and a wide specific surface area and at the same time possesses excellent acidic characteristics. The composite oxide catalyst has an advantage that it contains clusters of zirconium-tungsten oxide exhibiting acid characteristics at high density.

또한 상기 복합 산화물 촉매는 바이오매스 자원으로부터 다량으로 얻어지는 알코올과 카르복실산 화합물로부터 고부가가치 에스테르 화합물을 효과적으로 생산할 수 있다.In addition, the composite oxide catalyst can effectively produce a high-value-added ester compound from an alcohol and a carboxylic acid compound obtained from a large amount of biomass resources.

아울러, 본 발명의 다른 구체예에 따른 복합 산화물 촉매의 제조 방법은 순차적인 가수분해 방법을 통해 규칙적인 중형 기공과 넓은 비표면적 및 우수한 산 특성을 갖는 새로운 복합 산화물 촉매를 제조할 수 있어, 매우 효과적이다.
In addition, the method for preparing a composite oxide catalyst according to another embodiment of the present invention can produce a new composite oxide catalyst having regular mesopores, wide specific surface area and excellent acid characteristics through sequential hydrolysis, to be.

도 1은 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조한 촉매의 투과 전자 현미경 사진이다.
도 2는 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조한 촉매의 질소 흡탈착 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조한 촉매의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4은 실시예 4~6 및 비교에 3~6의 반응 실험에서 나타난 부틸아세테이트의 수율을 비교한 그래프이다.
1 is a transmission electron microscope photograph of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
2 is a graph showing the results of nitrogen adsorption / desorption analysis of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
3 is a graph showing X-ray diffraction patterns of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
4 is a graph comparing yields of butyl acetate in Examples 4 to 6 and Comparative Experiments 3 to 6.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구체예 및 실시예에 따른 균일한 중형 기공을 갖는 복합 산화물 촉매, 그 제조 방법 및 이를 이용하여 에스테르 화합물을 제조하는 방법을 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기의 구체예 및 실시예에 의해 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있는 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a composite oxide catalyst having uniform mesopores according to embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, a method for producing the same, and a method for producing an ester compound using the same. However, it is to be understood that the invention is not limited to the specific embodiments described below, and that those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. It should be understood that water and variations may be present.

아울러 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
In addition, the terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should appropriately define the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that it can.

균일한 중형 기공을 갖는 복합 산화물 촉매Composite oxide catalysts with homogeneous mesopores

본 발명에 따른 복합 산화물 촉매는 텅스텐 산화물, 지르코늄 산화물 및 실리콘 산화물을 포함하며, 원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공을 갖는다. 텅스텐 산화 지르코늄(WOx/ZrO2) 촉매는 지르코늄과 텅스텐 산화물이 유기적으로 결합된 클러스터(Zr-WOx)가 산점으로 작용한다고 알려져 있다. 하지만 기존의 텅스텐 산화 지르코늄 촉매는 기공이 거의 없고 비표면적이 매우 작기 때문에, 산 촉매 성능이 높지 못하며, 액상 반응에서 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 이에 넓은 표면적을 갖는 담체 등을 이용하여 촉매의 성능을 향상시키려는 노력 등이 계속되었지만, 산 특성(산점의 세기와 양)을 결정하는 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터를 담체 위에 형성하는 것이 용이하지 않았다.The composite oxide catalyst according to the present invention comprises tungsten oxide, zirconium oxide and silicon oxide and has regular mesopores in the form of cylinders. It is known that a tungsten oxide zirconium oxide (WO x / ZrO 2 ) catalyst acts as a acid point in a cluster (Zr-WO x ) in which zirconium and tungsten oxide are organically bound. However, the conventional tungsten oxide zirconium catalyst has a low pore size and a very small specific surface area, so that the acid catalyst performance is not high and it is difficult to use in the liquid phase reaction. However, it has not been easy to form clusters of zirconium-tungsten oxide on the carrier to determine the acid characteristics (intensity and amount of acid sites) of catalysts.

본 발명에 따른 복합 산화물 촉매는 중형 기공을 만드는데 유리한 실리콘 산화물을 텅스텐 산화물 및 지르코늄 산화물과 균일하게 복합함으로써, 원기둥 형태의 균일한 중형 기공을 가지며, 동시에 높은 밀도의 지르코늄-텅스텐 산화물 클러스터를 보유한다.The composite oxide catalyst according to the present invention uniformly combines silicon oxide, which is advantageous for making mesopores, with tungsten oxide and zirconium oxide, and thus has a uniform pore size in the form of cylinders, and at the same time a zirconium-tungsten oxide cluster having a high density.

상기 복합 산화물 촉매는 텅스텐(W)/실리콘(Si)의 원자 비율이 0.1/1 ~ 0.14/1이며, 지르코늄(Zr)/실리콘(Si)의 원자 비율이 0.01/1 ~ 0.14/1인 것이 바람직하다. 상기 텅스텐/실리콘의 원자 비율이 0.1/1 미만이고, 지르코늄/실리콘의 원자 비율이 0.01/1 미만이면, 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터가 잘 형성되지 않아 산 특성을 나타내기 어렵다. 또한 텅스텐/실리콘의 원자 비율이 0.14/1을 초과하고, 지르코늄/실리콘의 원자 비율이 0.14/1을 초과하면 원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공을 갖기 어려우며 비표면적이 저하되는 단점이 있다.The complex oxide catalyst preferably has an atomic ratio of tungsten (W) / silicon (Si) of 0.1 / 1 to 0.14 / 1 and an atomic ratio of zirconium (Zr) / silicon (Si) of 0.01 / Do. If the atomic ratio of tungsten / silicon is less than 0.1 / 1 and the atomic ratio of zirconium / silicon is less than 0.01 / 1, clusters of zirconium-tungsten oxide are not formed well and it is difficult to show acid characteristics. Further, when the atomic ratio of tungsten / silicon exceeds 0.14 / 1 and the atomic ratio of zirconium / silicon exceeds 0.14 / 1, it is difficult to have regular mesopores in a cylindrical shape and the specific surface area is lowered.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 복합 산화물 촉매는 산 특성과 규칙적인 기공 구조를 더욱 향상시키기 위해서 0.1/1 ~ 0.9/1의 지르코늄/텅스텐 원자 비율을 갖는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the composite oxide catalyst preferably has a zirconium / tungsten atomic ratio of 0.1 / 1 to 0.9 / 1 in order to further improve acid characteristics and regular pore structure.

