KR20180090001A - Method for heterogeneous catalyst and method for the synthesis of compounds using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 질화탄소 불균일계 촉매의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이를 이용한 아세트산 제조하는 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method for producing acetic acid using the same.
아세트산(acetic acid)을 제조하기 위한 상업화된 공정은 크게 메탄올 카르보닐레이션 반응(Methanol carbonylation reaction), 에틸렌(ethylene) 산화 반응 및 에탄(ethane) 산화 반응으로 구분할 수 있다. 그 중에 메탄올 카르보닐레이션 반응은 아세트산(Acetic acid, CH3COOH)을 합성하는 공정 중에 가장 대표적인 공정으로, 전 세계 아세트산 공급량의 60 % 이상이 해당 공정을 통하여 생산되고 있다 [J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 2847-2861]. 메탄올의 카르보닐레이션 반응은 일산화탄소(CO, carbon monoxide)와 메탄올을 반응물로 사용하며, 활성 금속 및 반응 상에 종류에 따라서 공정을 구분 할 수 있다. 1960년대 초기에 발명된 몬산토 공정(Monsanto process)은 활성 금속으로써 로듐(Rhodium, Rh)을 사용하며 해당 로듐 금속에 작용기로써 카르보닐기(Carbonyl group, -CO) 및 요오드기(Iodide, -I)를 가지는 촉매 전구체를 사용하는 특징을 가진다 [US Patent 3769329 (1973)]. 1990년대 발명된 캐티바 공정(Cativa process)은 몬산토 공정과 유사한 균일계 촉매 반응이지만 반응 활성 물질로 이리듐(Iridium, Ir)을 사용하고 메틸의 생성을 억제하기 위해 일정량 이상의 메틸 아세트산을 반응물로서 사용하는 특징을 가지며 기존의 공정보다 훨씬 높은 생산성을 가진다 [EP Patent 752406 (1995)].Commercially available processes for producing acetic acid can be divided into methanol carbonylation reaction, ethylene oxidation reaction and ethane oxidation reaction. Among them, the methanol carbonylation reaction is the most typical process during the synthesis of acetic acid (CH 3 COOH), and more than 60% of the amount of acetic acid supplied to the world is produced through the corresponding process [J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 2847-2861]. The carbonylation reaction of methanol uses carbon monoxide (CO) and methanol as reactants, and the active metal and the reaction phase can be classified according to the kind thereof. The Monsanto process, which was invented in the early 1960s, uses rhodium (Rh) as an active metal and has a carbonyl group (-CO) and an iodide group (Iodide, -I) Catalyst precursor [US Patent 3769329 (1973)]. The Cativa process, which was invented in the 1990s, is a homogeneous catalytic reaction similar to that of the Monsanto process. However, iridium (Ir) is used as a reaction active material and methyl acetic acid above a certain amount is used as a reactant And has a much higher productivity than conventional processes [EP Patent 752406 (1995)].
이 두 가지 공정 모두 균일계 촉매 반응의 특성으로 메탄올의 높은 전환율과 높은 아세트산의 선택도를 가졌으나, 로듐과 이리듐이 결과물에 흡착되어 녹아 나오는 용탈(溶脫, Leaching, 이하 리칭) 현상이 발생하여, 결과물과 촉매의 분리를 위한 별도의 공정이 필요하기 때문에 큰 경제적 비용이 드는 문제점을 가지고 있다.Both of these processes have high conversion of methanol and high selectivity to acetic acid due to the homogeneous catalytic reaction, but the adsorption of rhodium and iridium on the product resulted in leaching (melting) , And a separate process for separating the resultant and the catalyst is required, resulting in a large economic cost.
이를 해결하기 위한 노력으로 불균일계화 시킨 공정(Heterogenized - homogeneous catalysis)이 등장하기 시작하였으며, 그 대표적인 것으로 아세티카 공정(Acetica processTM)이 있다. 이 공정은 촉매 반응의 활성 물질로써 로듐 이온을 이용하고 불균일계 촉매를 제조하기 위해 지지체로써 고분자인 P4VP(Poly 4-vinyl pyridine)을 사용하여 메탄올의 카르보닐레이션 반응을 일으키는 것이다 [US Patent 5364963 (1994), US Patent 5576458 (1996)]. 아세티카 공정의 경우에는 촉매의 재사용성, 결과물로부터의 촉매의 회수성에서는 용이하나, 촉매당 반응 활성 성분의 로듐 함량이 적어 상대적으로 메탄올의 전환율과 아세트산의 선택도가 낮다. 또한 지지체로 사용한 고분자의 경우에는 고압, 고온에서의 공정 조건에서 촉매의 비활성화가 진행되는 문제점을 가지고 있다.Heterogenized - homogeneous catalysis has emerged as an effort to solve this problem, and the representative example is the Acetica process ( TM ). This process utilizes rhodium ion as the active material of the catalytic reaction and causes the carbonylation reaction of methanol using P4VP (Poly 4-vinyl pyridine) as a support as a support for producing a heterogeneous catalyst [US Pat. No. 5,364,963 1994), U.S. Pat. No. 5,576,458 (1996)]. In the case of the acetacid process, the reusability of the catalyst and the recovery of the catalyst from the result are easy, but the conversion of methanol and the selectivity of acetic acid are relatively low because the content of rhodium of the reactive active component per catalyst is low. In addition, in the case of a polymer used as a support, the catalyst is inactivated under high pressure and high temperature process conditions.
본 발명의 일 목적은 넓은 비표면적 및 메조 기공 구조를 갖는 질화탄소를 지지체로 활용하고, 로듐을 지지체 상에 고정화한 촉매 및 촉매의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a catalyst and a method for producing a catalyst in which carbon nitride having a wide specific surface area and mesoporous structure is used as a support and rhodium is immobilized on a support.
본 발명의 다른 목적은 메탄올을 카르보닐레이션 반응시켜 아세트산 및 메틸아세테이트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a process for producing acetic acid and methyl acetate by carbonylation reaction of methanol.
본 발명의 일 목적을 위한 불균일 촉매는 메조 기공 구조를 갖는 질화 탄소(carbon nitride)에 로듐이 고정된 것을 포함한다.A heterogeneous catalyst for one purpose of the present invention comprises rhodium immobilized on carbon nitride having a mesoporous structure.
일 실시예에서, 상기 메조 기공 구조는 규칙적인 세공 구조이고 비표면적이 300 m2/g 내지 1500 m2/g인 것일 수 있다.In one embodiment, the mesopore structure may be a regular pore structure and have a specific surface area of 300 m 2 / g to 1500 m 2 / g.
일 실시예에서, 질화탄소의 100 중량부에 대해, 상기 질화탄소에 고정된 로듐은 0.5 내지 6 중량부인 것 일 수 있다.In one embodiment, with respect to 100 parts by weight of carbon nitride, the rhodium immobilized on the carbon nitride may be 0.5 to 6 parts by weight.
본 발명의 다른 목적을 위한 불균일계 촉매의 제조 방법은 탄소원 및 메조 세공된 템플레이트가 증류수에 혼합된 수용액을 열처리 하는 제1 단계; 열처리된 수용액에서 템플레이트를 제거하여, 메조 기공 구조를 갖는 질화탄소 지지체를 제조하는 제2 단계; 및 상기 질화탄소 지지체 및 로듐 전구체를 혼합하여, 상기 지지체 상에 로듐이 고정화된 불균일계 촉매를 제조하는 제3 단계를 포함한다.A method for producing a heterogeneous catalyst for another purpose of the present invention includes a first step of heat treating an aqueous solution containing a carbon source and a mesoporous template mixed with distilled water; A second step of removing the template from the heat-treated aqueous solution to produce a carbon nitride support having a mesoporous structure; And a third step of mixing the carbon nitride support and the rhodium precursor to prepare a rhodium-immobilized heterogeneous catalyst on the support.
일 실시예에서, 상기 제1 단계는 반응기에 상기 탄소원 및 템플레이트가 혼합된 증류수를 투입하고, 질소 기체를 70 ml/min의 유속으로 흘려주며 가열하여 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the first step may be performed by charging distilled water mixed with the carbon source and the template into a reactor, and flowing nitrogen gas at a flow rate of 70 ml / min and heating.
