KR20190063291A - Catalyst production device and system - Google Patents

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KR20190063291A
KR20190063291A KR1020170162257A KR20170162257A KR20190063291A KR 20190063291 A KR20190063291 A KR 20190063291A KR 1020170162257 A KR1020170162257 A KR 1020170162257A KR 20170162257 A KR20170162257 A KR 20170162257A KR 20190063291 A KR20190063291 A KR 20190063291A
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이원용
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손영준
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김승곤
신동원
오환영
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Abstract

The present invention relates to a core-shell catalyst production device with improved durability and electrochemical performance of a catalyst by including a nitrogen element in a core in a liquid phase, and a system for the same. A catalyst production device comprises: a reaction chamber (30) having a predetermined size with a circular or prismatic shape and including a raw material injection port (80); two or more reaction chambers (20) positioned inside the reaction chamber (30), having a cylindrical shape, and connected to each other by a fluid flow pipe (70); and a cavitation generation device (10) having a protrusion part to be inserted into the reaction chamber (20). A catalyst production system comprises: the catalyst production device; a pump (40) connected to the fluid flow pipe (70) to allow a fluid to flow; a filter (50) for filtering particulate matters flowing inside the fluid flow pipe (70); and a drying device for drying the catalyst filtered by the filter (50).

Description

촉매 제조장치 및 시스템 {Catalyst production device and system}[0001] Catalyst production device and system [0002]

본 발명은 촉매를 제조하는 제조장치 및 시스템에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 액상에서 코어에 질소 원소를 포함함으로써 촉매의 내구성 및 전기화학적 성능이 향상된 코어-쉘 촉매를 제조하는 장치 및 시스템에 대한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a system for producing a catalyst, and more particularly to an apparatus and a system for producing a core-shell catalyst having improved durability and electrochemical performance of a catalyst by including a nitrogen element in a core in a liquid phase .

일반적으로 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 연료전지(Fuel cell)는 연료의 산화/환원에 의해 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로써, 최근 전기 자동차와 같은 수송용 및 가정에서의 전원 공급용 미래형 전기 동력으로 기대되고 있다. 연료전지에서의 전극 반응은 음극에서의 수소 산화 반응과 양극에서의 산소 환원 반응으로 구성되는데, 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell) 등 저온에서 구동되는 연료전지 시스템에서 이들 전기화학반응이 실제 원활히 일어나기 위해서는 반응속도가 효과적으로 증가되어야 한다.Fuel cell, which is generally regarded as a next generation energy source, is a device that directly converts chemical energy generated by oxidation / reduction of fuel into electric energy. Recently, fuel cell (fuel cell) It is expected to be the future electric power for the future. The electrode reaction in the fuel cell consists of the hydrogen oxidation reaction in the anode and the oxygen reduction reaction in the anode. In a fuel cell system driven at low temperature, such as a polymer electrolyte membrane fuel cell, The reaction rate must be effectively increased in order to occur smoothly.