상기 복합 산화물 촉매는 넓은 비표면적을 갖는다. 촉매 작용은 표면에서 이루어지기 때문에 비표면적이 넓을수록 촉매 반응에 유리하다. 따라서 비표면적의 상한 값은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 구체예에서, 상기 복합 산화물 촉매는 350 m2/g 이상, 구체적으로는 400~700m2 의 비표면적을 갖는다.The composite oxide catalyst has a large specific surface area. Since the catalytic action is carried out on the surface, the larger the specific surface area, the more favorable the catalytic reaction. Therefore, the upper limit value of the specific surface area is not particularly limited. In an embodiment of the present invention, the composite oxide catalyst has a specific surface area of 350 m 2 / g or more, specifically 400 to 700 m 2 .

또한 상기 복합 산화물 촉매는 우수한 비표면적과 함께 넓은 중형 기공을 갖기 때문에 액상 반응에서도 우수한 촉매 성능을 발휘할 수 있다. 본 발명의 구체예에서, 상기 복합 산화물 촉매가 갖는 중형 기공의 평균지름은 3.5 nm 이상, 구체적으로는 4 ~ 8 nm이다.In addition, since the composite oxide catalyst has a large specific pore size and a wide mesopore size, it can exhibit excellent catalytic performance even in a liquid phase reaction. In an embodiment of the present invention, the average diameter of the mesopores of the composite oxide catalyst is 3.5 nm or more, specifically 4 to 8 nm.

균일한 중형 기공을 갖는 복합 산화물 촉매의 제조 방법METHOD FOR MANUFACTURING COMPOSITE OXIDE CATALYSTS WITH MULTIPLE MIG POTS

본 발명에 따른 복합 산화물 촉매의 제조 방법은 균일한 중형 기공 구조를 만들면서 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터를 높은 밀도로 형성하기 위하여, 계면활성제의 존재 하에, 지르코늄 전구체, 텅스텐 전구체 및 실리카 전구체를 순차적으로 가수분해 및 축합 반응시킨다.In order to form a cluster of zirconium-tungsten oxide at a high density while making a uniform mesoporous structure, a method of preparing a composite oxide catalyst according to the present invention is a method in which a zirconium precursor, a tungsten precursor and a silica precursor are sequentially Hydrolysis and condensation reaction.

상기 복합 산화물 촉매의 제조 방법은 계면활성제를 포함하는 산성 수용액에 지르코늄 전구체를 포함하는 알코올 용액을 적가(drop-wise)하여 1차 혼합하는 단계, 상기 1차 혼합액에 텅스텐 전구체를 포함하는 수용액을 적가(drop-wise)하여 2차 혼합하는 단계, 상기 2차 혼합액에 실리카 전구체를 혼합하는 단계, 상기 실리카 전구체가 혼합된 혼합액을 가열하여 현탁액을 만드는 단계, 상기 현탁액을 여과 및 건조하는 단계 및 상기 건조물을 산소 분위기에서 소성하는 단계를 포함하여 이루어진다.The method for preparing the composite oxide catalyst comprises the steps of: dropwise adding an alcoholic solution containing a zirconium precursor to an acidic aqueous solution containing a surfactant, and mixing the aqueous solution with the aqueous solution containing a tungsten precursor in the primary mixed solution; mixing the silica precursor with the second mixed solution, heating the mixed solution mixed with the silica precursor to make a suspension, filtering and drying the suspension, In an oxygen atmosphere.

구체적으로, 먼저 계면활성제를 산성 수용액에 녹인 용액과 지르코늄 전구체를 알코올에 녹인 용액을 각각 준비한다. 상기 계면활성제는 자기조립(self-assembly)을 통해 미셀(micelle)을 형성함으로써, 기공의 구조를 유도하는 역할을 한다. 상기 계면활성제는 완성된 촉매에 기공 구조, 특히 원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공 구조를 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 계면활성제로는 플루로닉계 또는 테트로닉계 블록 공중합체(block copolymer)를 사용할 수 있다. 상기 블록 공중합체의 구체적인 예로는 F108(EO132PO50EO132, EO=ethylene oxide, PO=propylene oxide), F98(EO123PO47EO123), F88(EO103PO39EO103), P123(EO20PO70EO20), P105(EO37PO58EO37), P104(EO27PO61EO57) 및 이들의 혼합물이 있다.Specifically, first, a solution in which the surfactant is dissolved in the acidic aqueous solution and a solution in which the zirconium precursor is dissolved in the alcohol are prepared. The surfactant forms a micelle through self-assembly, thereby inducing the structure of pores. The surfactant is not particularly limited as long as it can form a pore structure in the finished catalyst, in particular, a regular mesopore structure in the form of a cylinder, and any of them can be used. For example, the surfactant may be a Pluronic or Tetronic block copolymer. Specific examples of the block copolymer include F108 (EO 132 PO 50 EO 132 , EO = ethylene oxide, PO = propylene oxide), F98 (EO 123 PO 47 EO 123 ), F88 (EO 103 PO 39 EO 103 ), P123 ( EO 20 PO 70 EO 20 ), P105 (EO 37 PO 58 EO 37 ), P104 (EO 27 PO 61 EO 57 ) and mixtures thereof.