일 실시예에서, 상기 제3 단계는 수소화 붕소나트륨(sodium brohydride)을 과량으로 넣은 용액을 첨가하여 금속 염을 환원 시키는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the third step may include reducing the metal salt by adding a solution containing an excess of sodium borohydride.
일 실시예에서 상기 탄소원은 헥사메틸렌테트라아민(Hexamethylenetetramine)일 수 있다.In one embodiment, the carbon source may be hexamethylenetetramine.
일 실시예에서 상기 템플레이트는 비표면적이 200 m2/g 이상이고, 메조 기공 입경이 4.0 nm 이상일 수 있다.In one embodiment, the template may have a specific surface area of 200 m 2 / g or more and a mesopore size of 4.0 nm or more.
본 발명의 또 다른 목적을 위한 아세트산의 제조 방법은 청구항 1에 따른 불균일계 촉매 존재 하에서, 메탄올(Methanol)과 일산화탄소(Cabon monoxide)로부터 아세트산(Acetic Acid) 및 메틸 아세테이트(methyl acetate)를 제조하는 카르보닐레이션 반응(Carbonylation reaction)을 포함한다.Another method for producing acetic acid according to the present invention is a method for producing acetic acid from methanol and cabon monoxide in the presence of a heterogeneous catalyst according to
본 발명의 일 실시예에 따른 질화탄소 지지체 상에 로듐을 고정화시킨 불균일계 촉매에 따르면, 메조 기공을 갖는 질화탄소 지지체 상에 로듐이 고루 분산되어 있는 형태를 가짐으로써, 벌크 물질보다 노출된 활성점이 많아 반응물의 확산이 용이한 메조포러스(Mesoporous) 물질을 가지게 된다. 그리고 지지체인 질화탄소와 활성 물질인 로듐과의 강한 상호작용으로 반응 결과물에 로듐이 리칭(leaching)되는 현상과 로듐 원소의 자가 응집으로 인한 촉매의 비활성화를 억제하여 촉매의 안정성 및 장기적 촉매의 성능 확보의 가능성을 높일 수 있다. 또한 불균일계 촉매이므로 단순 분리 공정을 통해서 카르보닐레이션 반응의 생성물을 쉽게 분리 및 회수가 가능하므로 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 Rh(5)/mpg-C3N4 촉매는 아세트산 및 메틸 아세테이트 선택도가 우수할 뿐만 아니라 메탄올과 이산화탄소를 이용한 카르보닐레이션 반응에서 메탄올의 높은 전환율을 나타낸다.According to the heterogeneous catalyst in which rhodium is immobilized on the carbon nitride support according to an embodiment of the present invention, rhodium is uniformly dispersed on the carbon nitride support having mesopores, so that the active sites exposed to the bulk material A large amount of mesoporous material can be easily dispersed in the reactant. In addition, rhodium is leached to the reaction product due to the strong interaction between the support carbonitride and rhodium, which is the active material, and the inactivation of the catalyst due to the self-agglomeration of the rhodium element is suppressed to secure the stability of the catalyst and the long- It is possible to increase the possibility of Since it is a heterogeneous catalyst, the product of the carbonylation reaction can be easily separated and recovered through a simple separation process, thereby improving the efficiency of the process. The Rh (5) / mpg-C 3 N 4 catalyst according to the present invention has a high selectivity for acetic acid and methyl acetate, as well as a high conversion of methanol in the carbonylation reaction using methanol and carbon dioxide.
도 1은 실시예1 내지 4의 샘플에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예1 내지 4의 샘플에 대한 기공 분석 결과를 나타낸 도면이다.1 is a graph showing the results of experiments on the samples of Examples 1 to 4;
Fig. 2 is a view showing pore analysis results for the samples of Examples 1 to 4. Fig.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the term "comprises" or "having ", etc. is intended to specify that there is a feature, step, operation, element, part or combination thereof described in the specification, , &Quot; an ", " an ", " an "
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
카르보닐레이션 반응(Carbonylation reaction)은 일반적으로 일산화탄소(carbon monoxide, CO)를 작용시켜 카르보닐 화합물(carbonyl compound)을 생성하는 반응이다. 아세틸렌(acetylene, C2H2)과 일산화탄소의 반응에 의해 아크릴산(acrylic acid, C3H4O2) 유도체(derivative)를 합성하는 과정이 가장 중요한데, 이것은 레페 반응(Reppe reaction)의 일종으로 카르복시화라고도 불린다. 또한 아세틸렌과 일산화탄소를 펜타카르보닐철(Pentacarbonyliron, C5FeO5)의 존재 하에서 반응시켜 히드로퀴논(hydroquinone, C6H4(OH)2)을 생성하는 반응도 아세틸렌의 카르보닐화 반응의 일종이다.Carbonylation reaction is a reaction that generally produces carbonyl compounds by the action of carbon monoxide (CO). The process of synthesizing an acrylic acid (C 3 H 4 O 2 ) derivative by the reaction of acetylene (C 2 H 2 ) with carbon monoxide is the most important. This is a kind of reppe reaction, It is also called anger. The reaction of acetylene with carbon monoxide in the presence of pentacarbonyliron (C 5 FeO 5 ) to form hydroquinone (C 6 H 4 (OH) 2 ) is also a kind of carbonylation reaction of acetylene.
메틸 아세테이트(methyl acetate)는 아세트산(acetic acid), 아세트산 무수물(acetic anhydride)과 비닐 아세테이트(vinyl acetate) 등의 아세트산 유도체를 합성하는데 이용할 수 있는 유기 화학 원료와 용매가 된다. 메틸 아세테이트는 수소 첨가 환원을 통해 에탄올을 합성할 수도 있는데 이것은 현재 에탄올을 제조하는 공정에 대한 대체 방안으로 주목되고 있다. 또한 메틸 아세테이트는 친환경 용매로서 접착제, 페인트 및 잉크 수지 등에 이용되고 있다.Methyl acetate is an organic chemical source and solvent that can be used to synthesize acetic acid, acetic acid anhydride, and acetic acid derivatives such as vinyl acetate. Methyl acetate can also be used to synthesize ethanol through hydrogen reduction, which is now considered as an alternative to the process of producing ethanol. Methyl acetate is also used as an environment-friendly solvent for adhesives, paints, and ink resins.
불균일계 촉매(Heterogeneous catalyst)는 기체-고체계, 액체-고체계처럼 반응 물질과 상(Phase)을 달리하는 물질이 촉매가 되어 반응 속도를 변화시키는 경우, 그 물질을 불균일계 촉매라고 한다. 불균일계 촉매 반응에서 반응 물질은 우선 촉매 표면에 확산하여 화학 흡착(Chemisorption)을 일으키고, 이 흡착 분자가 반응에 관여해 생성물은 촉매 표면에서 이탈하여 기체상 또는 액체상으로 확산되어 계 밖으로 나온다. 불균일계 촉매로서 실제로 이용되는 것은 대부분 고체이고, 반응은 촉매 표면에서 이뤄지기 때문에 비표면적이 큰 것이 좋다.Heterogeneous catalysts are called heterogeneous catalysts when the reaction rate is changed by a substance that differs from the reactant and phase such as gas-solid system and liquid-solid system. In the heterogeneous catalytic reaction, the reactant first diffuses to the catalyst surface to cause chemisorption, and the adsorbed molecules are involved in the reaction, and the product is released from the catalyst surface and diffuses into the gas phase or the liquid phase to come out of the system. Most of the heterogeneous catalysts are solid, and the reaction is carried out on the surface of the catalyst.
카본 나이트라이드(Carbon nitride)는 C3N4의 화학식으로 표기되는 질소를 포함하는 탄소 물질이며 질화탄소라고도 한다. 질화탄소는 탄소와 질소가 공유결합을 형성하고 있는 이원화합물 알파(α), 베타(β), 입방정계(Cubic), 의사입방정계 그리고 흑연(Graphitic)의 질화탄소로 총칭될 수 있다. 그래파이트성 질화탄소는 메조 크기의 구형의 세공이 규칙적으로 배열되어 있어 3차원적으로 상호 연결된 형태를 가지어 질소 함량이 풍부하여 내부 전자 이동이 용이한 이점을 가지고 있다. 로듐 금속이 함유된 그래파이트성 질화탄소는 내부 루이스 산점 보유량이 많아져 전자 이동으로부터의 촉매-반응 간 상호작용을 주도하는 역할을 할 수 가 있으며 금속물질이 질화탄소 지지체에 고정화되는데 이점으로 제공된다.Carbon nitride is a carbon material containing nitrogen which is expressed by the chemical formula of C 3 N 4 and is also referred to as carbon nitride. The carbon nitride may be collectively referred to as a binary compound alpha (alpha), beta (beta), cubic system, pseudocubic system and Graphitic carbon nitride in which carbon and nitrogen form a covalent bond. The graphitic carbon nitride has a meso-sized spherical pores regularly arranged, and has a three-dimensionally interconnected shape, and has an advantage of facilitating internal electron movement because of its abundant nitrogen content. The graphitic carbon nitride containing rhodium metal has an increased internal Lewis acidic retention capacity and can play a role in catalyzing the interaction between the catalyst and the reaction from electron transport and is advantageously provided in that the metal material is immobilized on the carbon nitride support.