상기와 같은 이유로 종래 연료전지 시스템에서는 귀금속 촉매인 백금(Pt)이 필연적으로 사용되어 왔다. 하지만, 백금 촉매는 우수한 에너지 변환 효율을 보임에도 불구하고, 가격이 매우 비싸고 매장량이 제한되어 있기 때문에 연료전지의 보급화에 문제시 될 수 있다. 특히, 고효율이면서도 저비용인 신규한 전기적 촉매의 필요성은 PEMFC(Polymer electrolyte membrane fuel cell; 폴리머 전해질막 연료 전지)와 연관된 문제 중 가장 시급한 것이었다. 상기 장애 인자를 해결하고 연료전지의 상용화를 촉진하기 위하여, 최근 들어 현재의 탄소 지지체 상에 지지된 백금 전극을 대체하기 위하여, 합금 나노입자 및 코어-쉘 나노입자 등 복수의 구성요소를 포함하는 나노입자(Multi-component nanoparticle)들이 연구되었다. 이러한 방법은 합성이 번거롭고 경제적이지 못하며, 입자의 크기의 불가피한 증가 및 촉매 활성을 가지는 표면적의 소실이라는 단점이 있다. 특히, 전이금속 기반의 코어와 백금 기반의 쉘로 구성하여 백금 촉매와 비교하여 촉매의 성능 저하를 최소화하는 기술이 개발되었으나, 이 경우, 촉매의 내구성 저하로 촉매의 내구 연한이 제한되는 단점이 있어 왔다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 코어에 질소를 주입하는 기술이 개발되어 왔으나, 코어 제조 후, 상기 코어에 질소를 추가하고 쉘을 코팅하는 순서로 제조가 진행되어 제조장치가 복잡하고, 무엇보다 양산이 어려운 단점이 있어왔다. 또한, 코어와 쉘의 제조가 연속으로 이루어지지 않아, 내구성이 개선된 저백금 코어-쉘 촉매의 대량 생산에 한계가 있어왔다.For the above reasons, platinum (Pt), which is a noble metal catalyst, has been inevitably used in the conventional fuel cell system. However, although the platinum catalyst exhibits excellent energy conversion efficiency, the fuel cell is problematic because it is very expensive and has a limited amount of reserves. In particular, the need for a new, high-efficiency, yet low-cost, electrical catalyst has been among the most urgent issues associated with PEMFC (Polymer electrolyte membrane fuel cell). In order to solve the above-mentioned failure factors and to promote the commercialization of fuel cells, in order to replace the platinum electrode supported on the present carbon support in recent years, it has been proposed to use nano-particles including a plurality of components such as alloy nanoparticles and core- Particles (multi-component nanoparticles) have been studied. This method has the disadvantage that synthesis is cumbersome and not economical, inevitably increases the particle size, and disappears of the surface area having catalytic activity. In particular, a technology has been developed that minimizes the deterioration of the catalyst performance compared with the platinum catalyst, which is composed of a transition metal-based core and a platinum-based shell. However, in this case, the durability of the catalyst is limited, . In order to solve such a problem, a technique of injecting nitrogen into the core has been developed. However, after the core is manufactured, nitrogen is added to the core and the shell is coated in order to manufacture the apparatus. There have been disadvantages. In addition, since the production of the core and the shell is not continuously performed, there is a limit to the mass production of the low-platinum core-shell catalyst having improved durability.

한국등록특허 제1468113호Korean Patent No. 1468113 한국공개특허 제2013-0039456호Korean Patent Publication No. 2013-0039456 미국공개특허 제2015-0147682호U.S. Published Patent Application No. 2015-0147682

이에 본 발명에서는 상기의 문제점을 개선하기 위하여, 비백금계 코어와 백금 쉘로 구성되면서 특히 촉매의 내구 연한이 개선된 코어-쉘 촉매를 간단하고 효율적으로 제조할 수 있는 제조장치, 시스템 및 그 시스템의 운전방법을 제시하는 것에 목적을 두고 있다.Accordingly, in order to solve the above problems, the present invention provides a manufacturing apparatus and system that can easily and efficiently manufacture a core-shell catalyst composed of an unbleached core and a platinum shell and having improved durability of the catalyst, It is aimed to present a method.

이를 위하여, 코어와 쉘을 구성하는 촉매 제조단계와 코어에 질소를 포함시키는 질화단계가 동시에 이루어지는 코어-쉘 촉매 장치, 시스템 및 그 시스템의 운전방법을 제시하는 것에 목적을 두고 있다.It is an object of the present invention to provide a core-shell catalyst device, a system, and a method of operating the same, in which a catalyst manufacturing step of forming a core and a shell and a nitriding step of including nitrogen in the core are simultaneously performed.

본 발명에 따른 촉매 제조장치는 원형 또는 각형의 형상을 가진 소정의 크기를 가지는 반응실 ; 상기 반응실 내부에 위치하며, 1개 이상이고, 실린더 형상을 가지며, 유체흐름관에 의해 상호 연결된 반응챔버 ; 상기 반응챔버 내부로 삽입 가능하도록 돌출부를 가지는 캐비테이션 발생장치를 포함하여 구성된다.The apparatus for producing a catalyst according to the present invention comprises: a reaction chamber having a predetermined size having a circular or rectangular shape; A reaction chamber which is located inside the reaction chamber and has one or more cylinders and is interconnected by a fluid flow pipe; And a cavitation generating device having a protrusion for insertion into the reaction chamber.