상기 산성 수용액으로는 무기산과 증류수의 혼합액을 사용할 수 있다. 상기 무기산의 구체적인 예로는 염산, 질산, 황산, 인산 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 이 중에서 염산을 사용하는 것이 보다 바람직하다.As the acidic aqueous solution, a mixture of inorganic acid and distilled water may be used. Specific examples of the inorganic acid include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and mixtures thereof. Of these, hydrochloric acid is more preferable.

일반적으로 중형 기공성 물질은 금속 산화물 전구체가 계면활성제의 미셀 주위에서 산성 물질의 촉매 작용을 받아 가수분해 및 축합 반응되어 서로 결합하면서 만들어진다. 그리고 열처리 등을 거쳐 금속 산화물이 더욱 강하게 결합되면서 미셀이 제거되면, 미셀이 있던 자리가 비게 되면서 기공이 만들어진다. 하지만 많은 전이금속 산화물의 전구체는 산성 수용액에서 가수분해와 축합 반응의 속도가 매우 빠르기 때문에, 금속 산화물 전구체와 미셀이 분리되어 매우 불규칙한 형태를 이루게 되며, 이로 인해 규칙적인 기공 구조를 갖기 어렵다.Generally, a mesoporous material is produced by the hydrolysis and condensation reaction of a metal oxide precursor under the catalytic action of an acidic substance around the micelle of the surfactant and bonding each other. When the metal oxide is more strongly bonded through the heat treatment and the micelle is removed, the porosity is formed as the site where the micelle is present becomes empty. However, many precursors of transition metal oxides have a very irregular shape due to the separation of the metal oxide precursor and the micelle because the rate of hydrolysis and condensation reaction in the acidic aqueous solution is very fast, making it difficult to have a regular pore structure.

이에 본 발명자들은 가수분해와 축합반응의 속도가 빠른 지르코늄 전구체를 알코올에 녹인 용액을 서서히 적가(drop-wise addition)하여 1차 혼합함으로써, 지르코늄 전구체의 급격한 반응을 억제하였다.Therefore, the present inventors inhibited the abrupt reaction of the zirconium precursor by gradually adding a solution in which the zirconium precursor with high rate of hydrolysis and condensation reaction was dissolved in alcohol, by drop-wise addition and primary mixing.

상기 지르코늄 전구체로는 지르코늄 에톡사이드(zirconium ethoxide), 지르코늄 부톡사이드(zirconium butoxide), 지르코늄 이소프로폭사이드(zirconium isopropoxide) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 지르코늄 전구체의 용매로 사용되는 알코올의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 등을 사용할 수 있다.The zirconium precursor may be zirconium ethoxide, zirconium butoxide, zirconium isopropoxide, or a mixture thereof. However, the zirconium precursor is not necessarily limited to zirconium ethoxide, zirconium butoxide, zirconium isopropoxide, or mixtures thereof. The kind of the alcohol used as the solvent of the zirconium precursor is not particularly limited, and methanol, ethanol, propanol, and butanol can be used.

상기 1차 혼합액을 제조한 후에는, 텅스텐 전구체를 포함하는 수용액을 상기 1차 혼합액에 적가하여 2차 혼합한다. 상기 텅스텐 전구체로는 나트륨 텅스테이트(sodium tungstate), 암모늄 텅스테이트(ammonium tungstate) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.After the primary mixed solution is prepared, an aqueous solution containing a tungsten precursor is added dropwise to the primary mixed solution and then mixed. As the tungsten precursor, sodium tungstate, ammonium tungstate, or a mixture thereof may be used, but the present invention is not limited thereto.

상기 2차 혼합액이 만들어지면, 여기에 실리카 전구체를 혼합한다. 본 발명의 구체예에서는 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터를 높은 밀도로 형성하기 위하여 ,먼저 지르코늄 전구체와 텅스텐 전구체를 순차적으로 첨가하여 반응시킨 후, 중형 기공의 형성을 돕는 실리카 전구체를 첨가한다.When the secondary mixture is made, a silica precursor is mixed with the secondary mixture. In order to form clusters of zirconium-tungsten oxide at a high density, a zirconium precursor and a tungsten precursor are sequentially added and reacted, and then a silica precursor is added to facilitate the formation of mesopores.

상기 실리카 전구체로는 알콕시실란(alkoxy silane) 화합물을 사용할 수 있다. 상기 알콕시실란의 구체적인 예로는 테트라메틸 오쏘실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 테트라에틸 오쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate) 및 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.As the silica precursor, an alkoxy silane compound may be used. Specific examples of the alkoxysilane include, but are not limited to, tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, and mixtures thereof.

본 발명의 구체예에서, 상기 지르코늄 전구체, 텅스텐 전구체 및 실리카 전구체는 텅스텐(W)/실리콘(Si)의 원자 비율이 0.1/1 ~ 0.14/1이고, 지르코늄(Zr)/실리콘(Si)의 원자 비율이 0.01/1 ~ 0.14/1가 되도록 사용하는 것이 바람직하다. 상기 텅스텐/실리콘의 원자 비율이 0.1/1 미만이고, 지르코늄/실리콘의 원자 비율이 0.01/1 미만이면, 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터가 원활하게 형성되지 않아 산 특성을 나타내기 어렵다. 또한 텅스텐/실리콘의 원자 비율이 0.14/1을 초과하고, 지르코늄/실리콘의 원자 비율이 0.14/1을 초과하면 원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공과 넓은 비표면적을 갖기 어렵다.In an embodiment of the present invention, the zirconium precursor, the tungsten precursor, and the silica precursor have atomic ratios of tungsten (W) / silicon (Si) of 0.1 / 1-0.14 / 1 and zirconium (Zr) It is preferable to use it so that the ratio is 0.01 / 1 to 0.14 / 1. If the atomic ratio of tungsten / silicon is less than 0.1 / 1 and the atomic ratio of zirconium / silicon is less than 0.01 / 1, clusters of zirconium-tungsten oxide are not formed smoothly and it is difficult to exhibit acid characteristics. Further, when the atomic ratio of tungsten / silicon exceeds 0.14 / 1 and the atomic ratio of zirconium / silicon exceeds 0.14 / 1, it is difficult to have regular medium pore and large specific surface area in a cylindrical form.