본 발명의 일 목적을 위한 불균일 촉매는 메조 기공 구조를 갖는 질화 탄소(carbon nitride)에 로듐이 고정된 것을 포함한다.A heterogeneous catalyst for one purpose of the present invention comprises rhodium immobilized on carbon nitride having a mesoporous structure.
본 발명은 넓은 비표면적 및 메조 크기의 기공을 지니는 질화탄소를 지지체로 활용하고, 활성 금속인 로듐을 지지체 상에 고정화함으로써 로듐의 분산성을 증대시키는 신규 촉매를 제공한다.The present invention provides a novel catalyst for increasing the dispersibility of rhodium by using carbon nitride having pores having a large specific surface area and meso size as a support and immobilizing rhodium as an active metal on a support.
일 실시예에서, 상기 메조 기공 구조는 규칙적인 세공 구조이고 비표면적이 300 m2/g 내지 1500 m2/g인 것일 수 있다.In one embodiment, the mesopore structure may be a regular pore structure and have a specific surface area of 300 m 2 / g to 1500 m 2 / g.
로듐 금속의 분산성 향상 및 카르보닐레이션 반응성 확보를 위해 사용하는 질화탄소는 비표면적이 300 m2/g 내지 1500 m2/g인, 바람직하게는 비표면적이 500 m2/g 내지 1100 m2/g이고, 평균 기공 크기가 2 nm 내지 10 nm인 메조 기공을 갖는 그래파이트성 질화탄소(mesoporous graphitic carbon nitride; mpg-C3N4)이다.The carbon nitride used for improving the dispersibility of the rhodium metal and ensuring the carbonylation reactivity has a specific surface area of 300 m 2 / g to 1500 m 2 / g, preferably a specific surface area of 500 m 2 / g to 1100 m 2 / g and mesoporous graphitic carbon nitride (mpg-C 3 N 4 ) having mesopores having an average pore size of 2 nm to 10 nm.
일 실시예에서, 질화탄소의 100 중량부에 대해, 상기 질화탄소에 고정된 로듐은 0.5 내지 6 중량부인 것일 수 있다.In one embodiment, with respect to 100 parts by weight of carbon nitride, the rhodium immobilized on the carbon nitride may be 0.5 to 6 parts by weight.
또한, 본 발명에서는 활성 물질인 로듐 금속을 질화탄소 지지체 상에 고정화시키고, 로듐의 함량을 통해 메탄올과 일산화탄소의 전환율 및 아세트산 및/또는 메틸아세테이트의 선택성을 조절할 수 있는 불균일계 촉매이다.In addition, the present invention is a heterogeneous catalyst capable of controlling the conversion of methanol and carbon monoxide and the selectivity of acetic acid and / or methyl acetate through the content of rhodium by immobilizing rhodium metal as an active material on a carbon nitride support.
상기 로듐의 총 함량은 질화탄소 지지체의 중량 기준으로 1 중량% 내지 7 중량%일 수 있는데, 로듐 함량이 7 중량%보다 초과하는 경우에는 고가의 로듐 사용으로 인해 경제성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.The total content of rhodium may be 1 wt% to 7 wt% based on the weight of the carbon nitride support. If the content of rhodium exceeds 7 wt%, economical efficiency may be deteriorated due to the use of expensive rhodium.
본 발명의 다른 목적을 위한 불균일계 촉매의 제조 방법은 탄소원 및 메조 세공된 템플레이트가 증류수에 혼합된 수용액을 열처리 하는 제1 단계; 열처리된 수용액에서 템플레이트를 제거하여, 메조 기공 구조를 갖는 질화탄소 지지체를 제조하는 제2 단계; 및 상기 질화탄소 지지체 및 로듐 전구체를 혼합하여, 상기 지지체 상에 로듐이 고정화된 불균일계 촉매를 제조하는 제3 단계를 포함한다.A method for producing a heterogeneous catalyst for another purpose of the present invention includes a first step of heat treating an aqueous solution containing a carbon source and a mesoporous template mixed with distilled water; A second step of removing the template from the heat-treated aqueous solution to produce a carbon nitride support having a mesoporous structure; And a third step of mixing the carbon nitride support and the rhodium precursor to prepare a rhodium-immobilized heterogeneous catalyst on the support.
일 실시예에서, 상기 제1 단계는 반응기에 상기 탄소원 및 템플레이트가 혼합된 증류수를 투입하고, 질소 기체를 70 ml/min의 유속으로 흘려주며 가열하여 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the first step may be performed by charging distilled water mixed with the carbon source and the template into a reactor, and flowing nitrogen gas at a flow rate of 70 ml / min and heating.
일 실시예에서, 상기 제3 단계는 수소화붕소나트륨(sodium brohydride)을 과량으로 넣은 용액을 첨가하여 금속 염을 환원 시키는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the third step may include reducing the metal salt by adding a solution containing an excess of sodium borohydride.
일 실시예에서 상기 탄소원은 헥사메틸렌테트라아민(Hexamethylenetetramine)일 수 있다.In one embodiment, the carbon source may be hexamethylenetetramine.
본 발명에서는 넓은 기공과 높은 표면적을 가지는 촉매의 합성을 위해 템플레이트로 실리카 주형을 사용한다. 상기 실리카 주형은 침탄법(carburization)으로 질화탄소가 제작될 당시 내부에 위치하고, 이후의 추출 공정을 통해 실리카 주형을 제거하여 기공을 확보하는 역할을 한다. In the present invention, a silica template is used as a template for synthesizing a catalyst having a wide pore and a high surface area. The silica template is located inside the carbon nitride by carburization and removes the silica template through the subsequent extraction process to secure pores.
일 실시예에서 상기 템플레이트는 비표면적이 200 m2/g 이상이고, 메조 기공 입경이 4.0 nm 이상일 수 있다. 구체적으로는 SBA-15, KiT-6, MCM-41, FSM-16등이 사용될 수 있다.In one embodiment, the template may have a specific surface area of 200 m 2 / g or more and a mesopore size of 4.0 nm or more. Specifically, SBA-15, KiT-6, MCM-41, FSM-16 and the like can be used.
상기 실리카 주형 물질의 추출은 강염기성 또는 강산성 용액을 사용하는데 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 템플레이트의 추출에 사용되는 용액은 수산화나트륨-증류수 수용액으로, 증류수에 수산화나트륨을 4 M 농도로 용해시켜 제조한 용액을 사용할 수 있다.The extraction of the silica template material uses a strongly basic or strongly acidic solution, but is not limited thereto. Preferably, the solution used for the extraction of the template is a sodium hydroxide-distilled water solution, and a solution prepared by dissolving sodium hydroxide in distilled water at a concentration of 4 M can be used.
구체적으로, 제1 과정은 탄소원으로 사용되는 헥사메틸렌테트라아민 및 실리카 주형물질인 SBA-15와 로듐 전구체로 로듐 나이트레이트를 함께 교반하여 SBA-15 내부에 헥사메틸렌테트라아민이 고르게 위치한 Rh(x)/mpg-C3N4 전구체를 준비한다.Specifically, the first step is a step of mixing rhodium nitrate with hexamethylenetetramine used as a carbon source and SBA-15, a silica template material, and rhodium nitrate as a rhodium precursor, to prepare Rh (x), hexamethylenetetramine, / mpg-C 3 N 4 precursor.