여기에서, 상기 반응실내 상기 반응챔버간의 빈공간은 단열재로 채워지는 것을 특징으로 하며, 상기 각 반응챔버에는 캐비테이션 발생장치와는 별도로 반응챔버 내부의 용매의 고유진동수로 공명할 수 있는 초음파 발생장치가 부착되는 것을 특징으로 한다.Here, the empty space between the reaction chambers in the reaction chamber is filled with a heat insulating material. In addition to the cavitation generator, each of the reaction chambers has an ultrasonic generator capable of resonating with the natural frequency of the solvent in the reaction chamber .

본 발명에 따른 촉매제조 시스템은 상기의 본 발명에 따른 촉매제조장치 ; 상기의 유체흐름관과 연결되어 유체를 흐르게 하는 펌프 ; 상기 유체흐름관 내부를 흐르는 입자상 물질을 여과하는 필터 ; 상기 필터에 여과된 촉매를 건조하는 건조장치를 포함하여 구성된다.The catalyst production system according to the present invention comprises the above catalyst production apparatus according to the present invention; A pump connected to the fluid flow pipe to flow the fluid; A filter for filtering particulate matter flowing inside the fluid flow pipe; And a drying device for drying the filtered catalyst on the filter.

또한, 본 발명에 따른 촉매제조 시스템의 운전방법은 상기 원료주입구를 통해 소정량의 환원성 용매, 액상의 질소원, 귀금속전구체, 전이금속 전구체, 탄소지지체를 포함하는 원료물질을 유입시키는 1 단계 ; 캐비테이션 발생장치를 가동시키는 2단계 ; 펌프를 가동시켜 유체흐름관의 유체를 흐르게 하는 3단계 ; 생성된 촉매를 필터를 통해 여과하는 4단계 ; 필터에 여과된 촉매를 건조하는 5단계를 포함하여 구성된다.The method for operating the catalyst production system according to the present invention may further comprise the steps of: (1) introducing a raw material containing a predetermined amount of a reducing solvent, a liquid nitrogen source, a noble metal precursor, a transition metal precursor, and a carbon support through the raw material inlet; A second step of operating the cavitation generator; Moving the fluid in the fluid flow pipe by operating the pump; Filtering the produced catalyst through a filter; And drying the filtered catalyst on the filter.

여기에서, 상기 1단계와 2단계의 사이에, 용매의 고유진동수로 공명시키는 초음파 발생장치를 가동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the method includes the step of activating an ultrasonic wave generator that resonates with the natural frequency of the solvent between steps 1 and 2.

본 발명에 따른 촉매제조장치는 액상조건에서 코어-쉘 촉매를 제조하고, 그와 동시에 코어에 질소를 함유시키는 질화처리를 단일 공정으로 수행할 수 있어, 코어-쉘 촉매의 양산에 특화된 효과를 가진다. The apparatus for producing a catalyst according to the present invention can produce a core-shell catalyst under a liquid phase condition and, at the same time, can carry out a nitriding treatment for containing nitrogen in a core in a single process, and has an effect specific to the mass production of a core- .

또한, 본 발명에 따른 촉매제조장치는 1개의 반응실내 복수 개의 반응챔버를 구비하며, 상기 반응챔버가 상호 유체흐름관으로 연결된 연속식 반응으로 구성되어 코어-쉘 촉매의 대량생산에 유리한 효과를 가진다.In addition, the apparatus for producing a catalyst according to the present invention has a plurality of reaction chambers in one reaction chamber, and the reaction chambers are constituted by a continuous reaction connected to each other through a fluid flow pipe, which is advantageous for mass production of a core-shell catalyst .

도 1은 본 발명에 따른 촉매제조 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 반응챔버의 구성을 나타낸다.
1 shows the construction of a catalyst production system according to the present invention.
2 shows a configuration of a reaction chamber according to the present invention.