상기 실리카 전구체를 혼합한 후에는 혼합액을 가열하여 현탁액을 만들게 된다. 구체적으로, 상기 가열 과정을 통해 전구체들의 가수분해 및 축합반응이 촉진되어 솔-젤의 현탁액이 만들어진다. 이때, 상기 가열 과정은 30 ~ 120℃ 에서 수행하는 것이 바람직하며, 30 ~ 60℃에서 1차 가열한 후 80 ~ 120℃에서 2차 가열하는 것이 보다 바람직하다. 30℃ 미만의 온도에서는 반응 속도가 느리고, 120℃ 를 초과하면 전구체들의 반응이 빨라져 불규칙적한 기공 구조가 형성될 수 있다. 가열 시간은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 각각 20 ~ 30 시간 동안 이루어지는 것이 바람직하다. After mixing the silica precursor, the mixture is heated to form a suspension. Specifically, the hydrolysis and condensation reactions of the precursors are promoted through the heating process to produce a suspension of the sol-gel. At this time, the heating process is preferably performed at 30 to 120 ° C, more preferably at 80 to 120 ° C after the first heating at 30 to 60 ° C. At a temperature lower than 30 ° C, the reaction rate is slow. When the temperature exceeds 120 ° C, the reaction of the precursors accelerates and an irregular pore structure can be formed. The heating time is not particularly limited, but is preferably 20 to 30 hours each.

이와 같이, 현탁액이 형성되면 이를 여과하여 고형분을 회수한 후, 얻어진 고형분을 건조한다. 건조 온도는 용매가 완전히 증발할 수 있는 범위라면 특별히 제한되지 않으며, 60 ~ 150℃ 인 것이 바람직하다. When the suspension is formed as such, it is filtered to recover the solid content, and then the obtained solid content is dried. The drying temperature is not particularly limited as long as the solvent can completely evaporate, and it is preferably 60 to 150 ° C.

이어서 전구체들의 결합을 더욱 단단하게 하고, 계면활성제를 제거하여 중형 기공을 형성하기 위하여 얻어진 건조물을 산소 분위기에서 소성한다. 소성 온도는 특별히 제한되는 것은 아니며, 400 ~ 800℃ 인 것이 바람직하다. 소성 온도가 400℃ 미만이면 계면활성제가 완전히 제거되지 않을 염려가 있으며, 800℃ 를 초과하면 규칙적인 기공 구조가 무너질 우려가 있다.
The resulting dried material is then calcined in an oxygen atmosphere to make the bonding of the precursors more rigid and remove the surfactant to form the mesopores. The firing temperature is not particularly limited, and it is preferably 400 to 800 ° C. If the calcination temperature is lower than 400 ° C, the surfactant may not be completely removed, and if it exceeds 800 ° C, the regular pore structure may collapse.

알코올 및 Alcohol and 카르복실산Carboxylic acid 화합물로부터 에스테르 화합물을 제조하는 방법 Method for producing an ester compound from a compound

상술한 방법으로 제조한 본 발명의 복합 산화물 촉매는 원기둥 형태의 규칙적인 기공과 우수한 산 특성을 갖는다. 특히 상기 복합 산화물 촉매는 산 특성을 결정하는 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터를 높은 밀도로 보유하며, 넓은 비표면적과 큰 기공 크기를 갖기 때문에, 액상 반응에서 우수한 산 촉매 성능을 나타낼 수 있다.The complex oxide catalyst of the present invention produced by the above-mentioned method has cylindrical pores and excellent acid characteristics. In particular, the composite oxide catalyst has a high density of clusters of zirconium-tungsten oxide that determines the acid property, and has a wide specific surface area and a large pore size, and thus can exhibit excellent acid catalyst performance in a liquid phase reaction.

구체적으로, 본 발명에 따른 복합 산화물 촉매의 존재 하에서, 알코올 화합물과 카르복실산 화합물을 반응시키면 고부가가치 에스테르 화합물을 제조할 수 있다. 상기 알코올 화합물과 카르복실산 화합물은 바이오매스 자원의 발효 공정 등을 통해 다량으로 얻을 수 있는 기초 화합물이다. 본 발명의 복합 산화물 촉매는 이러한 값싼 화합물을 고부가가치 에스테르 화합물로 효과적으로 전환하게 된다.Specifically, a high-value-added ester compound can be prepared by reacting an alcohol compound with a carboxylic acid compound in the presence of the composite oxide catalyst according to the present invention. The alcohol compound and the carboxylic acid compound are basic compounds that can be obtained in a large amount through a fermentation process of biomass resources and the like. The complex oxide catalyst of the present invention effectively converts these inexpensive compounds into high value-added ester compounds.

