KR20150077065A - Hydrogenation catalyst having metal catalyst-core/carbon-shell structure, preparation method thereof, and use thereof - Google Patents

Hydrogenation catalyst having metal catalyst-core/carbon-shell structure, preparation method thereof, and use thereof Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core)/carbon (shell) structure and a manufacturing method thereof, and more specifically, to a hydrogenation catalyst which prevents leaching of reactive metal and has high stability in terms of a liquid hydrogenation reaction of an organic acid such as a levulinic acid. Furthermore, the manufacturing method comprises: a first step of preparing a mixed solution containing a metal catalyst precursor and a carbon precursor; a second step of forming a metallic oxide particle that carbon species are embedded from the mixed solution by radiating ultrasonic waves to the mixed solution; and a third step of vivifying a part or the entire of a metallic oxide and forming a carbon shell on the particle surface through a heat treatment which spreads the carbon species inside the metallic oxide particle to the surface.

Description

금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매, 이의 제조방법 및 이의 용도{Hydrogenation catalyst having metal catalyst-core/carbon-shell structure, preparation method thereof, and use thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure, a process for producing the same,

본 발명은 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레블린산과 같은 유기산의 액상 수소화 반응에 있어 활성금속의 침출을 방지하고 높은 안정성을 갖는 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조의 수소화 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 나아가 본 발명은 상기 액상 수소화 촉매를 이용한 고리화된 화합물의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure and a process for producing the same, and more particularly, to a process for producing a hydrogenation catalyst which prevents leaching of an active metal in a liquid hydrogenation reaction of an organic acid such as levulinic acid, (Core) / carbon (shell) structure having a metal catalyst and a process for producing the same. The present invention further relates to a process for preparing a cyclized compound using the liquid hydrogenation catalyst.

일반적인 감마-발레로락톤(γ-Valerolactone, GVL)을 포함한 락톤 화합물의 제조방법에 있어서, 촉매 하에서 기상 또는 액상 수소화 반응을 수행하여 레불린산으로부터 감마-발레로락톤(GVL) 등의 락톤 화합물을 제조하는 방법이 주로 이용되고 있으며, 상기 수소화 반응에 좀 더 경제적인 촉매 및 공정을 적용하는 연구들이 수행되고 있다.In a method for producing a lactone compound containing a general gamma -valerolactone (GVL), a gaseous or liquid hydrogenation reaction is carried out under a catalyst to obtain a lactone compound such as gamma-valerolactone (GVL) from levulinic acid And a process for applying a more economical catalyst and process to the hydrogenation reaction have been carried out.

레불린산을 수소화하여 감마-발레로락톤(GVL)을 제조하는 촉매로는 주로 귀금속을 주성분으로 하는 촉매가 사용되고 있다. 예를 들면 미국특허 제5883266호에는 Pd-Re계 촉매로 높은 수율을 나타내고 있고, 미국특허 제2003/0055270호 및 국제특허 WO2002/074760에는 Ru, Pd, Rh, Pt를 C, SiO2, TiO2, Al2O3, 제올라이트들에 담지하여 높은 수율을 보여주고 있다. 또한, 문헌 Applied Cat. A general, 272(2004), 249에서는 5%Ru/Carbon 촉매를 사용하여 높은 수율을 얻는 공정을 개시하고 있다. 그러나 이러한 공정에서 사용된 촉매들의 주성분이 귀금속이라는 점과 비교적 높은 수소압력에서 운전한다는 점에서 경제성과 안전성면에서 문제점이 있다. 또한 레불린산의 수소화 반응이 고압 액상에서 진행되는 경우, 지지체 내에 담지된 활성금속이 침출되는 문제점이 있다.As a catalyst for producing gamma-valerolactone (GVL) by hydrogenating levulinic acid, a catalyst mainly composed of a noble metal is used. For example, U.S. Patent No. 5883266 shows a high yield as a Pd-Re-based catalyst, and U.S. Patent No. 2003/0055270 and WO2002 / 074760 disclose that Ru, Pd, Rh and Pt are replaced by C, SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , and zeolites. Also, in Applied Cat. A general, 272 (2004), 249 discloses a process for obtaining a high yield using a 5% Ru / Carbon catalyst. However, since the main component of the catalyst used in this process is a noble metal and it operates at a relatively high hydrogen pressure, there are problems in terms of economy and safety. In addition, when the hydrogenation reaction of levulinic acid proceeds in a high-pressure liquid phase, there is a problem in that the active metal carried in the support is leached.

나아가 감마-발레로락톤(GVL)을 제조하기 위한 원료인 레불린산은, 통상 바이오매스 전환반응을 통해 글루코오스로부터 생산된다. 이러한 바이오매스 전환반응은 일반적으로 균질한(homogeneous) 산촉매(산 또는 산 수용액)를 이용하여 액상반응으로 수행된다. 따라서 앞서 언급한바와 같이, 레불린산의 수소화 반응에 있어 액상에서의 금속 촉매 침출을 방지하기 위하여 기상으로 수소화 반응을 진행할 경우, 이를 위하여 바이오매스 전환반응 이후에 추가적인 분리 정제를 거쳐 레불린산을 별도로 분리해야 한다는 문제점이 있다.Furthermore, levulinic acid, which is a raw material for producing gamma-valerolactone (GVL), is usually produced from glucose through a biomass conversion reaction. This biomass conversion reaction is generally carried out in a liquid phase reaction using a homogeneous acid catalyst (acid or aqueous acid solution). Therefore, as mentioned above, in the hydrogenation reaction of levulinic acid, when the hydrogenation reaction is carried out in the gas phase to prevent leaching of the metal catalyst in the liquid phase, after the biomass conversion reaction, There is a problem that it must be separated separately.

한편, 금속(Fe, Co, Ni 등) 코어/ Carbon 쉘 구조를 가지는 나노입자들이 개발된 바 있으며, 이들은 자성 물질로써 전자부품, 데이터 메모리, 센서, 생물학적 꼬리표 및 약물 전달 시스템과 같은 다양한 분야에 응용되어 왔다. 상기와 같이 금속 입자를 탄소로 캡슐화한 나노입자들에 대한 다양한 제조방법이 보고되고 있으며, 예를 들어 아크방전(R. S. Ruoff, et al., Single Crystal Metals Encapsulated in Carbon Nanoparticles, Subramoney, Science 1993, 259, 346), 난흑연화성 탄소의 열분해(P. J. F. Harris et al., A simple technique for the synthesis of filled carbon nanoparticles, Chem. Phys. Lett. 1998, 293, 53) 또는 화학기상증착(Z. Liu et al., Controlled Synthesis of Carbon-Encapsulated Co Nanoparticles by CVD, Chem. Vap. Deposition 2001)과 같은 방법을 이용하여 나노입자를 제조한 연구들이 있다. 그러나, 상기의 방법들은 비경제적이고 입자의 수율이 낮은 문제가 있다. 나아가 상기 탄소 캡슐화된 금속 나노입자를 유기산의 액상 수소화 반응의 촉매로 사용하는 사례 역시 현재까지 보고된바 없다.
On the other hand, nanoparticles having a metal (Fe, Co, Ni, etc.) core / carbon shell structure have been developed and they have been applied to various fields such as electronic parts, data memories, sensors, biological tags and drug delivery systems Has come. Various methods for manufacturing nanoparticles in which metal particles are encapsulated with carbon have been reported as described above. For example, an arc discharge (RS Ruoff, et al., Single Crystal Metals Encapsulated in Carbon Nanoparticles, Subramoney, Science 1993, 259 , 346), thermal decomposition of non-graphitizable carbon (PJF Harris et al., A Simple Technique for Filled Carbon Nanoparticles, Chem. There have been studies in which nanoparticles have been prepared using methods such as those described in, for example, Controlled Synthesis of Carbon-Encapsulated Co Nanoparticles by CVD, Chem. However, the above methods are uneconomical and have a low yield of particles. Furthermore, there has been no report on the use of the carbon-encapsulated metal nanoparticles as a catalyst for liquid hydrogenation of an organic acid.

이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조의 수소화 촉매를 이용하여 유기산의 액상 수소화 반응을 수행하는 경우, 금속 촉매 코어입자 표면상에 형성된 다공성 탄소 쉘이 액상 반응에서의 활성금속의 침출을 막아주어 촉매 안정성을 높일 수 있음을 확인하였다. 나아가 고압이 아닌 5bar 이하의 비교적 저압 조건에서의 액상 수소화 반응에서도 고수율 및 고선택성을 가짐을 확인하였다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.
Under these circumstances, the present inventors have found that when a liquid hydrogenation reaction of an organic acid is carried out by using a hydrogenation catalyst of a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure, the porous carbon shell formed on the surface of the metal catalyst core particles, It is confirmed that the catalyst stability can be improved by preventing the leaching of the active metal. Furthermore, it was confirmed that the liquid hydrogenation reaction at a relatively low pressure of 5 bar or less, rather than high pressure, has high yield and high selectivity. The present invention is based on this.

본 발명의 제1양태는 금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매의 제조방법에 있어서, 금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체 함유 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 혼합 용액으로부터 탄소종이 함입된(embedded) 금속 산화물 입자를 형성시키는 제2단계; 및 상기 금속 산화물 입자 내부의 탄소종을 표면으로 확산시키는 열처리를 통해, 금속 산화물 일부 또는 전부를 환원시키면서 입자 표면에 탄소 쉘을 형성시키는 제3단계를 포함하는 것인, 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention relates to a metal catalyst core particle; And a porous shell made of carbon and formed on the surface of the metal catalyst core particle, wherein the metal catalyst precursor and the carbon precursor A first step of preparing a mixed solution; A second step of irradiating ultrasonic waves to the mixed solution to form metal oxide particles embedded in carbon paper from the mixed solution; And a third step of forming a carbon shell on the surface of the particles while reducing part or all of the metal oxide through heat treatment for diffusing the carbon species inside the metal oxide particles to the surface.

본 발명의 제2양태는 금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 액상 수소화 촉매를 제공한다.A second aspect of the present invention is a process for producing a metal catalyst core particle; And a porous shell made of carbon and formed on the surface of the metal catalyst core particle. The present invention provides a liquid hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure.