본 발명은 액상에서 코어에 질소 원소를 포함함으로써 촉매의 내구성 및 전기화학적 성능이 향상된 코어-쉘 촉매를 제조하는 장치 및 시스템에 대한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a system for producing a core-shell catalyst having improved durability and electrochemical performance of a catalyst by incorporating a nitrogen element in the core in a liquid phase.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 관련하여, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음이 이해되어야 한다.It is to be understood that the terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings with respect to the specific details for carrying out the present invention, It should be interpreted in the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that the concept of the term can be appropriately defined in order to explain it. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are described. Therefore, It should be understood that there may be various equivalents and variations thereof.

이하 도 1을 통해 본 발명에 따른 촉매제조장치, 시스템 및 그 운전방법을 단계별로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 본 발명에 따른 촉매제조장치를 구성하는 주요 구성품은 원료주입구(80)를 가지는 반응실(30), 반응챔버(20), 캐비테이션 발생장치(10), 초음파 발생장치(60), 단열재, 유체흐름관(70)이며, 이들 각각의 구성품은 반응실(30)내에 반응챔버(20), 캐비테이션 발생장치(10), 초음파 발생장치(60) 및 단열재가 위치하고, 반응챔버(20)에 초음파 발생장치(60)가 부착되고, 캐비테이션 발생장치(10)는 반응챔버(20)의 내부로 삽입될 수 있도록 구성되어있다. 또한, 상기 반응실(30)내에는 2개 이상의 복수개의 반응챔버(20)가 이격되게 위치하며, 각각의 반응챔버(20)는 유체흐름관(70)에 의해 상호 연결되어 있고, 상기 반응챔버(20) 사이의 이격공간에는 단열재가 위치하고 있다.Hereinafter, an apparatus, a system, and a method for operating the catalyst according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. The main components of the apparatus for producing a catalyst according to the present invention are a reaction chamber 30 having a raw material inlet port 80, a reaction chamber 20, a cavitation generator 10, an ultrasonic generator 60, The cavitation generating device 10, the ultrasonic generator 60 and the heat insulating material are located in the reaction chamber 30 and the ultrasonic wave generating device 10 is installed in the reaction chamber 20, And the cavitation generator 10 is configured to be inserted into the reaction chamber 20. In the reaction chamber 30, two or more reaction chambers 20 are spaced apart from each other. Each of the reaction chambers 20 is interconnected by a fluid flow pipe 70, The heat insulating material is located in the spaced-apart space.