상기 알코올 화합물의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. 또한 카르복실산 화합물의 예에는 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로판산(propionic acid), 부탄산(butanoic acid) 및 이들의 혼합물이 있다. 에스테르 화합물은 알코올 화합물과 카르복실산 화합물로부터 물 분자가 빠지면서 생성되게 된다. 따라서 반응에 사용하는 알코올과 카르복실산 화합물의 종류에 따라 다양한 에스테르 화합물을 제조할 수 있다. 예를 들어, 에탄올과 아세트산을 반응시키면, 에틸 아세테이트를 형성할 수 있다.Examples of the alcohol compound include methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, and mixtures thereof. Examples of the carboxylic acid compound include formic acid, acetic acid, propionic acid, butanoic acid, and mixtures thereof. The ester compound is produced from the alcohol compound and the carboxylic acid compound by removing water molecules. Therefore, various ester compounds can be prepared depending on the type of the alcohol and the carboxylic acid compound used in the reaction. For example, when ethanol and acetic acid are reacted, ethyl acetate can be formed.

에스테르 화합물의 구체적인 제조 과정은 다음과 같다. 일정량의 알코올과 카르복실산 화합물 및 본 발명에 따른 복합 산화물 촉매를 회분식 반응기에 투입하고, 반응기를 완전히 밀폐한다. 이후 반응물들을 교반하면서, 원하는 반응 온도까지 온도를 올린 후, 일정시간 동안 온도를 유지하여 에스테르 화합물을 제조한다.The specific production process of the ester compound is as follows. A certain amount of alcohol and carboxylic acid compound and the composite oxide catalyst according to the present invention are introduced into the batch reactor and the reactor is completely sealed. Thereafter, while stirring the reactants, the temperature is raised to the desired reaction temperature, and the temperature is maintained for a certain time to prepare an ester compound.

상기 알코올과 카르복실산 화합물의 비율은 특별히 제한되는 것은 아니며, 에스테르 화합물의 수율을 높이기 위해서는 1:1의 몰비로 사용하는 것이 바람직하다. 사용하는 촉매의 양은 반응 활성과 경제성 등을 고려하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 적절히 조절할 수 있다.The ratio of the alcohol to the carboxylic acid compound is not particularly limited, and it is preferable to use it in a molar ratio of 1: 1 in order to increase the yield of the ester compound. The amount of the catalyst to be used can be appropriately adjusted by those skilled in the art in consideration of the reaction activity and economy.

상기 에스테르화 반응은 일반적으로 반응 온도가 높고 반응 시간이 길수록 생성물인 에스테르 화합물의 수율이 증가하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 반응물의 종류 등으로 고려하여 상기 반응 온도와 시간을 적절하게 선택할 수 있다.The esterification reaction generally increases the yield of the ester compound as the reaction temperature is higher and the reaction time is longer, and the reaction temperature and the reaction time are different depending on the kind of the reactants and the like, Can be appropriately selected.

이하에서, 본 발명의 실시예와 비교예를 통해 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, it will be described in more detail through Examples and Comparative Examples of the present invention.

복합 산화물 촉매의 제조Preparation of composite oxide catalyst

실시예Example 1 One

플루로닉 P123 약 3.56 g(0.562 mmol)과 염산 약 8.6㎖ (0.089 mol)을 증류수 약 100 ㎖(5.56 mol)에 녹여 제1 용액을 제조하였다. 그리고 지르코늄 부톡사이드 약 0.34㎖(0.355 mmol)를 동일한 부피의 에탄올에 녹여 제2 용액을 준비하였다. 또한 나트륨 텅스테이트 이수화물(sodium tungstate dihydrate) 약 1.17 g(3.55 mmol)을 증류수 약 3㎖에 녹여 제3 용액을 준비하였다.Approximately 3.56 g (0.562 mmol) of Pluronic P123 and about 8.6 mL (0.089 mol) of hydrochloric acid were dissolved in about 100 mL (5.56 mol) of distilled water to prepare a first solution. Then, about 0.34 ml (0.355 mmol) of zirconium butoxide was dissolved in the same volume of ethanol to prepare a second solution. Also, about 1.17 g (3.55 mmol) of sodium tungstate dihydrate was dissolved in about 3 mL of distilled water to prepare a third solution.

상기 제1 용액을 강하게 교반하면서 상기 제2 용액을 한방울씩 첨가하여 혼합하였다. 이렇게 얻어진 혼합액에 상기 제3 용액을 한방울씩 첨가한 후 1시간 동안 교반하여 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터가 잘 형성될 수 있도록 유도하였다. While stirring the first solution, the second solution was added dropwise and mixed. The third solution was added dropwise to the mixed solution thus obtained and stirred for 1 hour to induce a cluster of zirconium-tungsten oxide to be formed well.

이어서, 테트라에틸 오쏘실리케이트 약 6.5 g(0.0312 mol)을 첨가한 후, 약 40℃에서 약 24 시간 동안 교반하였다. 그 후 온도를 약 100℃로 승온하여, 다시 24 시간동안 유지하며 안정화시켰다. 반응 후 여과를 통해 고체 형태의 고형분을 얻었고, 이를 80 ℃에서 하룻밤 동안 건조하였다. 끝으로 건조물을 약 550℃, 산소 분위기에서 약 3 시간 동안 소성하여 복합 산화물 촉매를 제조하였다. 완성된 복합 산화물 촉매는 WZr-1으로 표시하였다.
Subsequently, about 6.5 g (0.0312 mol) of tetraethylorthosilicate was added, followed by stirring at about 40 DEG C for about 24 hours. Thereafter, the temperature was raised to about 100 캜 and held for 24 hours for stabilization. The reaction was followed by filtration to obtain a solid form solid, which was dried overnight at 80 < 0 > C. Finally, the dried material was calcined at about 550 ° C. for about 3 hours in an oxygen atmosphere to prepare a composite oxide catalyst. The finished composite oxide catalyst is designated WZr-1.