본 발명의 제3양태는 수소 존재 하에 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물 함유 용액을 수소화 반응시켜 고리화된 화합물을 제조하는 방법에 있어서, 상기 제1양태에 따른 제조방법에 의해 제조된 수소화 촉매 또는 상기 제2양태의 액상 수소화 촉매를 사용하는 것이 특징인 제조방법을 제공한다.A third aspect of the present invention is a method for producing a cyclized compound by hydrogenating a solution containing an ester compound of an organic acid or an organic acid having 4 to 6 carbon atoms in the presence of hydrogen, Wherein the hydrogenation catalyst or the liquid phase hydrogenation catalyst of the second aspect is used.

본 발명의 제4양태는 금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 가지면서, 평균 직경이 20nm 내지 1000nm인 촉매의 제조방법에 있어서, 금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체 함유 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 혼합 용액으로부터 탄소종이 함입된(embedded) 금속 산화물 입자를 형성시키는 제2단계; 및 상기 금속 산화물 입자 내부의 탄소종을 표면으로 확산시키는 열처리를 통해, 금속 산화물 일부 또는 전부를 환원시키면서 입자 표면에 탄소 쉘을 형성시키는 제3단계를 포함하는 것인, 제조방법을 제공한다.A fourth aspect of the present invention is a metal catalyst particle comprising: a metal catalyst core particle; And a porous shell made of carbon, which is formed on the surface of the metal catalyst core particle, in a process for producing a catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure and an average diameter of 20 nm to 1000 nm A metal catalyst precursor, and a carbon precursor-containing mixed solution; A second step of irradiating ultrasonic waves to the mixed solution to form metal oxide particles embedded in carbon paper from the mixed solution; And a third step of forming a carbon shell on the surface of the particles while reducing part or all of the metal oxide through heat treatment for diffusing the carbon species inside the metal oxide particles to the surface.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 탄소 캡슐화된 금속 나노입자 촉매를 제조함에 있어서, 초음파 조사 및 열처리를 이용한 나노입자 촉매의 신규한 제조방법을 제공한다. 이를 통해 평균 직경이 20nm 내지 1000nm인 나노입자를 제공할 수 있으며, 이는 종래의 탄소 캡슐화된 금속 나노입자 제조방법보다 평균 직경을 다양하게 조절 가능하다.The present invention provides a novel method for preparing a nanoparticle catalyst using ultrasonic irradiation and heat treatment in the production of a carbon-encapsulated metal nanoparticle catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure. This can provide nanoparticles with an average diameter of between 20 nm and 1000 nm, which can vary the average diameter more widely than conventional carbon-encapsulated metal nanoparticle manufacturing methods.

나아가 본 발명은 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 탄소 캡슐화된 금속 나노입자를 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물의 수소화 반응의 촉매로 이용하는, 신규한 용도를 제공한다. 특히 상기 탄소 쉘은 공기, 산, 물 등에 화학적으로 불활성이고, 외부의 고온 고압의 환경으로부터 안정적이며, 친유성을 갖기 때문에, 쉘 내부의 금속 코어를 효과적으로 보호할 수 있다. 이로써 본 발명에 따른 수소화 촉매는 고온 고압의 액상 수소화 반응 환경 하에서, 금속 코어인 금속 촉매(활성금속)의 침출을 방지할 수 있고, 외부로부터의 이의 손상을 줄여줌으로써 촉매의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 안정성 향상으로 본 발명에 따른 수소화 촉매는 재 사용시에도 촉매 활성이 그대로 유지될 수 있다. 나아가 상기 탄소 쉘은 다공성이므로, 내부의 금속 코어가 반응물과 효과적으로 접촉하여 화학 반응을 촉진시키고 수율 및 선택성을 향상시킬 수 있다.Further, the present invention provides a novel use of carbon-encapsulated metal nanoparticles having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure as a catalyst for the hydrogenation reaction of ester compounds of organic acids or organic acids having 4 to 6 carbon atoms. Particularly, since the carbon shell is chemically inert to air, acid, water and the like, and stable and lipophilic from the external high-temperature and high-pressure environment, the metal core inside the shell can be effectively protected. Thus, the hydrogenation catalyst according to the present invention can prevent leaching of a metal catalyst (active metal), which is a metal core, under a high-temperature, high-pressure liquid hydrogenation reaction environment, and significantly reduces the damage thereof from the outside, . In addition, due to the improvement in stability, the hydrogenation catalyst according to the present invention can maintain its catalytic activity even when it is reused. Furthermore, since the carbon shell is porous, the inner metal core can effectively contact with the reactants to promote the chemical reaction and improve the yield and selectivity.

또한 상기 본 발명에 따른 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매는 액상 하에서 반응이 수행될 수 있으므로, 바이오매스 전환반응공정 이후에 액상의 생성물에서 레불린산을 따로 분리 정제할 필요 없이 바로 액상 수소화 반응공정을 수행할 수 있다. 따라서, 연속적으로 공정을 운용하여 바이오매스 유래 화학제품을 효율적으로 생산할 수 있다.
Since the hydrogenation catalyst having the metal catalyst (core) / carbon (shell) structure according to the present invention can be reacted in a liquid phase, it is possible to separate and purify levulinic acid separately from the liquid product after the biomass conversion reaction The liquid hydrogenation process can be carried out directly without the need. Therefore, the biomass-derived chemical product can be efficiently produced by continuously operating the process.

본 발명에 따른, 금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매의 제조방법은 금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체 함유 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 혼합 용액으로부터 탄소종이 함입된(embedded) 금속 산화물 입자를 형성시키는 제2단계; 및 상기 금속 산화물 입자 내부의 탄소종을 표면으로 확산시키는 열처리를 통해, 금속 산화물 일부 또는 전부를 환원시키면서 입자 표면에 탄소 쉘을 형성시키는 제3단계를 포함한다.Metal catalyst core particles according to the present invention; And a porous shell made of carbon and formed on the surface of the metal catalyst core particle. The method for producing a hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure comprises the steps of mixing a metal catalyst precursor and a carbon precursor- A first step of preparing a first step; A second step of irradiating ultrasonic waves to the mixed solution to form metal oxide particles embedded in carbon paper from the mixed solution; And a third step of forming a carbon shell on the surface of the particles while reducing part or all of the metal oxide through heat treatment for diffusing the carbon species inside the metal oxide particles to the surface.

본 발명의 상기 제1단계는 금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체 함유 혼합 용액을 준비하는 단계로서, 수소화 촉매 입자의 금속 소스 및 탄소 소스를 혼합물의 형태로 준비하는 단계이다.The first step of the present invention is a step of preparing a mixed solution containing a metal catalyst precursor and a carbon precursor, wherein a metal source and a carbon source of the hydrogenation catalyst particles are prepared in the form of a mixture.

상기 금속 촉매 전구체는 촉매 활성성분으로 이용될 금속의 전구체 화합물로써, 유기산의 액상 수소화 반응에 사용될 수 있는 금속의 전구체 화합물이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 이에 대한 비제한적인 예로는 철(III) 아세틸아세토네이트(Iron(III) acetylacetonate), 알루미늄 아세틸아세토네이트(Aluminium acetylacetonate), 산화티타늄(IV) 아세틸아세토네이트(Titanium(IV) oxide acetylacetonate), 세륨(III) 아세틸아세토네이트(Cerium(III) acetylacetonate, hydrate), 크롬(III) 아세틸아세토네이트(Chromium(III) acetylacetonate), 코발트(II) 아세틸아세토네이트(Cobalt(II) acetylacetonate), 구리(II) 아세틸아세토네이트(Copper(II) acetylacetonate), 갈륨(III) 아세틸아세토네이트(Gallium(III) acetylacetonate), 망간(III) 아세틸아세토네이트(Manganese(III) acetylacetonate), 철(II) 아세틸아세토네이트(Iron(II) acetylacetonate), 마그네슘 아세틸아세토네이트(Magnesium acetylacetonate, hydrate), 바륨 아세틸아세토네이트(Barium acetylacetonate, hydrate), 베릴륨 아세틸아세토네이트(Beryllium acetylacetonate), 카드뮴 아세틸아세토네이트(Cadmium acetylacetonate, hydrate), 칼슘 아세틸아세토네이트(Calcium acetylacetonate), 세슘 아세틸아세토네이트(Cesium acetylacetonate), 인듐(III) 아세틸아세토네이트(Indium(III) acetylacetonate), 이리듐(III) 아세틸아세토네이트(Iridium(III) acetylacetonate), 란탄늄 아세틸아세토네이트(Lanthanum acetylacetonate, hydrate), 납(II) 아세틸아세토네이트(Lead(II) acetylacetonate), 리튬 아세틸아세토네이트(Lithium acetylacetonate), 망간(II) 아세틸아세토네이트(Manganese(II) acetylacetonate), 니켈(II) 아세틸아세토네이트(Nickel(II) acetylacetonate), 팔라듐(II) 아세틸아세토네이트(Palladium(II) acetylacetonate), 플래티늄(II) 아세틸아세토네이트(Platinum(II) acetylacetonate), 로듐(III) 아세틸아세토네이트(Rhodium(III) acetylacetonate), 루비듐 아세틸아세토네이트(Rubidium acetylacetonate), 루테늄(III) 아세틸아세토네이트(Ruthenium(III) acetylacetonate), 은 아세틸아세토네이트(Silver acetylacetonate), 바나듐(III) 아세틸아세토네이트(Vanadium(III) acetylacetonate), 바나딜 아세틸아세토네이트(Vanadyl acetylacetonate), 이트륨(III) 아세틸아세토네이트 (Yttrium(III) acetylacetonate, hydrate), 아연 아세틸아세토네이트(Zinc acetylacetonate hydrate), 지르코늄(IV) 아세틸아세토네이트(Zirconium(IV) acetylacetonate) 및 이의 혼합물이 있으며, 이로부터 선택된 것일 수 있다. 바람직하기로, 촉매의 경제성을 고려할 때 귀금속이 아닌 금속을 이용함이 보다 경제적이므로, 철(Fe) 및 구리(Cu)의 전구체 화합물을 사용할 수 있다. 구체적으로 철(III) 아세틸아세토네이트, 철(II) 아세틸아세토네이트, 구리(II) 아세틸아세토네이트 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다.The metal catalyst precursor is a metal precursor compound to be used as a catalytically active component and is not particularly limited as long as it is a metal precursor compound that can be used for the liquid hydrogenation reaction of an organic acid. Non-limiting examples thereof include iron (III) acetylacetonate, aluminum acetylacetonate, titanium (IV) oxide acetylacetonate, cerium (IV) III) Acetylacetonate, Cerium (III) acetylacetonate, Hydrate, Chromium (III) acetylacetonate, Cobalt (II) acetylacetonate, Copper (II) acetylacetonate, gallium (III) acetylacetonate, manganese (III) acetylacetonate, iron (II) acetylacetonate, II) acetylacetonate, magnesium acetylacetonate (hydrate), barium acetylacetonate (hydrate), beryllium acetylacetonate, cadmium acetylacetonate (III) acetylacetonate, iridium (III) acetylacetonate (Iridium (III) acetylacetonate), cadmium acetylacetonate, cadmium acetylacetonate, cadmium acetylacetonate hydrate, calcium acetylacetonate, cesium acetylacetonate, indium (III) acetylacetonate, lanthanum acetylacetonate, hydrate, lead (II) acetylacetonate, lithium acetylacetonate, manganese (II) acetylacetonate Manganese (II) acetylacetonate, Nickel (II) acetylacetonate, Palladium (II) acetylacetonate, Platinum (II) acetylacetonate ), Rhodium (III) acetylacetonate, rubidium acetylacetonate, ruthenium (III) acetylaceto nate), silver acetylacetonate, vanadium (III) acetylacetonate, vanadyl acetylacetonate, yttrium (III) acetylacetonate, , hydrate, zinc acetylacetonate hydrate, zirconium (IV) acetylacetonate, and mixtures thereof, and may be selected therefrom. Preferably, iron (Fe) and copper (Cu) precursor compounds can be used because it is more economical to use a metal that is not a noble metal in view of the economical efficiency of the catalyst. Specifically, it may be selected from the group consisting of iron (III) acetylacetonate, iron (II) acetylacetonate, copper (II) acetylacetonate and mixtures thereof.