본 발명에 따른 촉매제조장치는 기본적으로 캐비테이션 기반의 열과 압력 공급으로 액상 또는 기상으로 구성된 원료물질의 반응을 유발하여 촉매가 제조되는데 적합한 장치이며, 구체적으로는 캐비테이션을 이용하여 코어와 쉘로 구성된 촉매에서 코어 부분에 질소를 함유시켜 코어-쉘 촉매의 내구성을 개선시키는데 특화된 장치이다. 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 촉매제조장치에서 원료물질은 액상의 질소원, 환원성 용매, 귀금속 전구체, 상기 귀금속 전구체에 비해 상대적으로 증기압이 높은 전이금속 전구체 및 탄소지지체를 포함하는 용액이 될 수 있으며, 상기 원료물질에 캐비테이션 발생장치(10)를 이용하여 높은 출력의 초음파를 조사함으로써 캐비테이션을 발생시키게 된다. 상기 캐비테이션 발생장치(10)에 의해 생성되는 초음파의 고주파 진동(oscillation)은 공동(cavity) 내에 버블을 발생시키며, 이로 인해 진동(oscillatory) 성장이 이루어지고, 최종적으로 특정 규모에 도달한 후에 공동이 폭발된다. 초음파 조사에 의해 야기되는 이와 같은 일련의 과정을 일컬어 '음향 공동현상 메커니즘 (acoustics cavitation mechanism)'이라 한다. 상기 음향 공동현상 메커니즘의 마지막 단계에서 일어나는 공동 폭발에 의하여 약 5000K에 달하는 거대한 열에너지를 유발할 수 있으며, 그 소멸은 10-6초 정도의 매우 짧은 시간 내에 이루어진다. 초음파 조사를 접목하는 화학 반응에서의 반응물이 상이한 증기압을 가지는 둘 또는 그 이상의 물질인 경우, 상기 둘 또는 그 이상의 반응물이 초음파의 고주파 진동에 의하여 버블로 증발되는 속도가 상이하게 되며, 이를 이용하여 반응 결과물의 구조적, 전기화학적 특징을 조절할 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 금속 전구체를 반응물로서 이용하고 초음파를 조사하여 상기 둘 이상의 금속을 포함하는 나노입자를 제조할 경우, 상기 둘 이상의 금속 전구체의 증기압 차이에 따라 상기 나노입자 내에서의 상기 둘 이상의 금속 원소의 분포를 조절할 수 있다. 본 발명에 따른 촉매제조장치에서 상기 나노입자 내에서 증기압이 낮은 금속 전구체는 쉘 부분에 위치하도록 하고 증기압이 높은 금속 전구체는 코어 부분에 위치하도록 하여, 원소 분포가 조절된 코어/쉘 구조의 나노입자를 수득할 수 있다.The apparatus for producing a catalyst according to the present invention is basically a device suitable for producing a catalyst by inducing a reaction of a raw material composed of a liquid phase or a gaseous phase by heat and pressure supply based on cavitation and more specifically to a catalyst composed of a core and a shell using cavitation Is a device specialized for improving the durability of the core-shell catalyst by containing nitrogen in the core portion. Specifically, in the apparatus for producing a catalyst according to the present invention, the raw material may be a liquid nitrogen source, a reducing solvent, a precious metal precursor, a solution containing a transition metal precursor having a relatively higher vapor pressure than the precious metal precursor, and a carbon support, Cavitation is generated by irradiating the raw material with a high output ultrasonic wave by using the cavitation generator 10. The high frequency oscillation of the ultrasonic waves generated by the cavitation generator 10 generates bubbles in the cavity which causes oscillatory growth and finally the cavitation It explodes. This series of processes caused by ultrasonic irradiation is also called 'acoustics cavitation mechanism'. The joint explosion occurring in the last stage of the acoustic cavitation mechanism can cause a huge heat energy reaching about 5000K, and its extinction is achieved within a very short time of about 10 -6 seconds. When two or more reactants in a chemical reaction to which ultrasonic irradiation is applied are two or more substances having different vapor pressures, the speed at which the two or more reactants are evaporated into bubbles due to the high frequency vibration of ultrasonic waves are different, The structural and electrochemical characteristics of the result can be controlled. For example, when two or more metal precursors are used as a reactant and ultrasound is irradiated to produce nanoparticles containing two or more metals, the two or more metal precursors may have a difference in vapor pressure, The distribution of the metal element can be controlled. In the apparatus for producing a catalyst according to the present invention, the metal precursor having a low vapor pressure in the nanoparticle is positioned in a shell portion and the metal precursor having a high vapor pressure is positioned in a core portion, Can be obtained.

본 발명에 따른 촉매제조장치에서 캐비테이션 발생장치(10)는 각 반응챔버(20)와 커플링되어 구성되며, 상기 반응챔버(20)의 상부에서 하부로 삽입될 수 있도록 스틱 형상의 돌출부를 가진다. 상기 캐비테이션 발생장치(10)는 초음파를 조사하여 본 발명에 사용되는 환원성 용매를 대상으로 캐비테이션을 일으킬 수 있는 정도의 초음파를 발생시킬 수 있는 출력이면 충분하다. 본 발명의 환원성 용매는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 70℃ 이상의 온도에서 환원력을 가지는 용매일 수 있으며, 구체적으로 70℃ 내지 400℃의 온도에서 환원력을 가지는 것으로 예를 들면 디-에틸렌 글리콜, 트리-에틸렌 글리콜 및 폴리-에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 에틸렌 글리콜류일 수 있다. 이러한 환원성 용매는 초음파 처리에 의해 형성되는 공동 내에서 반응물인 금속 전구체를 환원시키는 역할을 한다. In the apparatus for producing a catalyst according to the present invention, the cavitation generator 10 is configured to be coupled with each reaction chamber 20 and has a stick-like protrusion so that it can be inserted downward from the upper part of the reaction chamber 20. The cavitation generator 10 may be an output capable of generating ultrasonic waves to the extent that cavitation can be generated in the reducing solvent used in the present invention by irradiating ultrasonic waves. The reducing solvent of the present invention is generally used in the art and can be a solvent having a reducing power at a temperature of 70 ° C or higher. Specifically, it has a reducing power at a temperature of 70 ° C to 400 ° C. Examples thereof include di- - ethylene glycol and poly-ethylene glycol. The reducing solvent serves to reduce the metal precursor as a reactant in the cavity formed by the ultrasonic treatment.