상기 제조한 mpg-C3N4 와 로듐 전구체를 혼합하는 과정에서, 수소화붕소나트륨(sodium brohydride)을 과량으로 넣은 용액을 전구체 용액에 한 방울 씩 떨어뜨리면서 금속염을 환원 시키는 단계를 포함한다.In the process of mixing the prepared mpg-C 3 N 4 and the rhodium precursor, a step of dropping a solution containing an excess of sodium borohydride into the precursor solution while reducing the metal salt.
상기 금속염은 암모늄염, 아세트산염, 수산화물, 질산염, 할라이드, 인산염, 과염소산염, 황산염 등 일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal salt may be an ammonium salt, an acetate salt, a hydroxide, a nitrate, a halide, a phosphate, a perchlorate, a sulfate, and the like, but is not limited thereto.
상기 환원 반응에 사용되는 환원제는 NaBH4, Na(BH3CN), LiBH4, N2H4, AlBH4, LiAlH4 및 이에 제한되지 않을 수 있다.The reducing agent used in the reduction reaction may not be limited to NaBH 4 , Na (BH 3 CN), LiBH 4 , N 2 H 4 , AlBH 4 , LiAlH 4, and the like.
제2 과정은 질소분위기하에서 600 ℃ 내지 900 ℃에서 5 시간 동안 유지한다. 이를 통해 헥사메틸렌테트라아민이 자가 중합하여 탄소와 질소의 재구조화(Rearrangement)를 하게 되고, 이를 통해 분말형태의 Rh(x)/mpg-C3N4 전구체를 얻을 수 있다.The second process is maintained at 600 ° C to 900 ° C for 5 hours under a nitrogen atmosphere. This leads to self-polymerization of hexamethylenetetramine, which leads to carbon and nitrogen rearrangement, resulting in powdered Rh (x) / mpg-C 3 N 4 precursors.
제3 과정은 상기 제1 과정에서 제조한 전구체를 4M NaOH 용액에 혼합한 후, 80 ℃에서 30 분 동안 교반한다. 그리고 여과 및 1 L의 증류수로 세척한 뒤 결과물을 80 ℃로 유지되는 순환식 건조기에서 건조를 진행하여 분말 형태의 Rh(x)/mpg-C3N4 촉매를 제조한다.In the third step, the precursor prepared in the first step is mixed with 4M NaOH solution and stirred at 80 ° C for 30 minutes. After filtration and washing with 1 L of distilled water, the resultant is dried in a circulating drier maintained at 80 ° C. to prepare a powdered Rh (x) / mpg-C 3 N 4 catalyst.
본 발명의 또 다른 목적을 위한 아세트산의 제조 방법은 청구항 1에 따른 불균일계 촉매 존재 하에서, 메탄올(Methanol)과 일산화탄소(Cabon monoxide)로부터 아세트산(Acetic Acid) 및 메틸 아세테이트(methyl acetate)를 제조하는 카르보닐레이션 반응(Carbonylation reaction)을 포함한다.Another method for producing acetic acid according to the present invention is a method for producing acetic acid from methanol and cabon monoxide in the presence of a heterogeneous catalyst according to
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 하지만 하기의 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 적용 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, and the scope of application of the present invention is not limited to these examples.
제조예 1. SBA-15 촉매의 제조Production Example 1. Preparation of SBA-15 catalyst
16.0 g의 플루로닉 p123 공중합체(pluronic p123 copolymer)를 150 ml의 증류수에 넣은 후 완전히 용해될 때까지 약하게 교반하였다. 이어서 37 % 염산 수용액 25 ml를 428 ml의 증류수에 넣은 후 35 ℃로 교반하였다. 상기 제조한 플루로닉 p123 공중합체 용액이 증류수에 완전히 용해된 것을 확인 후, 교반 중인 염산 용액에 넣고 35 ℃의 온도를 유지하면서 1 시간 추가 교반 후, 34.4 g의 TEOS(Tetraethoxysilane)를 반응 용액에 한 번 투입하고, 35 ℃의 온도 하에서 24 시간 동안 추가 교반 하였다. 24 시간의 교반이 완료된 반응 용액에 흰색의 침전이 생긴 것을 확인 후 테프론 용기가 내장된 오토클레이브(Auto clave)에 반응 용액을 옮겨 담고 약 100 ℃에서 하루 동안 수열 합성을 진행하였다. 수열 합성이 종료된 반응 용액은 식기 전에 세척 과정 없이 여과하였고, 여과 과정을 통해 용매를 충분히 제거 후 110 ℃ 오븐에서 약 1 시간가량 건조하였다. 건조를 마친 흰색 분말은 1 ℃/min의 승온 속도로 500 ℃까지 승온 후 6 시간을 유지하며 소성 과정을 수행하였고, 최종적으로 고운 흰색 분말 형태의 SBA-15 메조포러스 실리카를 제조하였으며, 제조된 SBA-15의 비표면적은 727 m2/g이고, 평균기공크기는 5.9 nm이다.16.0 g of pluronic p123 copolymer was placed in 150 ml of distilled water and stirred vigorously until completely dissolved. Then, 25 ml of a 37% hydrochloric acid aqueous solution was added to 428 ml of distilled water, and the mixture was stirred at 35 ° C. After confirming that the prepared pluronic p123 copolymer solution was completely dissolved in distilled water, the solution was added to a hydrochloric acid solution under stirring and further stirred for 1 hour while maintaining the temperature at 35 ° C. Then, 34.4 g of TEOS (tetraethoxysilane) was added to the reaction solution Lt; RTI ID = 0.0 > 35 C < / RTI > for 24 hours. After confirming that a white precipitate was formed in the reaction solution in which the stirring was completed for 24 hours, the reaction solution was transferred to an autoclave equipped with a Teflon container and subjected to hydrothermal synthesis at about 100 ° C. for one day. After completion of the hydrothermal synthesis, the reaction solution was filtered without washing before washing. After thoroughly removing the solvent through filtration, the reaction solution was dried in an oven at 110 ° C for about 1 hour. The dried white powder was heated to 500 ° C at a heating rate of 1 ° C / min and maintained for 6 hours. SBA-15 mesoporous silica in fine white powder form was finally prepared. SBA- -15 has a specific surface area of 727 m 2 / g and an average pore size of 5.9 nm.
제조예 2. mpg-CPreparation Example 2 mpg-C 33 NN 44 지지체의 제조 Preparation of support
상기에서 제조된 3 g의 SBA-15와 10.2 g의 헥사메틸렌테트라아민((CH2)6N4, Hexamethylenetetramine)을 160 ml의 증류수 용액과 혼합한 뒤 해당 용액에서 헥사메틸렌테트라아민이 모두 용해가 되면 60 ℃가 유지되는 항온도 조건에서 분속 180 rpm의 속도로 교반하면서 감압 건조를 하였다. 감압 건조된 전구체를 80 ℃ 순환식 건조기에 투입하여 12 시간 이상 건조를 하였다. 건조된 전구체를 퀼츠반응기(Quartz reactor)에 투입하였고, 질소 기체를 70 ml/min의 유속으로 흘려주면서 가열 반응을 진행하였다. 상기 가열 반응을 위하여 3 ℃/분의 승온 속도로 상온에서 750 ℃까지 승온한 후에 750 ℃에서 300 분간 유지하여 자가 중합 반응을 하였다. 그 후, 4 M NaOH 용액을 이용하여 실리카 주형 물질을 제거한 후, 여과 및 1 L의 증류수를 이용한 세척 과정을 거치고 80 ℃ 오븐에서 12 시간가량 건조 하였다. 최종적으로 분말 형태의 메조 기공을 갖는 질화탄소 지지체를 얻을 수 있다. 상기에서 제조된 촉매는 mpg-C3N4로 표기하였으며, 제조된 촉매의 비표면적은 656 m2/g이고, 기공 부피는 0.56 cm3/g 이고, 평균기공크기는 3.8 nm이다.3 g of SBA-15 and 10.2 g of hexamethylenetetramine ((CH 2 ) 6 N 4 , Hexamethylenetetramine) prepared above were mixed with 160 ml of distilled water solution, and hexamethylenetetramine was completely dissolved in the solution. Dried under reduced pressure while stirring at a constant rate of 180 rpm under a constant temperature condition where the temperature was kept at 60 ° C. The precursor dried under reduced pressure was placed in a circulating dryer at 80 캜 for drying for 12 hours or more. The dried precursor was added to a quartz reactor and the heating reaction was carried out while flowing nitrogen gas at a flow rate of 70 ml / min. For the heating reaction, the temperature was raised from room temperature to 750 ° C at a heating rate of 3 ° C / minute, and then maintained at 750 ° C for 300 minutes to perform an autopolymerization reaction. Thereafter, the silica template material was removed using a 4 M NaOH solution, followed by filtration and washing with 1 L of distilled water, followed by drying in an oven at 80 ° C. for 12 hours. Finally, a carbon nitride support having mesopores in powder form can be obtained. The catalyst prepared above was designated mpg-C 3 N 4. The specific surface area of the prepared catalyst was 656 m 2 / g, the pore volume was 0.56 cm 3 / g, and the average pore size was 3.8 nm.