실시예Example 2 2

지르코늄 부톡사이드 약 1.07㎖ (1.11 mmol) 및 나트륨 텅스테이트 이수화물 약 1.23 g(3.72 mmol)을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 복합 산화물 촉매는 WZr-3으로 표시하였다.
Zirconium butoxide, and about 1.23 g (3.72 mmol) of sodium tungstate dihydrate. The completed composite oxide catalyst was designated WZr-3.

실시예Example 3 3

지르코늄 부톡사이드 약 1.88㎖ (1.95 mmol) 및 나트륨 텅스테이트 이수화물 약 1.29 g(3.91 mmol)을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 복합 산화물 촉매는 WZr-5로 표시하였다.
Zirconium butoxide in an amount of about 1.88 ml (1.95 mmol) and about 1.29 g (3.91 mmol) of sodium tungstate dihydrate. The completed composite oxide catalyst was designated WZr-5.

비교예Comparative Example 1 One

지르코늄 부톡사이드를 사용하지 않고, 나트륨 텅스테이트 이수화물 약 1.14 g(3.47 mmol)을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 복합 산화물 촉매는 WZr-0로 표시하였다.
Was prepared in the same manner as in Example 1, except that zirconium butoxide was not used and about 1.14 g (3.47 mmol) of sodium tungstate dihydrate was used. The finished composite oxide catalyst was designated WZr-0.

비교예Comparative Example 2 2

지르코늄 부톡사이드 약 4.30㎖ (4.48 mmol) 및 나트륨 텅스테이트 이수화물 약 1.48 g(4.48 mmol)을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 완성된 복합 산화물 촉매는 WZr-10으로 표시하였다.
A mixture of about 4.30 ml (4.48 mmol) of zirconium butoxide and about 1.48 g (4.48 mmol) of sodium tungstate dihydrate was prepared in the same manner as in Example 1. The finished composite oxide catalyst was designated WZr-10.

실험예Experimental Example

1. 투과 전자 현미경 (1. Transmission electron microscope ( TEMTEM ) 분석) analysis

도 1은 실시예 1~3 및 비교예 1~2 촉매의 투과 전자 현미경 (TEM) 사진이다. 도 1을 참조하면, 실시예 1~3에서 제조한 촉매들은 모두 규칙적인 원기둥 형태의 중형 기공이 잘 형성되어 있다는 것을 확인할 수 있다. 반면에 Zr이 첨가되지 않은 비교예 1과 Zr이 과량으로 첨가된 비교예 2의 경우에는 기공 구조가 일부 무너진 것을 확인할 수 있다.
1 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the catalysts of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. Referring to FIG. 1, it can be seen that all the catalysts prepared in Examples 1 to 3 have regular cylindrical pores. On the other hand, in Comparative Example 1 in which Zr was not added and Comparative Example 2 in which Zr was added in an excess amount, it was confirmed that the pore structure partially disappeared.

2. 2. 비표면적Specific surface area 및 기공 크기 분석 And pore size analysis

실시예 1~3에서 제조한 촉매 및 비교예 1~2의 촉매들에 대하여 질소 흡탈착 실험을 실시하여 비표면적, 기공 크기 및 기공 부피를 측정하였다. 표 1은 실시예 1~3 및 비교예 1~2의 비표면적, 기오 크기 및 기공 부피를 정리한 결과이며, 질소 흡탈착 곡선의 결과를 도 2에 나타내었다.The specific surface area, pore size and pore volume of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by nitrogen adsorption / desorption experiments. Table 1 summarizes the specific surface area, pore size and pore volume of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, and the results of the nitrogen adsorption / desorption curve are shown in FIG.

비표면적
(m2/g)
Specific surface area
(m 2 / g)
평균 기공 지름
(nm)
Average pore diameter
(nm)
총 기공 부피
(㎤/g)
Total pore volume
(Cm3 / g)
실시예 1 (WZr-1)Example 1 (WZr-1) 629629 5.15.1 0.8740.874 실시예 2 (WZr-3)Example 2 (WZr-3) 558558 5.35.3 0.8140.814 실시예 3 (WZr-5)Example 3 (WZr-5) 477477 5.55.5 0.6990.699 비교예 1 (WZr-0)Comparative Example 1 (WZr-0) 575575 5.35.3 0.8050.805 비교예 2 (WZr-10)Comparative Example 2 (WZr-10) 346346 4.44.4 0.4130.413

표 1 및 도 2를 참조하면, 실시예 1∼3에서 제조한 촉매는 약 450∼650 ㎡/g의 넓은 비표면적과 약 5∼6 nm 의 큰 기공을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한 실시예 1∼3에서 제조한 촉매들은 모두 상대압력(P/P0) 0.6∼0.8의 범위에서 규칙적인 중형 기공 구조를 의미하는 이력현상(hysteresis)을 나타내었고, 매우 균일한 기공 크기 분포를 보였다. 이러한 결과는 실시예 1∼3의 촉매가 규칙적인 원기둥 형태의 중형 기공을 갖는다는 것을 의미하며, 앞선 TEM 분석 결과와 잘 일치한다.Referring to Table 1 and FIG. 2, it can be seen that the catalysts prepared in Examples 1 to 3 have a large specific surface area of about 450 to 650 m < 2 > / g and large pores of about 5 to 6 nm. Also, the catalysts prepared in Examples 1 to 3 exhibited hysteresis indicating a regular mesopore structure in a range of relative pressure (P / P0) of 0.6 to 0.8, and exhibited a very uniform pore size distribution . These results indicate that the catalysts of Examples 1 to 3 have regular cylindrical pores of medium size and are in good agreement with the results of the previous TEM analysis.