상기 탄소 전구체는 촉매 입자의 쉘을 형성하는 탄소의 전구체 화합물로써, 이와 동시에 제조단계에 있어 유기용매의 역할을 동시에 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 전구체는 C4 내지 C12 알킬 에테르인 것일 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.
The carbon precursor is a precursor compound of carbon which forms a shell of catalyst particles, and at the same time, can act as an organic solvent in the production step. Specifically, the carbon precursor may be a C4 to C12 alkyl ether, but is not particularly limited.

상기 제2단계는 상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 혼합 용액으로부터 탄소종이 함입된(embedded) 금속 산화물 입자를 형성시키는 단계로서, 상기 제1단계의 혼합 용액에 초음파를 조사함으로써 금속 촉매 전구체가 결정핵을 형성하여 탄소종이 내부에 함입된 금속 산화물 입자를 성장시킨다.The second step is a step of forming a metal oxide particle embedded in carbon paper from the mixed solution by irradiating ultrasonic waves to the mixed solution, and by irradiating ultrasonic wave to the mixed solution of the first step, So that the metal oxide particles embedded in the carbon paper are grown.

금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체의 혼합 용액에 초음파 처리시, 음향 공동화 현상이 발생하면서 금속 촉매 전구체의 결정핵 형성을 촉발시킬 수 있다. 초음파 조사에 따라 상기 결정핵이 점차 성장해 나가면서 금속 산화물 입자를 형성시키게 되며, 이와 동시에 탄소 전구체가 함입되어 금속 산화물 입자 내부에 탄소종을 형성시킬 수 있다. 구체적으로, 초음파 조사로 형성된 금속 산화물 입자의 표면 및 내부에 탄소종이 함입되어 있음이 도 1에 나타나 있다.When ultrasonic treatment is applied to a mixed solution of a metal catalyst precursor and a carbon precursor, acoustic cavitation phenomenon may occur and crystal nucleation of the metal catalyst precursor may be triggered. As the crystal nuclei gradually grow according to ultrasonic irradiation, metal oxide particles are formed. At the same time, a carbon precursor is implanted to form carbon species inside the metal oxide particles. Specifically, FIG. 1 shows that carbon paper is embedded on the surface and inside of the metal oxide particles formed by ultrasonic irradiation.

본 발명에 있어서, 상기 제2단계의 초음파 조사는, 구체적으로 초음파의 주파수가 1 내지 100 kHz이고, 상기 초음파의 출력 진폭(Amplitude)이 40% 내지 60%이며, 5분 내지 15분 동안 초음파를 조사할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 초음파를 조사하는 동안, 혼합 용액의 온도는 점점 상승할 수 있으며, 이때 초음파 조사로 인한 혼합 용액의 온도가 최종적으로 30℃ 내지 300℃가 되도록 초음파를 조사함이 바람직하며, 이를 위해 상기 초음파 조사 조건 및 초음파 기기는 당업자가 적절히 변경하여 채택할 수 있다.In the present invention, the ultrasonic wave irradiation in the second step may be carried out in the following manner: specifically, the frequency of the ultrasonic waves is 1 to 100 kHz, the output amplitude of the ultrasonic waves is 40% to 60% But is not limited thereto. During the irradiation of the ultrasonic waves, the temperature of the mixed solution may gradually increase. At this time, it is preferable to irradiate ultrasonic waves so that the temperature of the mixed solution due to the ultrasonic irradiation is finally 30 ° C to 300 ° C. And the ultrasonic device can be appropriately changed and adopted by those skilled in the art.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 촉매 전구체로 철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트를 사용하여 혼합 용액에 초음파를 조사한 결과, 내부에 탄소종이 함입된 α-Fe2O3(헤마타이트) 철 산화물 입자가 생성됨을 확인하였다.In one embodiment of the present invention, when ultrasonic wave is irradiated to the mixed solution using iron (III) acetylacetonate as the metal catalyst precursor, α-Fe 2 O 3 (hematite) iron oxide It was confirmed that particles were generated.

상기 탄소종은 상기 제1단계의 탄소 전구체로부터 유래한 탄소 원자 함유 화합물로써 초음파 조사를 통해 생성된 탄소 골격 기반의 화합물이다. 상기 제2단계에서 초음파 조사를 수행함으로써 탄소 전구체(C4 내지 C12 알킬 에테르)로부터 다양한 탄소 골격 기반의 화합물이 생성되면서 입자 내부에 함입될 수 있으며, 생성되는 탄소종은 상당히 다양할 수 있어 특정하기 어렵기 때문에, 상기 탄소종의 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다.The carbon species is a carbon-atom-containing compound derived from the carbon precursor of the first stage, and is a carbon skeleton-based compound produced through ultrasonic irradiation. By performing the ultrasonic irradiation in the second step, various carbon skeleton-based compounds can be generated from the carbon precursor (C4 to C12 alkyl ether) and can be incorporated into the particles, and the generated carbon species may vary considerably , The kind of the carbon species is not particularly limited.

상기 제2단계에서의 금속 산화물 입자의 성장이 완료되면, 상기 제2단계 이후에 용액을 원심분리하고 용매로 세척하여 금속 산화물 입자를 분리 및 수득하는 단계를 추가적으로 수행할 수 있다.
When the growth of the metal oxide particles in the second step is completed, the solution may be centrifuged after the second step and washed with a solvent to separate and obtain the metal oxide particles.

상기 제3단계는 상기 금속 산화물 입자 내부의 탄소종을 표면으로 확산시키는 열처리를 통해, 금속 산화물 일부 또는 전부를 환원시키면서 입자 표면에 탄소 쉘을 형성시키는 단계로서, 상기 제2단계에서 형성된 금속 산화물 입자에 열처리를 통해 입자 내부에 함입된 탄소종을 입자의 표면으로 확산시킴과 동시에 탄소종이 환원제로 작용하여 입자의 금속 산화물을 금속으로 환원시키는 단계이다.The third step is a step of forming a carbon shell on the particle surface while reducing part or all of the metal oxide through a heat treatment for diffusing the carbon species inside the metal oxide particle to the surface, , The carbon species embedded in the particles are diffused to the surface of the particles through the heat treatment and the carbon species acts as a reducing agent to reduce metal oxides of the particles to metal.

상기 제3단계에 있어서, 본 발명자들은 특정 온도범위에서의 열처리시, 입자 내부의 탄소종이 확산되어 입자 표면에 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 형성함을 확인하였으며, 이에 대한 모식도가 도 1에 나타나있다. 구체적으로 제3단계의 열처리는 300℃ 내지 1000℃ 하에서 수행될 수 있으며, 상기 열처리 온도 범위 하에서 내부의 탄소종이 확산되어 표면에 다공성 쉘을 형성할 수 있다.In the third step, the present inventors confirmed that when the heat treatment is performed in a specific temperature range, the carbon particles in the particles are diffused to form a porous shell of carbon on the surface of the particles, and a schematic diagram thereof is shown in FIG. Specifically, the heat treatment in the third step may be performed at 300 ° C to 1000 ° C, and the carbon paper may diffuse under the heat treatment temperature range to form a porous shell on the surface.