실시예1. Rh(3)/mpg-CExample 1. Rh (3) / mpg-C 33 NN 44 불균일 촉매의 제조 Preparation of heterogeneous catalyst
상기에서 제조한 0.5 g의 mpg-C3N4 지지체와 0.309 g의 로듐 나이트레이트를 Rh(NO3)3를 50 ml의 증류수와 혼합한 뒤, NaBH4를 과량으로 넣은 10 ml 용액을 전구체 용액에 한 방울 씩 떨어뜨린 후 상온에서 180 rpm의 교반 속도로 30 분 동안 교반한다. 이후에, 여과 및 80 ℃ 순환식 건조기에서 12 시간 이상 건조하여 분말 상태의 촉매를 제조하였다. 최종적으로 제조된 촉매는 질화탄소 지지체 상에 로듐이 고정화된 불균일 촉매이며, 지지체 중량 대비 로듐의 함량은 3 중량%였다. 상기 제조된 촉매는 Rh(3)/mpg-C3N4로 표기하였다. 비표면적은 926 m2/g이고, 기공 부피는 0.74 cm3/g 이고, 평균기공크기는 3.5 nm이다.A mpg-C 3 N 4 substrate and 0.309 g of rhodium nitrate of 0.5 g prepared from the Rh (NO 3) after the 3 mixed with 50 ml of distilled water, the precursor to 10 ml solution into the NaBH 4 in excess solution Dropwise, and the mixture is stirred at room temperature for 30 minutes at a stirring speed of 180 rpm. Thereafter, the powdery catalyst was prepared by filtration and drying in a circulating dryer at 80 DEG C for 12 hours or more. The finally prepared catalyst was a heterogeneous catalyst on which rhodium was immobilized on a carbon nitride support, and the content of rhodium relative to the weight of the support was 3 wt%. The prepared catalyst was denoted by Rh (3) / mpg-C 3 N 4. The specific surface area is 926 m 2 / g, the pore volume is 0.74 cm 3 / g, and the average pore size is 3.5 nm.
실시예2 및 실시예5. Rh(5)/mpg-CExamples 2 and 5. Rh (5) / mpg-C 33 NN 44 불균일 촉매의 제조 Preparation of heterogeneous catalyst
상기에서 실시예 1과 동일한 방법으로 불균일 촉매를 제조하되, 다만 실시예 1에서 지지체 중량 대비 로듐 함량이 5 중량%인 촉매를 제조하기 위해 0.5 g의 mpg-C3N4 지지체와 0.526 g의 로듐 나이트레이트(Rh(NO3)3)를 사용하였다. 상기 제조된 촉매는 Rh(5)/mpg-C3N4로 표기하며, 비표면적은 1280 m2/g이고, 기공 부피는 1.01 cm3/g이며, 평균기공크기는 3.4 nm이다.A heterogeneous catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.5 g of an mpg-C 3 N 4 support and 0.526 g of rhodium were added in order to prepare a catalyst having a rhodium content of 5 wt% Nitrate (Rh (NO 3 ) 3 ) was used. The prepared catalyst is represented by Rh (5) / mpg-C 3 N 4 , having a specific surface area of 1280 m 2 / g, a pore volume of 1.01 cm 3 / g, and an average pore size of 3.4 nm.
실시예3. Rh(1)-mpg-CExample 3. Rh (1) -mpg-C 33 NN 44 불균일 촉매의 제조 Preparation of heterogeneous catalyst
제조된 SBA-15를 이용하여 나노 복제 법을 통해 메조 기공을 갖는 불균일계 로듐-질화탄소 촉매를 제조하였다. 0.5 g의 SBA-15를 20 ml의 증류수와 혼합한 뒤 해당 용액에 1.7 g의 헥사메틸렌테트라아민과 0.0686 g의 로듐 나이트레이트(Rh(NO3)3)를 첨가하였으며, 로듐 나이트레이트의 양은 최종으로 만들어지는 질화탄소 지지체의 중량 대비로 로듐 중량을 계산한 것이다. 60 ℃가 유지되는 항온도 조건에서 분속 180 rpm의 속도로 교반을 진행하였다. 상기 헥사메틸렌테트라아민 및 로듐 나이트레이트가 증류수에 완전히 용해된 것을 확인 한 후, 70 ℃에서 감압 건조를 실시하였다. 이 후, 80 ℃ 순환식 건조기에 투입하여 12 시간 이상 건조를 하였다. 건조된 전구체를 퀼츠반응기에 투입하고, 질소 기체를 70 ml/min의 유속으로 흘려주면서 가열 반응을 진행하였다. 상기 가열 반응을 위하여 3 ℃/분의 승온 속도로 상온에서 750 ℃까지 승온 시킨 NaOH 용액을 이용하여 실리카 주형 물질을 제거한 후, 여과 및 증류수를 이용한 세척 과정을 거치고 80 ℃ 오븐에서 12 시간가량 건조하였고, 최종적으로 검은색 분말 형태의 로듐-질화탄소 촉매를 얻을 수 있었다. 상기에서 제조된 촉매는 Rh(1)-mpg-C3N4로 표기하며, 제조된 촉매의 비표면적은 422 m2/g이고, 기공 부피는 0.40 cm3/g이며, 평균기공크기는 3.8 nm이다.The heterogeneous rhodium-nitrided carbon catalyst having mesopores was prepared through the nano-replication method using the prepared SBA-15. 0.5 g of SBA-15 was mixed with 20 ml of distilled water, 1.7 g of hexamethylenetetramine and 0.0686 g of rhodium nitrate (Rh (NO 3 ) 3 ) were added to the solution, and the amount of rhodium nitrate And the weight of the rhodium was calculated. Stirring was carried out at a constant rate of 180 rpm under a constant temperature condition at 60 캜. After confirming that hexamethylenetetramine and rhodium nitrate were completely dissolved in distilled water, they were dried under reduced pressure at 70 ° C. Thereafter, it was put into a circulating dryer at 80 캜 and dried for 12 hours or more. The dried precursor was introduced into a quilting reactor and heated under a flow of nitrogen gas at a flow rate of 70 ml / min. For the heating reaction, the silica template material was removed using a NaOH solution heated from room temperature to 750 ° C at a heating rate of 3 ° C / min, followed by filtration and washing with distilled water, followed by drying in an oven at 80 ° C for 12 hours , And finally a rhodium-carbon nitride catalyst in the form of a black powder was obtained. The catalyst thus prepared was designated Rh (1) -mpg-C 3 N 4. The catalyst had a specific surface area of 422 m 2 / g, a pore volume of 0.40 cm 3 / g and an average pore size of 3.8 nm.
실시예4. Rh(4)-mpg-CExample 4. Rh (4) -mpg-C 33 NN 44 불균일 촉매의 제조 Preparation of heterogeneous catalyst
상기에서 실시예3과 동일한 방법으로 불균일 촉매를 제조하되, 다만 실시예3에서 지지체 중량 대비 로듐 함량이 4 중량%인 촉매를 제조하기 위해서 0.283 g의 로듐 나이트레이트(Rh(NO3)3)를 사용하였다. 상기 제조된 촉매는 Rh(4)-mpg-C3N4로 표기하며, 비표면적은 1028 m2/g이고, 기공 부피는 0.77 cm3/g이며, 평균기공크기는 3.2 nm이다.A heterogeneous catalyst was prepared in the same manner as in Example 3, except that 0.283 g of rhodium nitrate (Rh (NO 3 ) 3 ) was added to prepare a catalyst having a rhodium content of 4 wt% Respectively. The prepared catalyst is represented by Rh (4) -mpg-C 3 N 4 , and has a specific surface area of 1028 m 2 / g, a pore volume of 0.77 cm 3 / g, and an average pore size of 3.2 nm.