반면에 비교예 2의 경우에는 상대압력 0.4∼0.8의 넓은 범위에서 이력현상을 나타냈으며, 이를 통해 기공 구조가 불균일하게 분포한다는 것을 알 수 있다. 또한 비교예 2의 촉매는 실시예 1∼3의 촉매보다 기공 크기가 더 작은 것으로 확인되었다.
On the other hand, in the case of Comparative Example 2, hysteresis was exhibited in a wide range of relative pressure of 0.4 to 0.8, indicating that the pore structure was unevenly distributed. It was also confirmed that the catalyst of Comparative Example 2 had a smaller pore size than the catalyst of Examples 1 to 3.

3. X-선 3. X-ray 회절diffraction ( ( XRDXRD ) 분석) analysis

도 3은 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조한 촉매들의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, 실시예 2~3 및 비교예 2의 촉매에서는 실리카에 의해 형성되는 25도 근처의 피크를 제외하고는 어떠한 결정구조도 발견되지 않았다. 반면에 실시예 1과 비교예 1의 경우에는 결정형 산화텅스텐에 해당하는 피크가 관찰되었다. 한편 실시예 1이 비교예 1보다 피크의 크기 좀 더 작고 넓은 것으로 나타났는데, 이는 실시예 1의 촉매가 비교예 1보다 고분산된 작은 결정을 갖는다는 것을 의미한다.
3 is a graph showing X-ray diffraction patterns of the catalysts prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. Referring to FIG. 3, in the catalysts of Examples 2 to 3 and Comparative Example 2, no crystal structure was found except for the peak near 25 degrees formed by silica. On the other hand, in the case of Example 1 and Comparative Example 1, a peak corresponding to crystalline tungsten oxide was observed. On the other hand, Example 1 showed a smaller and wider peak size than Comparative Example 1, which means that the catalyst of Example 1 has a higher dispersion of smaller crystals than that of Comparative Example 1.

에스테르 화합물의 제조Preparation of ester compounds

실시예Example 4 4

실시예 1에서 제조한 촉매를 이용하여 1-부탄올과 아세트산으로부터 부틸아세테이트를 제조하였다. 구체적으로, 고압 회분식 반응기에 1-부탄올 약 18.5㎖ (200 mmol) 및 아세트산 약 11.5㎖ (200 mmol)을 채웠다. 이어서 실시예 1에서 제조한 촉매 약 0.2 g을 투입한 후 반응기를 밀폐하였다. 반응물을 교반하면서, 반응기의 온도를 약 120도로 승온하여 약 4 시간동안 반응하였다. 반응 결과물은 HP-Innowax 칼럼과 FID 검출기가 장착된 GC를 이용하여 분석하였다.
Butylacetate was prepared from 1-butanol and acetic acid using the catalyst prepared in Example 1. Specifically, a high pressure batch reactor was charged with about 18.5 ml (200 mmol) of 1-butanol and about 11.5 ml (200 mmol) of acetic acid. Then, about 0.2 g of the catalyst prepared in Example 1 was introduced, and the reactor was closed. While the reaction product was stirred, the temperature of the reactor was raised to about 120 degrees C to react for about 4 hours. The reaction results were analyzed using a GC equipped with an HP-Innowax column and an FID detector.

실시예Example 5 5

실시예 2에서 제조한 촉매를 사용한 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하였다.
The procedure of Example 4 was repeated except that the catalyst prepared in Example 2 was used.

실시예Example 6 6

실시예 3에서 제조한 촉매를 사용한 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하였다.
The procedure of Example 4 was repeated except that the catalyst prepared in Example 3 was used.

비교예Comparative Example 3 3

비교예 2에서 제조한 촉매를 사용한 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하였다.
The procedure of Example 4 was repeated except that the catalyst prepared in Comparative Example 2 was used.

비교예Comparative Example 4 4

상용 제올라이트 촉매인 HZSM-5 (zeolyst사 제품)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하였다.
Was carried out in the same manner as in Example 4, except that HZSM-5 (zeolyst), a commercial zeolite catalyst, was used.

비교예Comparative Example 5 5

상용 지르코니아 담체에 텅스텐 산화물(WOx) 30 중량%를 담지한 촉매(초기함침법을 이용하여 제조함)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하였다.
The same procedure as in Example 4 was carried out except that a catalyst in which 30 wt% of tungsten oxide (WOx) was supported on a commercial zirconia carrier (prepared using an initial impregnation method) was used.

비교예Comparative Example 6 6

상용 지르코니아 담체에 텅스텐 산화물(WOx) 20 중량%를 담지한 촉매(초기함침법을 이용하여 제조함)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하였다.
The same procedure as in Example 4 was carried out except that a catalyst having 20 wt% of tungsten oxide (WOx) supported on a commercial zirconia carrier (prepared using an initial impregnation method) was used.

도 4는 실시예 4~6 및 비교예 3~6의 반응 실험에서 얻어진 부틸아세테이트의 수율을 비교한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 실시예 4~6는 비교예 3~6에 비해 적게는 9 %에서 많게는 20 %가까이 높은 수율을 보였다. 특히, 실시예 5의 촉매(WZr-1)에서 가장 높은 수율을 보였는데, 이는 이 촉매에서 결정형 산화텅스텐이 발견이 되지 않고, 산 촉매 반응의 활성점이라고 알려져 있는 지르코늄-텅스텐 산화물의 클러스터가 높은 밀도로 형성이 되었기 때문이라고 해석된다.4 is a graph comparing the yields of butyl acetate obtained in the reaction experiments of Examples 4 to 6 and Comparative Examples 3 to 6. Referring to FIG. 4, in Examples 4 to 6, the yields were as low as 9% to as much as 20% as compared with Comparative Examples 3 to 6. In particular, the highest yield was obtained in the catalyst (WZr-1) of Example 5 because the cluster of zirconium-tungsten oxide, known as the active site of the acid catalysis reaction, It is interpreted that it is formed by the density.