종래 입자 내 함입된 탄소종을 희토류 산화물의 환원제로 이용하는 연구들이 수행된바 있으며, 예를 들어, Eu3 + 함유 물질을 함입된 탄소종 하에서 열처리하여 환원을 수행한 연구가 보고된 바 있다(B. C. Hong et al., Reduction of Eu2+-activated nanoparticles by unique TCRA treatment, J. Alloy Compd. 2008, 451, 276.). 본 발명도 상기의 연구 결과와 마찬가지로, 금속 산화물 입자 내부에 함입된 탄소종은 금속 산화물에 대한 환원제로 작용할 수 있고, 따라서 상기 제3단계의 열처리시 금속 산화물이 점차 금속으로 환원될 수 있다.Studies have been conducted on the use of carbon species embedded in the conventional grains as a reducing agent for rare earth oxides. For example, research has been conducted on reduction of Eu 3 + -containing material by heat treatment under an embedded carbon species (BC Hong et al., Reduction of Eu2 + -activated nanoparticles by unique TCRA treatment, J. Alloy Compd. 2008, 451, 276.). In the present invention as well, the carbon species embedded in the metal oxide particles can act as a reducing agent for the metal oxide, and thus the metal oxide can be gradually reduced to the metal during the heat treatment in the third step.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 초음파를 조사하여 형성된, 탄소종이 함입된 α-Fe2O3(헤마타이트) 철 산화물 입자에 700℃의 온도로 열처리를 수행한 결과, 탄소종이 입자 표면으로 확산되어, 입자 표면에 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 형성함을 확인하였다. 나아가 이와 동시에, 상기 철 산화물 입자의 α-Fe2O3는 점차 하기와 같은 형태로 변하면서 환원되어 나감을 확인하였다(도 2 및 도 3):In one embodiment of the present invention, the α-Fe 2 O 3 (hematite) iron oxide particles formed by irradiation with ultrasonic waves were heat-treated at a temperature of 700 ° C. As a result, Thereby forming a porous shell of carbon on the surface of the particles. Further, at the same time, the α-Fe 2 O 3 of the iron oxide particles gradually changed to the following form and was confirmed to be reduced (FIG. 2 and FIG. 3):

α-Fe2O3 → γ-Fe2O3 → Fe3O4 → Fe? -Fe 2 O 3 ? -Fe 2 O 3 ? Fe 3 O 4 ? Fe

상기의 환원은 추가적인 환원제(예를 들어, H2 기체)가 없이도 발생하였다는 점에 특징이 있으며, 따라서 입자 내부의 탄소종이 환원제로도 작용할 수 있음을 다시 한 번 확인할 수 있었다.The above reduction is characterized by the fact that it occurred without additional reducing agent (for example, H 2 gas), and it can once again be confirmed that carbon in the particles can also act as a reducing agent.

상기 제3단계의 열처리는 상기 열처리 온도 범위를 유지하면서 탄소종이 충분히 확산되어 충분한 두께의 쉘을 형성하고, 나아가 입자의 금속 산화물이 대부분 금속으로 환원될 때까지 충분히 수행함이 바람직하다.
The heat treatment in the third step is preferably carried out sufficiently until the carbon paper is sufficiently diffused to form a shell having a sufficient thickness while maintaining the heat treatment temperature range, and further, the metal oxides of the particles are mostly reduced to metal.

상기 제1단계 내지 제3단계를 통하여, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 탄소 캡슐화된 금속 나노입자 촉매를 제조할 수 있다. 상기 본 발명에 따른 방법으로 제조된 촉매는 평균 직경이 약 300nm임을 확인하였다.Through the first through third steps, a carbon-encapsulated metal nanoparticle catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure can be prepared. It was confirmed that the catalyst prepared by the method according to the present invention had an average diameter of about 300 nm.

상기 제1단계 내지 제3단계를 통하여 제조된 수소화 촉매는 특히 액상 수소화 반응에 경제적이고 효과적인 촉매로 사용될 수 있다.
The hydrogenation catalyst prepared through the first to third steps can be used as an economical and effective catalyst, especially for the liquid hydrogenation reaction.

본 발명의 제2양태에 따른 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 액상 수소화 촉매는, 금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함한다.A liquid hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure according to the second aspect of the present invention comprises: a metal catalyst core particle; And a porous shell made of carbon and formed on the surface of the metal catalyst core particle.

본 발명에 따른 액상 수소화 촉매의 예시적인 구조는 도 1에 나타난 바와 같다. 구체적으로, 촉매에 있어서의 활성금속에 해당하는 부분이 입자의 내부 코어를 이루고 있고(금속 촉매 코어), 상기 코어의 표면을 둘러싸며 탄소로 이루어진 다공성 쉘이 형성되어 있다.An exemplary structure of the liquid hydrogenation catalyst according to the present invention is as shown in Fig. Specifically, a portion corresponding to the active metal in the catalyst forms the inner core of the particle (metal catalyst core), and a porous shell is formed of carbon surrounding the surface of the core.

상기 탄소 쉘은 외부 화합물 및 환경 조건에 대해 안정성이 뛰어나고 입자의 친유성을 증가시키기 때문에 쉘 안쪽으로 형성된 금속 촉매 코어를 효과적으로 보호할 수 있다. 따라서, 고온 고압의 액상 수소화 반응 환경 하에서, 금속 코어인 금속 촉매(활성금속)의 침출을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 수소화 촉매는 안정성이 향상되어 재사용시에도 촉매 활성이 그대로 유지될 수 있음을 확인하였다(실험예 2, 표 2 및 도 7). 나아가 쉘이 다공성이므로 내부의 금속 촉매 코어가 반응물과 효과적으로 접촉하여 고수율 및 고선택성을 가질 수 있다.The carbon shell is highly stable against external compounds and environmental conditions and increases the lipophilicity of the particles, thereby effectively protecting the metal catalyst core formed inside the shell. Therefore, leaching of the metal catalyst (active metal), which is a metal core, can be prevented under a high temperature and high pressure liquid hydrogenation reaction environment. In addition, it was confirmed that the hydrogenation catalyst according to the present invention has improved stability and can maintain the catalytic activity even when reused (Experimental Example 2, Table 2, and FIG. 7). Furthermore, since the shell is porous, the inner metal catalyst core can effectively contact the reactants and have high yield and high selectivity.

상기 금속 촉매는 유기산의 액상 수소화 반응에 사용될 수 있는 금속 촉매로 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 나아가 이는 제조과정에서 어떠한 금속 촉매 전구체를 사용했는지에 따라 달라질 수 있다. 촉매의 경제성을 고려할 때, 구체적으로 상기 금속 촉매는 Fe, Fe 산화물, Cu, Cu 산화물 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것이 바람직할 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.The metal catalyst may be used as a metal catalyst that can be used for the liquid hydrogenation reaction of an organic acid without particular limitation, and may be different depending on whether a metal catalyst precursor is used in the production process. In consideration of the economical efficiency of the catalyst, specifically, the metal catalyst may be selected from the group consisting of Fe, Fe oxide, Cu, Cu oxide, and mixtures thereof, but is not particularly limited.

상기 액상 수소화 촉매는 평균 직경이 20nm 내지 1000nm인 나노입자일 수 있으며, 이때 상기 다공성 쉘은 평균 두께가 1nm 내지 100nm일 수 있다.The liquid hydrogenation catalyst may be nanoparticles having an average diameter of 20 nm to 1000 nm, wherein the porous shell may have an average thickness of 1 nm to 100 nm.

상기 액상 수소화 촉매는 50 내지 1000 m2/g의 비표면적(specific surface area) 및 0.05 내지 1.0 ml/g의 세공 용적(pore volume)을 가질 수 있으며, 비표면적과 세공 용적이 크기 때문에 촉매 역할을 효율적으로 수행할 수 있다.The liquid hydrogenation catalyst may have a specific surface area of 50 to 1000 m 2 / g and a pore volume of 0.05 to 1.0 ml / g. Since the specific surface area and the pore volume are large, Can be efficiently performed.

본 발명에 있어서, 코어를 이루고 있는 상기 금속 촉매는 상기 액상 수소화 촉매 전체 중량에 대하여 50 내지 99 중량%일 수 있다. 만약 상기 수치범위의 하한보다 낮으면 촉매 활성이 제대로 발현되지 않을 수 있고, 상기 상한보다 크면 다공성 쉘이 거의 존재하지 않는 것으로, 금속 촉매 코어를 효과적으로 보호하기 어렵다.In the present invention, the metal catalyst constituting the core may be 50 to 99% by weight based on the total weight of the liquid hydrogenation catalyst. If it is lower than the lower limit of the numerical range, the catalytic activity may not be properly manifested. If the upper limit is larger than the upper limit, there is hardly any porous shell. Thus, it is difficult to effectively protect the metal catalyst core.

상기 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 액상 수소화 촉매는 상기 제1양태에 따른 제조방법으로 제조될 수 있다(초음파 조사 및 열처리). 그러나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니고 종래의 금속 코어/탄소 쉘 구조를 갖는 나노입자의 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 즉 본 발명은 금속 촉매가 단순히 탄소 지지체에 담지된 것이 아니라, 탄소 쉘로 캡슐화된 금속 입자를 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물의 액상 수소화 반응에 촉매로 이용함에 특징이 있는 것으로, 본 발명에 따른 촉매와 같은 구조의 입자를 제조할 수 있는 방법이라면 비제한적으로 선택될 수 있다. 구체적으로, 아크방전, 난흑연화성 탄소의 열분해 또는 화학기상증착과 같은 방법을 이용할 수 있다.The liquid hydrogenation catalyst having the metal catalyst (core) / carbon (shell) structure can be produced by the production method according to the first aspect (ultrasonic irradiation and heat treatment). However, the present invention is not limited thereto, and can be produced according to a method for producing nanoparticles having a conventional metal core / carbon shell structure. That is, the present invention is characterized in that the metal catalyst encapsulated in the carbon shell is used as a catalyst for the liquid hydrogenation reaction of an ester compound of an organic acid or an organic acid having 4 to 6 carbon atoms, rather than simply supported on a carbon support. Such as a catalyst, according to the method of the present invention. Specifically, methods such as arc discharge, pyrolysis of non-graphitizable carbon, or chemical vapor deposition can be used.

본 발명에서 상기 "액상 수소화 촉매"는 예컨대 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물을 수소 존재 하에서 액상(liquid phase)으로 수소화 반응을 수행하는데 이용되는 촉매 입자일 수 있다.
In the present invention, the "liquid hydrogenation catalyst" may be, for example, a catalyst particle used for performing hydrogenation reaction of an ester compound of an organic acid or an organic acid having 4 to 6 carbon atoms in the liquid phase in the presence of hydrogen.

본 발명의 제3양태에 따라 수소 존재 하에 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물 함유 용액을 수소화 반응시켜 고리화된 화합물을 제조하는 방법은, 상기 제1양태에 따른 제조방법에 의해 제조된 수소화 촉매 또는 상기 제2양태의 액상 수소화 촉매를 사용하는 것이 특징이다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a cyclized compound by hydrogenating a solution containing an ester compound of an organic acid or an organic acid having 4 to 6 carbon atoms in the presence of hydrogen, The hydrogenation catalyst or the liquid phase hydrogenation catalyst of the second embodiment is used.