도 2를 통해 살펴보면, 본 발명의 반응챔버(20)는 캐비테이션 발생시 생기는 제트기류의 수직 상승에 의한 분산 및 반응볼륨 확대를 위하여, 상기 반응챔버(20)의 내부에 삽입될 수 있는 캐비테이션 발생장치(10)의 형상과 유사하게 구성되는 것이 바람직하며, 구체적으로는 상부에서 하부방향으로 연장되는 형태인 실린더 형상인 것이 더 바람직하다. 상기 반응챔버(20)는 원형 또는 각형의 형상을 가진 소정의 크기를 가진 반응실(30)내에 2개 이상의 복수개가 위치하고 있고, 상기 반응챔버(20)에는 초음파 발생장치(60)가 부착되어 있다. 또한, 상기 2개 이상의 반응챔버(20)는 상호 유체흐름관(70)에 의해 연결되어 있으며, 각 반응챔버(20)간의 이격공간에는 단열재로 채워져 있다. 상기에도 기재된 바와 같이, 본 발명의 반응챔버(20)에서 원료물질의 화학반응이 일어나며, 이러한 반응을 통해 촉매가 제조된다. 상기 반응을 유발하기 위하여 각 반응챔버(20)의 상부로부터 하부의 방향으로 캐비테이션 발생장치(10)가 상기 반응챔버(20)의 내부로 삽입되어 용매 중 캐비테이션을 발생시킨다. 이 과정에서, 캐비테이션이 발생하기 이전에 용매 중 원료물질의 고른 분산은 촉매의 균일성 및 제조품질에 영향을 미칠 수 있으며, 특히, 미세기포의 발생율은 촉매 제조 효율 전반에 영향을 미치게 된다. 이에 따라 본 발명에서는 반응실(30)내에 2개 이상 위치하고 있는 반응챔버(20) 각각에 초음파 발생장치(60)가 부착되어 캐비테이션이 일어나기 이전에 초음파 진동을 통해 원료물질의 분산이 이루어지고, 미세기포가 발생한 상태에서 캐비테이션 발생장치(10)에 의해 캐비테이션이 일어나도록 구성되어있다. 본 발명에 따른 촉매제조장치에서 초음파 발생장치(60)는 상기 반응챔버(20)의 측면 또는 하면에 설치될 수 있으며, 초음파 발생시 원료 및 반응물질 중 가장 많은 양이 사용되는 환원성 용매의 고유진동수와 동일한 주파수에서 진동하여 환원성 용매를 공진시킬 수 있도록 구성되어 있다. Referring to FIG. 2, the reaction chamber 20 of the present invention includes a cavitation generator (not shown), which can be inserted into the reaction chamber 20, for dispersing and increasing the reaction volume due to vertical rise of the jet flow generated upon occurrence of cavitation 10, and more specifically, it is more preferably a cylindrical shape extending from the upper portion to the lower portion. In the reaction chamber 20, a plurality of two or more reaction chambers 30 having a predetermined shape having a circular or rectangular shape are disposed, and the reaction chamber 20 is provided with an ultrasonic generator 60 . The two or more reaction chambers 20 are connected to each other by a fluid flow pipe 70, and a space between the reaction chambers 20 is filled with a heat insulating material. As described above, the chemical reaction of the raw material takes place in the reaction chamber 20 of the present invention, and the catalyst is produced through this reaction. The cavitation generator 10 is inserted into the reaction chamber 20 from the upper part to the lower part of each reaction chamber 20 to induce the cavitation in the solvent. In this process, even distribution of the raw material in the solvent before cavitation occurs may affect the uniformity of the catalyst and the quality of production, and in particular, the rate of occurrence of microbubbles affects the overall catalyst production efficiency. Accordingly, in the present invention, the ultrasonic wave generator 60 is attached to each of the reaction chambers 20 located in two or more reaction chambers 30 to disperse the raw material through ultrasonic vibration before cavitation occurs, Cavitation is generated by the cavitation generator 10 in the state where bubbles are generated. In the apparatus for producing a catalyst according to the present invention, the ultrasonic generator 60 may be installed on a side surface or a bottom surface of the reaction chamber 20, and when the ultrasonic wave is generated, And is configured to resonate the reductive solvent by vibrating at the same frequency.