Claims (11)

텅스텐 산화물, 지르코늄 산화물 및 실리콘 산화물을 포함하고,
텅스텐/실리콘의 원자 비율이 0.1/1 ~ 0.14/1이며,
지르코늄/실리콘의 원자 비율이 0.01/1 ~ 0.14/1이고,
원기둥 형태의 규칙적인 중형 기공을 갖는 복합 산화물 촉매.
Tungsten oxide, zirconium oxide, and silicon oxide,
The atomic ratio of tungsten / silicon is 0.1 / 1 to 0.14 / 1,
The atomic ratio of zirconium / silicon is 0.01 / 1 to 0.14 / 1,
Composite oxide catalyst having regular medium pores in the form of a cylinder.
제1항에 있어서, 상기 복합 산화물 촉매는 지르코늄/텅스텐의 원자 비율이 0.1/1 ~ 0.9/1인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 촉매.The composite oxide catalyst according to claim 1, wherein the complex oxide catalyst has an atomic ratio of zirconium / tungsten of 0.1 / 1 to 0.9 / 1. 제1항에 있어서, 상기 복합 산화물 촉매는 400 m2/g 이상의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 촉매.The complex oxide catalyst of claim 1, wherein the complex oxide catalyst has a specific surface area of 400 m 2 / g or more. 제1항에 있어서, 상기 중형 기공의 평균지름은 4 ~ 8 nm인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 촉매.The complex oxide catalyst of claim 1, wherein the medium pore has an average diameter of 4 to 8 nm. 제3항에 있어서, 상기 비표면적은 400 ~ 700m2/g인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 촉매.The composite oxide catalyst of claim 3, wherein the specific surface area is 400 to 700 m 2 / g. 계면활성제를 포함하는 산성 수용액에 지르코늄 전구체를 포함하는 알코올 용액을 적가하여 1차 혼합하는 단계;
상기 1차 혼합액에 텅스텐 전구체를 포함하는 수용액을 적가하여 2차 혼합하는 단계;
상기 2차 혼합액에 실리카 전구체를 혼합하는 단계;
상기 실리카 전구체가 혼합된 혼합액을 가열하여 현탁액을 만드는 단계;
상기 현탁액을 여과 및 건조하는 단계; 및
상기 건조물을 산소 분위기에서 소성하는 단계를 포함하는 복합 산화물 촉매의 제조 방법.
Adding an alcohol solution containing a zirconium precursor dropwise to an acidic aqueous solution containing a surfactant,
Dropwise adding an aqueous solution containing a tungsten precursor to the primary mixed solution,
Mixing a silica precursor with the secondary mixed solution;
Heating the mixed liquid in which the silica precursor is mixed to form a suspension;
Filtering and drying the suspension; And
And calcining the dried material in an oxygen atmosphere.
제6항에 있어서, 상기 지르코늄 전구체, 텅스텐 전구체 및 실리카 전구체는 텅스텐/실리콘의 원자 비율이 0.1/1 ~ 0.14/1이고, 지르코늄/실리콘의 원자 비율이 0.01/1 ~ 0.14/1이 되도록 사용하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 촉매의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the zirconium precursor, the tungsten precursor and the silica precursor are used such that the atomic ratio of tungsten / silicon is 0.1 / 1 to 0.14 / 1, and the atomic ratio of zirconium / silicon is 0.01 / 1 to 0.14 / 1. Method for producing a composite oxide catalyst, characterized in that. 제6항에 있어서, 상기 지르코늄 전구체는 지르코늄 에톡사이드(zirconium ethoxide), 지르코늄 부톡사이드(zirconium butoxide), 지르코늄 이소프로폭사이드(zirconium isopropoxide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 텅스텐 전구체는 나트륨 텅스테이트(sodium tungstate), 암모늄 텅스테이트(ammonium tungstate) 또는 이들의 혼합물이고, 상기 실리카 전구체는 테트라메틸 오쏘실리케이트(tetramethyl orthosilicate), 테트라에틸 오쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 복합 산화물 촉매의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the zirconium precursor is selected from the group consisting of zirconium ethoxide, zirconium butoxide, zirconium isopropoxide and mixtures thereof, the tungsten precursor is Sodium tungstate, ammonium tungstate, or mixtures thereof, and the silica precursor is tetramethyl orthosilicate, tetraethyl orthosilicate, or a mixture thereof. Method for producing a composite oxide catalyst. 제6항에 있어서, 상기 가열은 30 ~ 60℃ 에서 1차 가열 후 80 ~ 120℃ 에서 2차 가열하는 것을 특징으로 하는 복합 산화물 촉매의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the heating is performed by heating at 80 to 120 ° C. after the first heating at 30 to 60 ° C. 8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 촉매의 존재 하에서, 알코올 화합물과 카르복실산 화합물을 반응시켜 에스테르 화합물을 제조하는 것을 특징으로 하는 에스테르 화합물의 제조 방법.An ester compound is produced by reacting an alcohol compound with a carboxylic acid compound in the presence of the catalyst according to any one of claims 1 to 4 to produce an ester compound. 제10항에 있어서, 상기 알코올 화합물은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 카르복실산 화합물은 포름산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로판산(propionic acid), 부탄산(butanoic acid) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에스테르 화합물의 제조 방법.The method of claim 10, wherein the alcohol compound is selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol and mixtures thereof, wherein the carboxylic acid compound is formic acid, acetic acid, propane A process for producing an ester compound, characterized in that it is selected from the group consisting of acid (propionic acid), butanoic acid and mixtures thereof.
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