본 발명에 있어서, 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물의 수소화 반응이 150℃이상, 구체적으로는 150 내지 350℃에서 수행됨을 고려할 때, 생성물인 탄소수 4 내지 6의 유기산의 탈수반응을 억제하면서 고선택성을 얻기 위해서는 촉매가 중성 특성을 갖는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에 따른 상기 제1양태에 따른 제조방법에 의해 제조된 수소화 촉매 또는 상기 제2양태의 액상 수소화 촉매에 해당하는 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조로 구성된 촉매 입자가 본 발명의 목적을 달성시키는데 효과적이다.In the present invention, considering that the hydrogenation reaction of an ester compound of an organic acid or an organic acid having 4 to 6 carbon atoms is carried out at 150 ° C or more, specifically 150 to 350 ° C, the dehydration reaction of an organic acid having 4 to 6 carbon atoms, It is preferable that the catalyst has neutrality in order to obtain high selectivity. Therefore, catalyst particles composed of a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure corresponding to the hydrogenation catalyst produced by the production method according to the first aspect of the present invention or the liquid hydrogenation catalyst of the second aspect of the present invention, It is effective to achieve the purpose.

상기 수소화 반응은 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물 함유 용액을 이용한 액상 반응으로, 구체적으로 150 내지 350℃의 반응온도 및 1 내지 20bar의 반응압력에서 수행될 수 있다. 특히 종래 귀금속 촉매를 이용한 액상 수소화 반응의 경우 20기압 이상의 높은 수소압력을 필요로 함에 반해, 본 발명에 따른 액상 수소화 촉매를 이용하는 경우 이보다 더 낮은 압력(예를 들어, 5bar)에서 반응이 수행됨에도 촉매의 반응성이 유지되며, 촉매 내 활성금속의 침출이 일어나지 않고, 나아가 반응물의 전환율, 생성물의 수율 및 선택성이 우수함을 확인하였다.The hydrogenation reaction can be carried out in a liquid phase reaction using a solution containing an ester compound of an organic acid or an organic acid having 4 to 6 carbon atoms, specifically at a reaction temperature of 150 to 350 ° C and a reaction pressure of 1 to 20 bar. In particular, a liquid hydrogenation reaction using a noble metal catalyst requires a high hydrogen pressure of 20 atm or higher, whereas when a liquid hydrogenation catalyst according to the present invention is used, the reaction is performed at a lower pressure (for example, 5 bar) , The leaching of the active metal in the catalyst does not occur, and further, the conversion of the reactant, the yield and the selectivity of the product are excellent.

상기 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물 함유 용액은 수용액일 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다.The solution containing the ester compound of an organic acid or an organic acid having 4 to 6 carbon atoms may be an aqueous solution, but is not particularly limited.

상기 탄소수 4 내지 6의 유기산은 레불린산(levulinic acid), 숙신산(succinic acid), 퓨마르산(fumaric acid), 이타콘산(itaconic acid), 아스파트산(aspartic acid), 아디프산(adipic acid) 및 글루카르산(glucaric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하기로 레불린산, 숙신산, 퓨마르산 및 아디프산으로부터 선택되고, 더욱 바람직하기로 레불린산일 수 있다.The organic acids having 4 to 6 carbon atoms include levulinic acid, succinic acid, fumaric acid, itaconic acid, aspartic acid, adipic acid, ) And glucaric acid, and is preferably selected from levulinic acid, succinic acid, fumaric acid and adipic acid, more preferably levulinic acid.

상기 고리화된 화합물은 락톤 화합물 또는 산소를 포함하는 헤테로고리 화합물일 수 있다.The cyclized compound may be a lactone compound or a heterocyclic compound containing oxygen.

구체적으로, 상기 유기산이 레불린산인 경우 감마-발레로락톤(GVL) 및 2-메틸테트라하이드로퓨란, 유기산이 숙신산 또는 퓨마르산인 경우 부티로락톤 및 테트라하이드로퓨란, 유기산이 이타콘산인 경우 3-메틸부티로락톤 및 3-메틸테트라하이드로퓨란, 유기산이 아스파트산인 경우 아스파틱 무수물 및 3-아미노테트라하이드로퓨란, 유기산이 아디프산인 경우 E-카프로락톤 및 옥세판(oxepane), 유기산이 글루카르산인 경우 글루카로-δ-락톤 및 글루카로-γ-락톤이 수소화 반응 생성물인 고리화된 화합물로 수득될 수 있다. 바람직하기로, 상기 유기산은 레불린산이고, 상기 고리화된 화합물은 감마-발레로락톤일 수 있다.Specifically, when the organic acid is levulinic acid, gamma-valerolactone (GVL) and 2-methyltetrahydrofuran, when the organic acid is succinic acid or fumaric acid, butyrolactone and tetrahydrofuran, when the organic acid is itaconic acid, 3- Methylbutyrolactone and 3-methyltetrahydrofuran, aspartic anhydride and 3-aminotetrahydrofuran when the organic acid is aspartic acid, E-caprolactone and oxepane when the organic acid is adipic acid, If it is an acid, it can be obtained as a cyclized compound in which the glucaro-δ-lactone and the glucaro-γ-lactone are hydrogenation products. Preferably, the organic acid is levulinic acid and the cyclized compound may be gamma-valerolactone.

상기 수소화 반응을 수행하기 전에, 본 발명에 따른 상기 수소화 촉매는, 반응기에 충진하고, 반응물 공급전에 수소 함유 환원 기체의 흐름 하 50℃ 내지 500℃에서 환원시켜 활성화될 수 있다.
Before performing the hydrogenation reaction, the hydrogenation catalyst according to the present invention may be activated by reducing the hydrogen-containing reducing gas at 50 ° C to 500 ° C before filling the reactor and supplying the reactants.

본 발명의 제4양태에 따른, 금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 가지면서, 평균 직경이 20nm 내지 1000nm인 촉매의 제조방법은 금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체 함유 혼합 용액을 준비하는 제1단계; 상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 혼합 용액으로부터 탄소종이 함입된(embedded) 금속 산화물 입자를 형성시키는 제2단계; 및 상기 금속 산화물 입자 내부의 탄소종을 표면으로 확산시키는 열처리를 통해, 금속 산화물 일부 또는 전부를 환원시키면서 입자 표면에 탄소 쉘을 형성시키는 제3단계를 포함한다.Metal catalyst core particles according to the fourth aspect of the present invention; And a porous shell made of carbon, which is formed on the surface of the metal catalyst core particle. The method for producing a catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure and having an average diameter of 20 nm to 1000 nm, A first step of preparing a mixed solution containing a catalyst precursor and a carbon precursor; A second step of irradiating ultrasonic waves to the mixed solution to form metal oxide particles embedded in carbon paper from the mixed solution; And a third step of forming a carbon shell on the surface of the particles while reducing part or all of the metal oxide through heat treatment for diffusing the carbon species inside the metal oxide particles to the surface.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 조사 및 열처리를 이용한 나노입자 촉매의 제조방법은 평균 직경이 20nm 내지 1000nm인 나노입자를 제공할 수 있으며, 이는 종래의 방법으로 제조된 탄소 캡슐화된 금속 나노입자보다 평균 직경이 현저히 향상된 특징이 있다.As described above, the method of preparing nanoparticle catalyst using ultrasonic irradiation and heat treatment according to the present invention can provide nanoparticles having an average diameter of 20 nm to 1000 nm, which can be achieved by using carbon nanoparticles prepared by a conventional method The average diameter is remarkably improved.

상기 제4양태에 따른 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 촉매의 제조방법에 대한 구체적인 설명은 앞서 제1양태에 따른 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매의 제조방법에서 설명한 바와 같다.
A detailed description of a method for producing a catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure according to the fourth aspect is given below in detail with reference to a hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure according to the first embodiment As described in the production method.

본 발명에 따른 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매 및 이의 제조방법은 레블린산과 같은 유기산의 액상 수소화 반응에 있어 활성금속의 침출을 방지하고, 높은 안정성을 가지며, 재사용시에도 촉매 활성이 유지된다. 나아가 비교적 저압의 반응 조건에서도 화학 반응을 촉진시키고 감마-발레로락톤과 같은 고리화된 화합물의 수율 및 선택성을 향상시킬 수 있다. 또한 액상 수소화 반응을 이용하기 때문에 연속적으로 공정을 운용하여 바이오매스 유래 화학제품을 효율적으로 생산할 수 있다.
The hydrogenation catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure according to the present invention and a production method thereof prevent leaching of an active metal in a liquid hydrogenation reaction of an organic acid such as levulinic acid and have high stability, The catalyst activity is maintained. Furthermore, it is possible to promote the chemical reaction under relatively low-pressure reaction conditions and improve the yield and selectivity of the cyclized compound such as gamma-valerolactone. In addition, since the liquid hydrogenation reaction is used, the biomass-derived chemical product can be efficiently produced by continuously operating the process.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 조사 및 열처리를 이용한 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매 제조과정의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 촉매 제조과정에 있어서, 열처리 과정에서 α-Fe2O3 철 산화물 입자의 환원 과정을 나타낸 FE-SEM 이미지 및 HR-TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매의 FE-SEM 이미지(도 3a), TEM 이미지(도 3b) 및 HR-TEM 이미지(도 3c)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매에 대하여, BET 장비로 질소 흡수법을 이용한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매를 이용한 레불린산의 액상 수소화 반응의 결과를 시간에 대하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매를 이용한 레불린산의 액상 수소화 반응에 있어서의 반응 전/후에 대한 상기 촉매의 XRD 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매를 이용한 레불린산의 액상 수소화 반응의 결과를 재사용 횟수 대하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매를 이용한 레불린산의 액상 수소화 반응에 있어서의 반응 반복 수행에 대한 상기 촉매의 XRD 데이터를 나타낸 그래프이다.
FIG. 1 is a schematic diagram of a process for preparing a hydrogenation catalyst having an Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure by ultrasonic irradiation and heat treatment according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an FE-SEM image and HR-TEM image showing the reduction process of α-Fe 2 O 3 iron oxide particles in a heat treatment process in the hydrogenation catalyst production process according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows an FE-SEM image (Figure 3a), a TEM image (Figure 3b) and an HR-TEM image (Figure 3c) of a hydrogenation catalyst having a Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure according to one embodiment of the present invention. )to be.
FIG. 4 is a graph showing a result of a nitrogen adsorption method using a BET equipment for a hydrogenation catalyst having a Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of liquid hydrogenation of levulinic acid using a hydrogenation catalyst having Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure according to one embodiment of the present invention with respect to time.
6 shows XRD data of the catalyst before and after the reaction in the liquid hydrogenation reaction of levulinic acid using a hydrogenation catalyst having a Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure according to an embodiment of the present invention Graph.
FIG. 7 is a graph showing the results of liquid hydrogenation of levulinic acid using a hydrogenation catalyst having a Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure according to an embodiment of the present invention with respect to the number of times of reuse.
8 is a graph showing XRD data of the catalyst for repetitive reaction in liquid hydrogenation of levulinic acid using a hydrogenation catalyst having Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure according to an embodiment of the present invention Graph.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. These embodiments are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not construed as being limited by these embodiments.