비교예1. Rh(7)/mpg-CComparative Example 1 Rh (7) / mpg-C 33 NN 44 불균일 촉매의 제조 Preparation of heterogeneous catalyst
상기에서 실시예 1과 동일한 방법으로 불균일 촉매를 제조하되, 다만 실시예1에서 지지체 중량 대비 로듐 함량이 7 중량%인 촉매를 제조하기 위해 0.5 g의 mpg-C3N4 지지체와 0.752 g의 로듐 나이트레이트 Rh(NO3)3를 사용하였다. 상기 제조된 촉매는 Rh(7)/mpg-C3N4로 표기하고, 비표면적은 1156 m2/g 이고, 기공 부피는 0.91 cm3/g이며, 평균기공크기는 3.5 nm이다.A heterogeneous catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.5 g of an mpg-C 3 N 4 support and 0.752 g of rhodium were added to prepare a catalyst having a rhodium content of 7 wt% Nitrate Rh (NO 3 ) 3 was used. The prepared catalysts are Rh (7) / mpg-C 3 N 4 as indicated, and the specific surface area is 1156 m 2 / g, pore volume is 0.91 cm 3 / g, an average pore size of 3.5 nm.
비교예2. Rh(3)/g-CComparative Example 2 Rh (3) / g-C 33 NN 44 불균일계 촉매의 제조 Preparation of heterogeneous catalyst
(1) 질화탄소 지지체의 제조(1) Production of carbon nitride support
분말 형태의 멜라민 (melamine) 10 g을 관형 반응기(tube reactor)에 투입하고, 질소 기체를 50 mL/min의 유속으로 흘려주면서 가열 반응을 진행하였다. 상기 가열 반응을 위하여 1.9 ℃/분의 승온 속도로 상온에서 250 ℃까지 도달하면, 250 ℃에서 30 분간 유지시킨다. 이후에 1.7 ℃/분의 승온 속도로 250 ℃에서 350 ℃까지 가열한 후에 350 ℃에서 30 분간 유지하였다. 그리고 순차적으로 3.3 ℃/분의 승온 속도로 350 ℃에서 550 ℃까지 가열한 후에 550 ℃에서 240 분간 유지하였다. 느린 침탄법(carburization)으로 제조한 질화탄소 지지체의 비표면적은 12.8 m2/g이다.10 g of melamine powder was charged into a tube reactor, and a heating reaction was carried out while flowing nitrogen gas at a flow rate of 50 mL / min. When the temperature is raised from room temperature to 250 ° C at a heating rate of 1.9 ° C / min for the heating reaction, the temperature is maintained at 250 ° C for 30 minutes. Thereafter, it was heated from 250 캜 to 350 캜 at a heating rate of 1.7 캜 / min, and then maintained at 350 캜 for 30 minutes. Subsequently, the substrate was heated from 350 ° C to 550 ° C at a heating rate of 3.3 ° C / min, and then maintained at 550 ° C for 240 minutes. The specific surface area of the carbon nitride support produced by slow carburization is 12.8 m 2 / g.
(2) 로듐 착물의 제조(2) Preparation of rhodium complex
0.652 g 디클로로테트라카보닐디로듐(C4O4Cl4Rh2)을 30 mL의 디클로로메탄에 용해시킨 후에, 리간드로서 0.6271 g의 3-벤조일피리딘(C6H5COC5H4N)을 넣고 용해시켰다. 상온(약 25 ℃)에서 약 1 시간 동안 숙성시킨 후에 감압 건조를 통하여 용매를 제거한 수, 30 mL의 헥산(Hexane)을 이용하여 세척하였다. 상기의 헥산 세척 과정이 완료된 후에는 상온에서 24 시간 이상 건조하여 로듐 착물을 제조하였다.After 0.652 g of dichlorotetracarbonyldiiron (C 4 O 4 Cl 4 Rh 2 ) was dissolved in 30 mL of dichloromethane, 0.6271 g of 3-benzoylpyridine (C 6 H 5 COC 5 H 4 N) was added as a ligand . After aging at room temperature (about 25 ° C) for about 1 hour, the solvent-removed water was washed with 30 mL of hexane through vacuum drying. After completion of the hexane washing process, the rhodium complex was dried at room temperature for 24 hours or more.
(3) 불균일 촉매의 제조(3) Production of heterogeneous catalyst
로듐 착물 0.012 g과 질화탄소 지지체 0.388 g을 사용하여 지지체 중량 대비 로듐 착물의 함량이 3 중량%인 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매는 Rh(3)/g-C3N4로 표기한다.0.012 g of a rhodium complex and 0.388 g of a carbon nitride support were used to prepare a catalyst having a rhodium complex content of 3 wt% based on the weight of the support. The catalyst thus prepared is represented by Rh (3) / gC 3 N 4 .
비교예3.Rh(7)/WComparative Example 3. Rh (7) / W xx C 불균일계 촉매의 제조C heterogeneous catalyst
제조된 로듐 착물 0.028 g과 지지체인 텅스텐 카바이드 0.372 g을 50 ml의 디클로로메탄에 용해시킨 후, 상온에서 180 rpm의 교반 속도로 2 시간 동안 교반하였다. 감압 건조를 통하여 용매인 디클로로메탄을 제거하고 상온에서 12 시간 이상 건조하여 분말 상태의 촉매를 제조하였다. 최종적으로 제조된 촉매는 텅스텐 카바이드 지지체 중량 대비 로듐 착물의 함량이 7 중량%인 촉매를 제조하였고, 상기 제조된 촉매는 Rh(7)/WxC로 표기하였다. 사용한 텅스텐 카바이드 지지체의 비표면적은 10.4 m2/g 및 평균기공크기는 5.4 nm이며, Xray diffraction로 분석한 결과, WC, W2C가 [W2C]/[WC]=9.2의 몰비로 구성되어 있음을 확인하였다.0.028 g of the prepared rhodium complex and 0.372 g of tungsten carbide as a support were dissolved in 50 ml of dichloromethane and stirred at a stirring speed of 180 rpm at room temperature for 2 hours. Dichloromethane as a solvent was removed through reduced pressure drying and dried at room temperature for 12 hours or more to prepare a powdery catalyst. The catalyst finally prepared was a catalyst having a rhodium complex content of 7 wt% based on the weight of the tungsten carbide support, and the prepared catalyst was designated as Rh (7) / W x C. The specific surface area of the used tungsten carbide support was 10.4 m 2 / g and the average pore size was 5.4 nm. Analysis by Xray diffraction showed that WC and W 2 C were composed with a molar ratio of [W 2 C] / [WC] = 9.2 Respectively.
비교예4. Rh(10)/PVP 불균일계 촉매의 제조Comparative Example 4 Preparation of Rh (10) / PVP heterogeneous catalyst
제조된 로듐 착물 0.040 g과 폴리머 지지체로서 폴리머 지지체로서 폴리(4-비닐 피리딘) 0.360 g을 사용하여 지지체 중량 대비 로듐 착물의 함량이 10 중량%인 촉매를 제조하였다. 상기 제조된 촉매를 Rh(10)/PVP로 표시하였다.0.040 g of the prepared rhodium complex and 0.360 g of poly (4-vinylpyridine) as a polymer support were used to prepare a catalyst having a rhodium complex content of 10 wt% based on the weight of the support. The catalyst thus prepared was designated Rh (10) / PVP.
실험예1. NExperimental Example 1 N 22 흡착, 탈착 및 BET/BJH 기공 분석 Adsorption, desorption and BET / BJH pore analysis
상기 실시예 및 비교예에 따른 모든 샘플을 이용하여 N2 흡착, 탈착, 기공 부피 및 기공 크기 분석을 수행하였다. 구체적으로, Micromeritics사의 TriStar 3000을 이용하여 77 K에서 질소 흡착, 탈착 등온 곡선을 얻었으며, 이로부터 BET (Brunaure-Emmett-Teller)와 BJH (Barrett-Joyner-Halenda)식을 통해 표면적과 기공 부피 및 기공 크기를 계산하였다. 특히, 비표면적은 P/P0가 0.05 에서부터 0.3 인 지점까지 선형적으로 증가하는 부분을 정하여 계수(correlation coefficient)의 정확도가 최소 99.99 %가 되는 구간을 이용하여 계산하였다. 그 내용을 도 1 및 도 2에 나타냈다. N 2 adsorption, desorption, pore volume and pore size analysis were performed using all the samples according to the Examples and Comparative Examples. Specifically, nitrogen adsorption and desorption isotherm curves were obtained at 77 K using a Micromeritics TriStar 3000, from which the surface area and pore volume were measured by BET (Brunaure-Emmett-Teller) and BJH (Barrett-Joyner-Halenda) The pore size was calculated. Particularly, the specific surface area was calculated by using a section where the accuracy of the correlation coefficient is at least 99.99% by defining a linearly increasing portion from P / P 0 to a point of from 0.3 to 0.05. The contents thereof are shown in Fig. 1 and Fig.