실시예Example 1:  One: FeFe /C 나노입자 촉매 제조/ C nanoparticle catalyst preparation

촉매 제조를 위한 재료로서, 철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트(99.9%)는 Aldrich사에서 구매하였고, N-옥틸 에테르(CH3(CH2)7O(CH2)7CH3, 95%)는 TCI사에서 구매하였다.Iron (III) acetylacetonate (99.9%) was purchased from Aldrich and N-octyl ether (CH 3 (CH 2 ) 7 O (CH 2 ) 7 CH 3 , 95% Purchased from TCI.

10mL의 N-옥틸 에테르가 담긴 바이알(vial)에 철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트를 적당량 첨가하였다. 그 후 약 20분간 상온에서 교반한 뒤, 교반된 용액에 초음파를 10분간 처리하였으며, 이때 초음파 처리와 함께 용액의 온도는 점차 상승하여 최종적으로 약 257℃에 도달하였다. 초음파 처리시, 음향 공동화 현상이 발생하면서 옥틸 에테르 내의 철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트의 결정핵 형성이 촉발되었다. 상기 결정핵이 성장하면서 α-Fe2O3(헤마타이트) 나노입자가 형성되었다. 헤마타이트 나노입자가 형성되면서 N-옥틸 에테르로부터 생성된 탄소종 화합물이 내부에 함입되었다. 이어서 초음파 처리한 용액(나노입자 분산액)을 원심분리하고 클로로폼과 에탄올을 수번 가하여 부산물을 제거함으로써 α-Fe2O3(헤마타이트) 철 산화물 나노입자를 분리 및 수득하였다.An appropriate amount of iron (III) acetylacetonate was added to a vial containing 10 mL of N-octyl ether. After stirring for 20 minutes at room temperature, ultrasonic waves were applied to the stirred solution for 10 minutes. At this time, the temperature of the solution gradually increased with ultrasound treatment and finally reached about 257 ° C. Acoustic cavitation occurred during ultrasonic treatment, and crystal nucleation of iron (III) acetylacetonate in octyl ether was triggered. As the crystal nuclei grew, α-Fe 2 O 3 (hematite) nanoparticles were formed. As the hematite nanoparticles were formed, the carbon species compound generated from the N-octyl ether was incorporated therein. Then, the ultrasound-treated solution (nanoparticle dispersion) was centrifuged and chloroform and ethanol were added several times to remove by-products to separate and obtain α-Fe 2 O 3 (hematite) iron oxide nanoparticles.

상기 수득된 α-Fe2O3 나노입자에 대하여 700℃의 온도로 열처리(annealing)하였다. 이때 상기 나노입자 내부의 탄소종(N-옥틸 에테르 유래)이 환원제로 작용하여 Fe2O3가 최종적으로 Fe로 환원되었다. 나아가, 상기 나노입자 내부의 탄소종이 입자 외부로 확산되어, 상기 나노입자 표면에 탄소 쉘이 형성되었다. 이로써 최종적으로 Fe(코어)/Carbon(쉘) 나노입자 촉매를 수득하였다.The obtained? -Fe 2 O 3 nanoparticles were annealed at a temperature of 700 ° C. At this time, the carbon species (derived from N-octyl ether) inside the nanoparticle acted as a reducing agent, and Fe 2 O 3 was finally reduced to Fe. Further, the carbon paper inside the nanoparticles diffuses to the outside of the particle, and a carbon shell is formed on the surface of the nanoparticle. This finally resulted in a Fe (core) / Carbon (shell) nanoparticle catalyst.

상기 실시예 1에 따른 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 나노입자 촉매의 제조과정의 모식도를 도 1에 나타내었다.
FIG. 1 shows a schematic diagram of a process for producing a nanoparticle catalyst having an Fe catalyst (core) / carbon (shell) structure according to Example 1. FIG.

한편, 상기 실시예 1에 따른 제조과정에 있어서, 열처리를 통해 Fe2O3를 최종적으로 Fe로 환원시키기까지의, 그 중간 중간의 나노입자들을 별도로 회수하여 이에 대한 FE-SEM 이미지 및 HR-TEM 이미지를 촬영하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.Meanwhile, in the manufacturing process according to Example 1, intermediate nanoparticles until Fe 2 O 3 was finally reduced to Fe through heat treatment were separately recovered and FE-SEM image and HR-TEM The images were taken and the results are shown in FIG.

도 2의 A(FE-SEM) 및 B(HR-TEM)는 α-Fe2O3 나노입자를 나타내며, C(FE-SEM) 및 D(HR-TEM)는 γ-Fe2O3 나노입자를 나타내며, E(FE-SEM) 및 F(HR-TEM)는 Fe3O4 나노입자를 나타낸 것이다. 이로써 입자의 α-Fe2O3가 순차적으로 환원되어 가는 것을 볼 수 있으며, 특히 HR-TEM 이미지를 통해 점차 탄소 쉘이 형성되어 가는 것을 확인할 수 있다.
A (FE-SEM), and B (HR-TEM) of Figure 2 shows the nano-particles α-Fe 2 O 3, C (FE-SEM) and D (HR-TEM) is γ-Fe 2 O 3 nanoparticles , And E (FE-SEM) and F (HR-TEM) represent Fe 3 O 4 nanoparticles. As a result, the α-Fe 2 O 3 of the particles is sequentially reduced, and it can be confirmed that the carbon shell is gradually formed through the HR-TEM image.

상기 실시예 1에 따라 최종적으로 수득된 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 나노입자 촉매에 대한 FE-SEM 이미지, TEM 이미지 및 HR-TEM 이미지를 촬영하여 그 결과를 각각 도 3a 내지 3c에 나타내었다. 도 3c에 나타난 바와 같이, 상기 제조된 나노입자는 평균 직경 약 300nm의 구형 입자였으며, 표면에 20nm 가량 두께의 탄소 쉘이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
FE-SEM images, TEM images and HR-TEM images of the Fe catalyst (core) / carbon (shell) nanoparticle catalyst finally obtained according to Example 1 were taken and the results are shown in Figs. . As shown in FIG. 3C, the nanoparticles were spherical particles having an average diameter of about 300 nm, and it was confirmed that a carbon shell having a thickness of about 20 nm was formed on the surface.

나아가 상기 실시예 1에 따라 최종적으로 수득된 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 나노입자 촉매에 대하여, BET 장비로 질소 흡수법을 이용하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이를 통해 상기 수득된 Fe 촉매(코어)/탄소(쉘) 나노입자 촉매는 비표면적(specific surface area)이 255 m2/g, 세공 용적(pore volume)이 0.14 ml/g 및 세공 크기(pore size) 3.7 nm임을 확인하였다.
Further, the Fe catalyst (core) / carbon (shell) nanoparticle catalyst finally obtained according to the above Example 1 was subjected to the nitrogen absorption method with BET equipment and the results are shown in FIG. The obtained Fe catalyst (core) / carbon (nanoparticle) catalyst had a specific surface area of 255 m 2 / g, a pore volume of 0.14 ml / g and a pore size ) Of 3.7 nm.

실시예Example 2:  2: CuCu /C 나노입자 촉매 제조/ C nanoparticle catalyst preparation

철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트 대신 구리(II) 아세틸아세토네이트를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 제조방법을 수행하였다. 이로써 최종적으로 Cu 촉매(코어)/탄소(쉘) 나노입자 촉매를 수득하였다.
The same manufacturing method as in Example 1 was carried out except that copper (II) acetylacetonate was used in place of iron (III) acetylacetonate. This finally resulted in a Cu catalyst (core) / carbon (shell) nanoparticle catalyst.

실험예Experimental Example 1:  One: FeFe /C 나노입자 촉매를 이용한 / C nanoparticle catalyst 레불린산의Levulin mountain 액상 수소화 반응 Liquid hydrogenation reaction

상기 실시예 1에서 준비된 Fe/C 나노입자 촉매 0.2g을 튜브형 반응기 (ID=6.35mm)에 충진시키고 5% H2 함유 N2 가스를 흘려보내면서 280℃까지 승온하여 촉매를 활성화시켰다. 이후, 반응기를 170℃의 반응온도 및 5bar의 반응압력으로 조절하고, 130ml/min의 수소기체 흐름 하에서 10 중량% 레불린산 수용액(5g/45ml)을 공급하면서 액상 수소화 반응을 수행하였다. 이를 반응 시간을 달리하며 생성물 분석을 수행하였고(30분, 60분, 120분, 150분, 180분, 240분), 그 결과를 아래 표 1 및 도 5에 나타내었다. 나아가, 액상 수소화 반응 수행 전/후의 상기 촉매의 XRD 데이터를 분석하여, 그 결과를 도 6에 나타내었다.0.2 g of the Fe / C nanoparticle catalyst prepared in Example 1 was packed in a tubular reactor (ID = 6.35 mm), and N 2 gas containing 5% H 2 was flowed thereinto to raise the temperature to 280 ° C. to activate the catalyst. Thereafter, the reactor was adjusted to a reaction temperature of 170 ° C and a reaction pressure of 5 bar, and a liquid hydrogenation reaction was performed while supplying a 10 wt% levulinic acid aqueous solution (5 g / 45 ml) under a hydrogen gas flow of 130 ml / min. The product analysis was performed at different reaction times (30 minutes, 60 minutes, 120 minutes, 150 minutes, 180 minutes, 240 minutes) and the results are shown in Table 1 and FIG. Furthermore, XRD data of the catalyst before and after the liquid hydrogenation reaction was analyzed, and the results are shown in FIG.

시간
(분)
time
(minute)
온도
(℃)
Temperature
(° C)
H2 압력
(bar)
H 2 pressure
(bar)
LA* 전환율
(%)
LA * conversion rate
(%)
생성물 선택도(%)Product selectivity (%)
GVL* GVL * A-lactone* A-lactone * othersothers 00 170170 55 - - - - - - - - 3030 14.314.3 90.290.2 9.79.7 - - 6060 30.230.2 94.1294.12 5.65.6 - - 120120 64.164.1 95.2195.21 4.74.7 - - 150150 79.279.2 97.8597.85 2.12.1 - - 180180 98.2198.21 99.499.4 0.60.6 - - 240240 99.599.5 98.698.6 - - - -

*GVL: 감마-발레로락톤* GVL: Gamma-valerolactone

*A-lactone: 안젤리카 락톤(Angelica lactone)
* A-lactone: Angelica lactone

상기 표 1 및 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 액상 수소화 촉매는 180분의 반응시간에서 가장 높은 GVL 선택성(99.4%)을 나타내었다.As shown in Table 1 and FIG. 5, the liquid hydrogenation catalyst according to the present invention showed the highest GVL selectivity (99.4%) at a reaction time of 180 minutes.

나아가 도 6에 나타난 바와 같이, 액상 수소화 반응 수행 전/후의 촉매의 XRD 데이터가 크게 변함이 없어, 액상 수소화 반응을 수행하여도 활성금속 Fe의 침출 없이 촉매가 안정적으로 유지되어 있음을 확인하였다.
Further, as shown in FIG. 6, the XRD data of the catalyst before and after the liquid hydrogenation reaction did not show much change, and it was confirmed that even when the liquid hydrogenation reaction was performed, the catalyst was stably maintained without leaching the active metal Fe.

실험예Experimental Example 2:  2: 레불린산의Levulin mountain 액상 수소화 반응에 있어서  In the liquid hydrogenation reaction FeFe /C 나노입자 촉매의 안정성 및 재사용성 확인/ C Confirmation of stability and reusability of nanoparticle catalyst

본 발명에 따른 액상 수소화 촉매(Fe/C 나노입자 촉매)가 수소화 반응에 반복 재사용되어도 촉매 활성이 안정적으로 유지됨을 아래와 같은 실험으로 확인하였다.It was confirmed by the following experiment that the catalytic activity is stably maintained even when the liquid hydrogenation catalyst (Fe / C nanoparticle catalyst) according to the present invention is repeatedly used in the hydrogenation reaction.

상기 실시예 1에서 준비된 Fe/C 나노입자 촉매 0.2g을 회분식 반응기(100ml 크기)에 충진시키고, 반응물인 10 중량% 레불린산 수용액(5g/45ml) 및 수소를 투입하였다. 반응기를 170℃의 반응온도 및 5bar의 반응압력으로 조절하고, 반응시간은 180분(3시간)으로 하여 액상 수소화 반응을 수행하였다. 반응이 완료된 뒤, 상기 촉매를 그대로 다시 재사용하여 상기와 동일한 실험을 반복 수행하였다. 반응실험은 총 5번 반복되었다.0.2 g of the Fe / C nanoparticle catalyst prepared in Example 1 was charged into a batch reactor (100 ml size), and a 10 wt% levulinic acid aqueous solution (5 g / 45 ml) and hydrogen were introduced. The reactor was subjected to a liquid hydrogenation reaction at a reaction temperature of 170 ° C and a reaction pressure of 5 bar and a reaction time of 180 minutes (3 hours). After the reaction was completed, the catalyst was reused as it was and the same experiment as above was repeated. The reaction experiment was repeated 5 times in total.

각각의 반응이 완결된 뒤, 생성물을 회수하여 분석하였으며, 그 결과를 아래 표 2 및 도 7에 나타내었다. 또한, 각각의 반응이 완결된 뒤의 상기 촉매의 XRD 데이터를 분석하여, 그 결과를 도 8에 나타내었다.After each reaction was completed, the product was recovered and analyzed. The results are shown in Table 2 and FIG. 7 below. Further, the XRD data of the catalyst after completion of each reaction was analyzed, and the results are shown in FIG.

재사용 횟수Reuse Count 온도
(℃)
Temperature
(° C)
H2 압력
(bar)
H 2 pressure
(bar)
LA* 전환율
(%)
LA * conversion rate
(%)
생성물 선택도(%)Product selectivity (%)
GVL* GVL * A-lactoneA-lactone 1One 170170 55 99.599.5 99.699.6 - - 22 98.2198.21 98.2198.21 1.51.5 33 97.5897.58 96.1296.12 4.84.8 44 97.0197.01 95.2195.21 4.74.7 55 96.5896.58 94.3594.35 5.615.61

*GVL: 감마-발레로락톤* GVL: Gamma-valerolactone

*A-lactone: 안젤리카 락톤(Angelica lactone)
* A-lactone: Angelica lactone

상기 표 2 및 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 액상 수소화 촉매는 액상 수소화 반응에 반복 재사용되어도 레불린산 전환율 및 GVL 선택성이 모두 94% 이상으로 높게 나타났다. 따라서, 본 발명에 따른 액상 수소화 촉매는 촉매 활성성분인 Fe가 침출되지 않고 안정적으로 탄소 쉘 내에서 유지되고 있으며 이로 인해 촉매의 활성이 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2 and FIG. 7, even when the liquid hydrogenation catalyst according to the present invention was repeatedly used in the liquid hydrogenation reaction, the levulinic acid conversion and the GVL selectivity were all higher than 94%. Accordingly, it was confirmed that the liquid hydrogenation catalyst according to the present invention stably maintains the activity of the catalyst stably in the carbon shell without leaching Fe, which is a catalytically active component.

나아가 도 8에 나타난 바와 같이, 액상 수소화 반응을 반복 수행할 때마다 촉매의 XRD 데이터에 나타난 피크가 크게 변함이 없이 유지되고 있어, 재사용 시에도 촉매의 활성 및 성분이 안정적으로 유지됨을 다시 한번 확인할 수 있었다.
Further, as shown in FIG. 8, the peak shown in the XRD data of the catalyst is maintained substantially unchanged every time the liquid hydrogenation reaction is repeated, and it is once again confirmed that the catalyst activity and the component are stably maintained even when reused there was.

실험예Experimental Example 3:  3: CuCu /C 나노입자 촉매를 이용한 / C nanoparticle catalyst 레불린산의Levulin mountain 액상 수소화 반응 Liquid hydrogenation reaction

Fe/C 나노입자 촉매 대신 상기 실시예 2에서 준비된 Cu/C 나노입자 촉매를 사용하여 수소화 반응을 4시간 동안 수행한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하였다. 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.Experiments were carried out in the same manner as in Experimental Example 1, except that the hydrogenation was carried out for 4 hours using the Cu / C nanoparticle catalyst prepared in Example 2 instead of the Fe / C nanoparticle catalyst. The results are shown in Table 3 below.

시간
(분)
time
(minute)
온도
(℃)
Temperature
(° C)
H2 압력
(bar)
H 2 pressure
(bar)
LA* 전환율
(%)
LA * conversion rate
(%)
생성물 선택도(%)Product selectivity (%)
GVL* GVL * A-lactone* A-lactone * othersothers 240240 170170 55 89.289.2 97.397.3 2.62.6 - -

*GVL: 감마-발레로락톤* GVL: Gamma-valerolactone

*A-lactone: 안젤리카 락톤(Angelica lactone)
* A-lactone: Angelica lactone

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 Cu계 액상 수소화 촉매 역시 4시간의 반응시간에서 레불린산 전환률이 약 90% 및 GVL 선택성이 약 97%에 달하는 우수한 촉매 효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.As shown in Table 3 above, it was also confirmed that the Cu-based liquid phase hydrogenation catalyst according to the present invention exhibits excellent catalytic efficiency of about 90% for the conversion of levulinic acid and about 97% for GVL selectivity at a reaction time of 4 hours .

Claims (19)