실험예2. 메탄올의 카르보닐화 반응에 의한 아세트산 및 메틸아세테이트 제조Experimental Example 2 Preparation of Acetic Acid and Methyl Acetate by Carbonylation of Methanol
상기의 실시예1, 2 및 비교예1 내지 4에 제조된 불균일계 촉매를 사용하여 메탄올과 일산화탄소로부터 초산으로의 카르보닐레이션 반응은 파이렉스(Pyrex) 용기가 장착된 125 ml의 배치형 고압 반응기(Autoclave)에서 진행되었다. 카르보닐레이션 반응에 사용한 반응물로써는 8 ml의 메탄올, 10 ml의 반응조촉매(Reaction co-catalyst)인 아이오도메탄(Iodomethane, CH3I) 2 ml의 증류수 및 0.1 g의 제조된 불균일계 촉매를 사용하였다. 고압 상에서 진행되는 반응의 분위기 조성을 위하여 반응물인 일산화탄소를 내부 표준물질인 질소와의 몰비로써 90 : 10의 혼합가스 형태로 40 bar 까지 주입하여 반응을 준비하였다. 이후 100 rpm의 속도로 반응물들 및 조촉매를 교반시키며 반응기 내부 온도가 140 ℃ 승온 시킨 후, 반응기 내부 온도가 반응 온도인 140 ℃에 도달하면 승온을 종료한 뒤 교반 속도를 300 rpm으로 상승시키고 3 시간 동안 카르보닐레이션 반응을 실시하였다.The carbonylation reaction of methanol and carbon monoxide to acetic acid using the heterogeneous catalysts prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 was carried out in a 125 ml batch type high pressure reactor equipped with a Pyrex vessel Autoclave. As the reactants used in the carbonylation reaction, 8 ml of methanol, 10 ml of reaction catalyst (Iodomethane, CH 3 I), 2 ml of distilled water and 0.1 g of the prepared heterogeneous catalyst were used Respectively. In order to prepare the atmosphere of reaction proceeding at high pressure, carbon monoxide as a reactant was injected up to 40 bar in the form of a mixed gas of 90: 10 at a molar ratio with nitrogen as an internal standard substance to prepare a reaction. Thereafter, the reactants and the cocatalyst were stirred at a rate of 100 rpm. After the internal temperature of the reactor was raised to 140 ° C, when the internal temperature of the reactor reached 140 ° C, the temperature was increased to 300 rpm Carbonylation reaction was carried out for a period of time.
실험예3. 아세트산 및 메틸아세테이트가 포함된 메탄올의 카르보닐화 반응에 의한 아세트산 및 메틸 아세테이트 제조Experimental Example 3. Preparation of Acetic Acid and Methyl Acetate by Carbonylation of Methanol Containing Acetic Acid and Methyl Acetate
상기의 실시예3 내지 5에 제조된 불균일계 촉매를 사용하여 메탄올과 일산화탄소로부터 초산으로의 카르보닐레이션 반응은 파이렉스(Pyrex) 용기가 장착된 125 ml의 배치형 고압반응기에서 진행되었다. 카르보닐레이션 반응에 사용한 반응물로 4.495 g의 메탄올, 2 ml의 반응 조촉매인 아이오도메탄, 1.081 g의 증류수 및 카르보닐레이션 반응에서 생성되는 1.489 g의 메틸 아세테이트 및 8 ml의 아세트산을 첨가하였다. 제조된 불균일계 촉매를 사용하였다. 고압 상에서 진행되는 반응의 분위기 조성을 위하여 반응물인 일산화탄소를 내부 표준물질인 질소와의 몰비로써 90 : 10 의 혼합가스 형태로 40 bar까지 주입하여 반응을 준비하였다. 이후 100 rpm의 속도로 반응물들 및 조촉매를 교반시키며 반응기 내부 온도가 190 ℃ 승온 시킨 후, 반응기 내부 온도가 반응 온도인 190 ℃에 도달하면 승온을 종료한 뒤 교반 속도를 300 rpm 으로 상승시키고 3 시간 동안 카르보닐레이션 반응을 실시하였다. 상기의 반응은 반응물인 메탄올의 전환율이 일정 수준에서 안정화 되는 반응 시작 후 3 시간의 샘플을 채취하여 메탄올의 전환율 및 생성물 선택도를 계산하여 다음 표 1에 제시하였다. Carbonylation reactions of methanol and carbon monoxide to acetic acid using the heterogeneous catalysts prepared in Examples 3 to 5 were carried out in a 125 ml batch type high pressure reactor equipped with a Pyrex vessel. 4.495 g of methanol, 2 ml of reaction catalyst iodomethane, 1.081 g of distilled water and 1.489 g of methyl acetate produced in the carbonylation reaction and 8 ml of acetic acid were added to the carbonylation reaction. The prepared heterogeneous catalyst was used. In order to prepare the atmosphere of reaction proceeding at high pressure, carbon monoxide as a reactant was injected up to 40 bar in the form of a mixed gas of 90: 10 at a molar ratio with nitrogen as an internal standard substance to prepare a reaction. Thereafter, the reactants and the cocatalyst were stirred at a rate of 100 rpm. After the internal temperature of the reactor was raised to 190 ° C, when the internal temperature of the reactor reached 190 ° C, the temperature was elevated to 300 rpm Carbonylation reaction was carried out for a period of time. The above reaction was carried out for 3 hours after the start of the reaction, in which the conversion of methanol as a reactant was stabilized at a certain level, and methanol conversion and product selectivity were calculated.
(카본 몰%)Methanol conversion rate
(Carbon mole%)
(몰%)Yield 2 )
(mole%)
아세테이트methyl
acetate
1) 기타: 아세트알데하이드와 아세톤으로 분석되었음1) Other: analyzed as acetaldehyde and acetone
2) 수율= (메탄올 전환율) * (아세트산 선택도+메틸아세테이트 선택도)2) Yield = (methanol conversion) * (selectivity for acetic acid + selectivity for methyl acetate)
상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이, 실시예1 내지 실시예5의 촉매는 본 발명에서 제시하는 넓은 비표면적 및 메조 기공을 갖는 불균일계 촉매로써, 질화탄소로써 지지체에 로듐 원소량이 각각 전체 지지체 중량 대비 1 중량% 내지 5 중량%로 고정화되어 있는 촉매로, Rh(5)/mpg-C3N4 촉매의 경우 실험예1의 조건에서 반응물인 메탄올의 전환율이 90 카본 몰% 이상으로써 촉매적 활성이 우수함을 확인할 수 있었다. As shown in the above Table 1, the catalysts of Examples 1 to 5 are heterogeneous catalysts having a wide specific surface area and a mesopore as disclosed in the present invention, in which the amounts of rhodium atoms in the support, (5) / mpg-C 3 N 4 catalyst was adjusted to be 1 wt% to 5 wt% based on the weight of the catalyst, the catalytic conversion of methanol as the reactant was 90% It was confirmed that the activity was excellent.
반면, 실험예1의 조건에서 실험한 비교예1의 경우에는 지지체 중량 대비 7 중량%로 초과한 양만큼의 촉매 활성 개선 효과를 기대할 수 없음을 확인하였다. 또한 로듐 함량이 동일한 실시예1과 비교예2를 비교해보면, 비교예2의 경우 메탄올의 전환율은 56.8 몰%와 아세트산과 메틸 아세테이트의 수율이 51.5 몰%였으며 부산물인 아세톤과 아세트 알데하이드(acetaldehyde)의 선택도가 9.3 몰%로 상대적으로 증가하는 경향을 보였다.On the other hand, in the case of Comparative Example 1 tested under the conditions of Experimental Example 1, it was confirmed that the improvement effect of the catalytic activity by an amount exceeding 7 wt% based on the weight of the support could not be expected. Comparing Example 1 and Comparative Example 2 having the same rhodium content, in Comparative Example 2, the conversion of methanol was 56.8 mol%, the yield of acetic acid and methyl acetate was 51.5 mol%, and the yield of acetone and acetaldehyde The selectivity was increased to 9.3 mol%.