금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 수소화 촉매의 제조방법에 있어서,
금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체 함유 혼합 용액을 준비하는 제1단계;
상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 혼합 용액으로부터 탄소종이 함입된(embedded) 금속 산화물 입자를 형성시키는 제2단계; 및
상기 금속 산화물 입자 내부의 탄소종을 표면으로 확산시키는 열처리를 통해, 금속 산화물 일부 또는 전부를 환원시키면서 입자 표면에 탄소 쉘을 형성시키는 제3단계를 포함하는 것인, 제조방법.
Metal catalyst core particles; And a porous shell made of carbon and formed on the surface of the metal catalyst core particle, the method comprising the steps of:
A first step of preparing a mixed solution containing a metal catalyst precursor and a carbon precursor;
A second step of irradiating ultrasonic waves to the mixed solution to form metal oxide particles embedded in carbon paper from the mixed solution; And
And a third step of forming a carbon shell on the particle surface while reducing part or all of the metal oxide through a heat treatment for diffusing the carbon species inside the metal oxide particle to the surface.
제1항에 있어서, 상기 금속 촉매 전구체는 철(III) 아세틸아세토네이트(Iron(III) acetylacetonate), 알루미늄 아세틸아세토네이트(Aluminium acetylacetonate), 산화티타늄(IV) 아세틸아세토네이트(Titanium(IV) oxide acetylacetonate), 세륨(III) 아세틸아세토네이트(Cerium(III) acetylacetonate, hydrate), 크롬(III) 아세틸아세토네이트(Chromium(III) acetylacetonate), 코발트(II) 아세틸아세토네이트(Cobalt(II) acetylacetonate), 구리(II) 아세틸아세토네이트(Copper(II) acetylacetonate), 갈륨(III) 아세틸아세토네이트(Gallium(III) acetylacetonate), 망간(III) 아세틸아세토네이트(Manganese(III) acetylacetonate), 철(II) 아세틸아세토네이트(Iron(II) acetylacetonate), 마그네슘 아세틸아세토네이트(Magnesium acetylacetonate, hydrate), 바륨 아세틸아세토네이트(Barium acetylacetonate, hydrate), 베릴륨 아세틸아세토네이트(Beryllium acetylacetonate), 카드뮴 아세틸아세토네이트(Cadmium acetylacetonate, hydrate), 칼슘 아세틸아세토네이트(Calcium acetylacetonate), 세슘 아세틸아세토네이트(Cesium acetylacetonate), 인듐(III) 아세틸아세토네이트(Indium(III) acetylacetonate), 이리듐(III) 아세틸아세토네이트(Iridium(III) acetylacetonate), 란탄늄 아세틸아세토네이트(Lanthanum acetylacetonate, hydrate), 납(II) 아세틸아세토네이트(Lead(II) acetylacetonate), 리튬 아세틸아세토네이트(Lithium acetylacetonate), 망간(II) 아세틸아세토네이트(Manganese(II) acetylacetonate), 니켈(II) 아세틸아세토네이트(Nickel(II) acetylacetonate), 팔라듐(II) 아세틸아세토네이트(Palladium(II) acetylacetonate), 플래티늄(II) 아세틸아세토네이트(Platinum(II) acetylacetonate), 로듐(III) 아세틸아세토네이트(Rhodium(III) acetylacetonate), 루비듐 아세틸아세토네이트(Rubidium acetylacetonate), 루테늄(III) 아세틸아세토네이트(Ruthenium(III) acetylacetonate), 은 아세틸아세토네이트(Silver acetylacetonate), 바나듐(III) 아세틸아세토네이트(Vanadium(III) acetylacetonate), 바나딜 아세틸아세토네이트(Vanadyl acetylacetonate), 이트륨(III) 아세틸아세토네이트 (Yttrium(III) acetylacetonate, hydrate), 아연 아세틸아세토네이트(Zinc acetylacetonate hydrate), 지르코늄(IV) 아세틸아세토네이트(Zirconium(IV) acetylacetonate) 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인, 수소화 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the metal catalyst precursor is selected from the group consisting of iron (III) acetylacetonate, aluminum acetylacetonate, titanium (IV) oxide acetylacetonate ), Cerium (III) acetylacetonate, hydrate, chromium (III) acetylacetonate, cobalt (II) acetylacetonate, copper (II) acetylacetonate, gallium (III) acetylacetonate, manganese (III) acetylacetonate, iron (II) acetylacetonate, Iron (II) acetylacetonate, magnesium acetylacetonate (hydrate), barium acetylacetonate (hydrate), beryllium acetylacetonate, cadmium (III) acetylacetonate, indium (III) acetylacetonate, cadmium acetylacetonate, cadmium acetylacetonate, cadmium acetylacetonate, cadmium acetylacetonate hydrate, calcium acetylacetonate, (II) acetylacetonate, lithium acetylacetonate, manganese (II) acetylacetonate, lanthanum acetylacetonate, hydrate, lead acetylacetonate, Manganese (II) acetylacetonate, Nickel (II) acetylacetonate, Palladium (II) acetylacetonate, Platinum (II) acetylacetonate ) acetylacetonate, rhodium (III) acetylacetonate, rubidium acetylacetonate, ruthenium (III) acetylacetonate, (III) acetylacetonate, silver acetylacetonate, vanadium (III) acetylacetonate, vanadyl acetylacetonate, yttrium (III) acetylacetonate, wherein the catalyst is selected from the group consisting of acetylacetonate, hydrate, zinc acetylacetonate hydrate, zirconium (IV) acetylacetonate, and mixtures thereof.
제1항에 있어서, 상기 탄소 전구체는 C4 내지 C12 알킬 에테르인 것인, 수소화 촉매의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the carbon precursor is a C4 to C12 alkyl ether.
제1항에 있어서, 상기 제3단계의 열처리는 300℃ 내지 1000℃ 하에서 수행되는 것인, 수소화 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the heat treatment in the third step is carried out at 300 ° C to 1000 ° C.
금속 촉매 코어입자; 및
상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 갖는 액상 수소화 촉매.
Metal catalyst core particles; And
(Core) / carbon (shell) structure, comprising a porous shell of carbon formed on the surface of the metal catalyst core particle.
제5항에 있어서, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 것이 특징인 액상 수소화 촉매.
The liquid hydrogenation catalyst according to claim 5, which is produced by the production method according to any one of claims 1 to 4.
제5항에 있어서,
상기 액상 수소화 촉매는 평균 직경이 20nm 내지 1000nm인 나노입자인 것인, 액상 수소화 촉매.
6. The method of claim 5,
Wherein the liquid hydrogenation catalyst is a nanoparticle having an average diameter of 20 nm to 1000 nm.
제5항에 있어서, 상기 다공성 쉘은 평균 두께가 1nm 내지 100nm인 것인, 액상 수소화 촉매.
6. The liquid hydrogenation catalyst according to claim 5, wherein the porous shell has an average thickness of 1 nm to 100 nm.
제5항에 있어서, 상기 액상 수소화 촉매는 50 내지 1000 m2/g의 비표면적(specific surface area) 및 0.05 내지 1.0 ml/g의 세공 용적(pore volume)을 갖는 것인, 액상 수소화 촉매.
6. The liquid hydrogenation catalyst according to claim 5, wherein the liquid hydrogenation catalyst has a specific surface area of 50 to 1000 m < 2 > / g and a pore volume of 0.05 to 1.0 ml / g.
제5항에 있어서, 상기 금속 촉매는 Fe, Fe 산화물, Cu, Cu 산화물 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인, 액상 수소화 촉매.
The liquid hydrogenation catalyst according to claim 5, wherein the metal catalyst is selected from the group consisting of Fe, Fe oxide, Cu, Cu oxide, and mixtures thereof.
제5항에 있어서, 상기 금속 촉매는 상기 액상 수소화 촉매 전체 중량에 대하여 50 내지 99 중량%인 것인, 액상 수소화 촉매.
6. The liquid hydrogenation catalyst according to claim 5, wherein the metal catalyst is 50 to 99% by weight based on the total weight of the liquid hydrogenation catalyst.
수소 존재 하에 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물 함유 용액을 수소화 반응시켜 고리화된 화합물을 제조하는 방법에 있어서,
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 수소화 촉매 또는 제5항에 기재된 액상 수소화 촉매를 사용하는 것이 특징인 제조방법.
A process for producing a cyclized compound by hydrogenating a solution containing an ester or organic acid of 4 to 6 carbon atoms in the presence of hydrogen,
A production process characterized by using the hydrogenation catalyst produced by the production process according to any one of claims 1 to 4 or the liquid hydrogenation catalyst according to claim 5.
제12항에 있어서, 상기 고리화된 화합물은 락톤 화합물 또는 산소를 포함하는 헤테로고리 화합물인 것인, 제조방법.
13. The method according to claim 12, wherein the cyclized compound is a lactone compound or a heterocyclic compound containing oxygen.
제12항에 있어서, 상기 탄소수 4 내지 6의 유기산은 레불린산(levulinic acid), 숙신산(succinic acid), 퓨마르산(fumaric acid), 이타콘산(itaconic acid), 아스파트산(aspartic acid), 아디프산(adipic acid) 및 글루카르산(glucaric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 제조방법.
13. The method of claim 12, wherein the organic acid having 4 to 6 carbon atoms is selected from the group consisting of levulinic acid, succinic acid, fumaric acid, itaconic acid, aspartic acid, Adipic acid and glucaric acid. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제14항에 있어서, 상기 탄소수 4 내지 6의 유기산은 레불린산이고, 상기 고리화된 화합물은 감마-발레로락톤인 것인, 제조방법.
15. The method according to claim 14, wherein the organic acid having 4 to 6 carbon atoms is levulinic acid, and the cyclized compound is gamma-valerolactone.
제12항에 있어서, 상기 수소화 반응은 150 내지 350℃의 반응온도 및 1 내지 20bar의 반응압력에서 수행되는 것인, 제조방법.
13. The process according to claim 12, wherein the hydrogenation reaction is carried out at a reaction temperature of 150 to 350 DEG C and a reaction pressure of 1 to 20 bar.
제12항에 있어서, 상기 탄소수 4 내지 6의 유기산 또는 유기산의 에스테르 화합물 함유 용액은 수용액인 것인, 제조방법.
The production method according to claim 12, wherein the solution containing the ester compound of an organic acid or organic acid having 4 to 6 carbon atoms is an aqueous solution.
제12항에 있어서, 상기 수소화 촉매는, 반응기에 충진하고, 반응물 공급전에 수소 함유 환원 기체의 흐름 하 50 내지 500℃에서 환원시켜 활성화된 것인, 제조방법.
13. The process according to claim 12, wherein the hydrogenation catalyst is activated by being charged in a reactor and reduced at 50 to 500 DEG C under a flow of a hydrogen-containing reducing gas before supplying the reactant.
금속 촉매 코어입자; 및 상기 금속 촉매 코어입자 표면 상에 형성된, 탄소로 이루어진 다공성 쉘을 포함하는 것인, 금속 촉매(코어)/탄소(쉘) 구조를 가지면서, 평균 직경이 20nm 내지 1000nm인 촉매의 제조방법에 있어서,
금속 촉매 전구체 및 탄소 전구체 함유 혼합 용액을 준비하는 제1단계;
상기 혼합 용액에 초음파를 조사하여 혼합 용액으로부터 탄소종이 함입된(embedded) 금속 산화물 입자를 형성시키는 제2단계; 및
상기 금속 산화물 입자 내부의 탄소종을 표면으로 확산시키는 열처리를 통해, 금속 산화물 일부 또는 전부를 환원시키면서 입자 표면에 탄소 쉘을 형성시키는 제3단계를 포함하는 것인, 제조방법.
Metal catalyst core particles; And a porous shell made of carbon, which is formed on the surface of the metal catalyst core particle, in a process for producing a catalyst having a metal catalyst (core) / carbon (shell) structure and an average diameter of 20 nm to 1000 nm ,
A first step of preparing a mixed solution containing a metal catalyst precursor and a carbon precursor;
A second step of irradiating ultrasonic waves to the mixed solution to form metal oxide particles embedded in carbon paper from the mixed solution; And
And a third step of forming a carbon shell on the particle surface while reducing part or all of the metal oxide through a heat treatment for diffusing the carbon species inside the metal oxide particle to the surface.
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