또한, 비교예3 및 4의 경우에는 벌크한 텅스텐 카바이드와 폴리머 지지체에 로듐 착물이 7 중량% 내지 10 중량%로 과량으로 담지 시켜 제조한 것으로 실시예2와 활성도 실험 결과를 비교하면 반응물로서 메탄올의 전환율과 생성물인 아세트산과 메틸 아세테이트로의 수율이 높지 않음을 확인 할 수 있다. 반면에 부산물인 아세톤과 아세트 알데하이드의 선택도가 13.6 몰% 이상으로 증가하는 경향을 보였다.In Comparative Examples 3 and 4, a rhodium complex was supported in an excess amount of 7 wt% to 10 wt% on bulk tungsten carbide and a polymer support, and the results of the activity test with Example 2 were compared. As a result, It can be confirmed that the conversion rate and the yields of the products acetic acid and methyl acetate are not high. On the other hand, the selectivities of acetone and acetaldehyde as by-products tended to increase to 13.6 mol% or more.
실험예2의 조건에서는 실험예1과는 다르게 실제 공정에서 반응물에 포함되어 있는 아세톤 및 메틸 아세테이트가 포함된 실험 조건으로 이와 같은 조건에서 실험한 실시예1 내지 5의 경우, 메탄올의 전환율이 최소 92.3 몰%이며, 아세트산의 선택도가 56.4 몰% 및 메틸 아세테이트가 43.6 몰%로 우수함을 확인할 수 있었다.Unlike Experimental Example 1, in Experimental Example 2, in Experimental Conditions in which acetone and methyl acetate contained in the reactant were contained in the actual process, Examples 1 to 5, which were tested under these conditions, showed a methanol conversion of at least 92.3 Mol%, the selectivity of acetic acid was 56.4 mol%, and the content of methyl acetate was 43.6 mol%.
또한, 실시예3의 경우에는 메틸 아세테이트가 우세하게 생성되며, 실시예4 및 5와 비교해보면 로듐의 양이 증가할수록 아세트산의 생산율 증가되는 경향을 볼 수 있다. 본 발명의 촉매의 경우 넓은 비표면적을 가지는 질화탄소 지지체를 사용하는 경우, 활성물질인 로듐이 고루 분산되어 적은 로듐 함량으로도 높은 촉매 활성을 나타내며, 부산물인 아세톤 및 아세트 알데하이드의 선택도가 매우 낮아 순도 높은 생성물이 얻어지므로 부산물을 처리하는 추가 공정이 필요하지 않을 수 있는 이점을 가지며, 불균일계 촉매로 따로 분리 공정이 필요하지 않을 수 있다.In addition, in the case of Example 3, methyl acetate is predominantly produced, and as compared with Examples 4 and 5, the production rate of acetic acid tends to increase as the amount of rhodium increases. In the case of the catalyst of the present invention, when a carbon nitride support having a large specific surface area is used, rhodium as an active material is uniformly dispersed, exhibits high catalytic activity even with a small rhodium content, and has low selectivity for acetone and acetaldehyde as by-products Since a high purity product is obtained, there is an advantage that an additional process for treating by-products may not be necessary, and a separation process may not be necessary as a heterogeneous catalyst.
도 1은 실시예1 내지 4의 샘플에 대한 실험 결과를 나타낸 도면이다.1 is a graph showing the results of experiments on the samples of Examples 1 to 4;
도 2는 실시예1 내지 4의 샘플에 대한 기공 분석 결과를 나타낸 도면이다.Fig. 2 is a view showing pore analysis results for the samples of Examples 1 to 4. Fig.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 실시예1 내지 4의 샘플에 대한 N2 흡착 및 탈착 그래프이며, 도 2는 실시예1 내지 4 의 샘플에 대한 BET/BJH 기공 분석 결과 그래프이다. 실시예 5의 샘플은 실시예2와 동일한 촉매 샘플이므로 도 1 및 도 2에서 제외한다. 도 1에 나타낸 모든 샘플의 질소 흡착 및 탈착 등온선과 BET/BJH 기공 분석의 분포도를 보면, 히스테리시스 곡선을 포함하는 메조포러스 타입-IV의 등온선이 나타나는 것을 확인 할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, FIG. 1 is a graph of N 2 adsorption and desorption for the samples of Examples 1 to 4, and FIG. 2 is a graph of BET / BJH pore analysis results for the samples of Examples 1 to 4. Since the sample of Example 5 is the same catalyst sample as that of Example 2, it is excluded from Fig. 1 and Fig. The nitrogen adsorption and desorption isotherms of all the samples shown in FIG. 1 and the distributions of the BET / BJH pore analysis show that the isotherms of the mesoporous type-IV including the hysteresis curve appear.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.
Claims (9)
불균일계 촉매.
Characterized in that rhodium is fixed to carbon nitride having a mesoporous structure.
Heterogeneous catalyst.
상기 메조 기공 구조는 규칙적인 세공 구조이고 비표면적이 300 m2/g 내지 1500 m2/g인 것을 특징으로 하는,
불균일계 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the mesopore structure is a regular pore structure and has a specific surface area of 300 m 2 / g to 1500 m 2 / g.
Heterogeneous catalyst.
질화탄소의 100 중량부에 대해, 상기 질화탄소에 고정된 로듐은 0.5 내지 6 중량부인 것을 특징으로 하는,
불균일계 촉매.
The method according to claim 1,
Characterized in that the rhodium fixed to the carbon nitride is 0.5 to 6 parts by weight based on 100 parts by weight of carbon nitride.
Heterogeneous catalyst.
열처리된 수용액에서 템플레이트를 제거하여, 메조 기공 구조를 갖는 질화탄소 지지체를 제조하는 제2 단계; 및
상기 질화탄소 지지체 및 로듐 전구체를 혼합하여, 상기 지지체 상에 로듐이 고정화된 불균일계 촉매를 제조하는 제3 단계를 포함하는,
불균일계 촉매의 제조 방법.
A first step of heat treating an aqueous solution containing a carbon source and a mesoporous template mixed with distilled water;
A second step of removing the template from the heat-treated aqueous solution to produce a carbon nitride support having a mesoporous structure; And
And a third step of mixing the nitride carbon support and the rhodium precursor to produce a rhodium-immobilized heterogeneous catalyst on the support.
A method for producing a heterogeneous catalyst.
상기 제1 단계는
반응기에 상기 탄소원 및 템플레이트가 혼합된 증류수를 투입하고, 질소 기체를 70 ml/min의 유속으로 흘려주며 가열하여 수행하는 것을 특징으로 하는,
불균일계 촉매의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
The first step
Characterized in that distilled water mixed with the carbon source and the template is introduced into a reactor and nitrogen gas is flowed at a flow rate of 70 ml / min and heated.
A method for producing a heterogeneous catalyst.
상기 제3 단계는
수소화붕소나트륨(sodium brohydride)을 과량으로 넣은 용액을 첨가하여 금속 염을 환원 시키는 단계를 포함하는,
불균일계 촉매의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
In the third step,
Comprising the step of reducing the metal salt by adding a solution of sodium borohydride in excess,
A method for producing a heterogeneous catalyst.
상기 탄소원은 헥사메틸렌테트라아민(Hexamethylenetetramine)인,
불균일계 촉매의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the carbon source is hexamethylenetetramine,
A method for producing a heterogeneous catalyst.
상기 템플레이트는 비표면적이 200 m2/g 이상이고, 메조 기공 입경이 4.0 nm 이상인 것을 특징으로 하는,
불균일계 촉매의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the template has a specific surface area of 200 m 2 / g or more and a mesopore size of 4.0 nm or more.
A method for producing a heterogeneous catalyst.
아세트산의 제조 방법.Characterized in that it comprises a carbonylation reaction for producing acetic acid and methyl acetate from methanol and cabon monoxide in the presence of a heterogeneous catalyst according to claim 1,
Acetic acid.
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