본 발명에 따른 촉매제조장치의 또 하나의 중요한 특징은 종래 구성되어 왔던 Batch 형태의 반응기 구성이 아니라, 연속식으로 반응이 일어날 수 있도록 구성되었다는 점이다. 이를 위하여, 반응챔버(20)는 상기에도 기재된 바와 같이, 2개 이상의 반응챔버(20)가 유체흐름관(70)에 의해 상호 연결된 형태로 구성된다. 각 반응챔버(20)에서 유체흐름관(70)의 유입부는 반응챔버(20)의 상부에 위치하고, 유체흐름관(70)의 유출부는 반응챔버(20)의 하부에 구성될 수 있다. 본 발명의 촉매제조장치에서 반응실(30)에 구성되어 있는 유체흐름관(70)의 유출부는 펌프(40)와 연결되어 구동되며, 펌프(40)를 통과한 유체흐름관(70)은 반응실(30)로 연결되어 순환하도록 구성되어있다. 또한, 본 발명의 촉매제조장치에서 상기 2개 이상의 반응챔버(20)는 캐비테이션 등 진동에 의해 서로 영향을 받지 않도록 이격되도록 구성되며, 상기 이격공간에는 단열재가 위치하여 반응챔버(20) 및 유체흐름관(70)의 온도 변화를 최소화할 수 있다.Another important feature of the apparatus for producing a catalyst according to the present invention is that the reaction can be performed continuously, not in the conventional batch type reactor configuration. To this end, the reaction chamber 20 is configured in such a manner that two or more reaction chambers 20 are interconnected by a fluid flow pipe 70, as described above. The inlet of the fluid flow pipe 70 in each reaction chamber 20 is located at the top of the reaction chamber 20 and the outlet of the fluid flow pipe 70 may be at the bottom of the reaction chamber 20. The outflow portion of the fluid flow pipe 70 formed in the reaction chamber 30 in the apparatus for producing a catalyst of the present invention is connected to and driven by the pump 40 and the fluid flow pipe 70, And is connected to the chamber 30 so as to circulate. In addition, in the apparatus for producing a catalyst according to the present invention, the two or more reaction chambers 20 are spaced apart from each other by vibration such as cavitation, and the heat insulating material is located in the spacing space, The temperature change of the tube 70 can be minimized.

본 발명에 따른 촉매제조장치를 이용하여 촉매가 제조되기 위해서는, 연속식 촉매제조 공정에 따라, 상기에도 기재된 바와 같이 펌프(40)에 의한 유체흐름과 필터(50)에 의한 여과 및 건조 과정이 필요하다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 촉매제조장치를 이용하는 촉매제조시스템은 유체흐름관(70)과 연결되어 유체를 흐르게 하는 펌프(40), 유체흐름관(70) 내부를 흐르는 입자상 물질을 여과하는 필터(50), 상기 필터(50)에 여과된 촉매를 건조하는 건조장치를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명에서, 펌프(40)는 유체를 펌핑할 수 있는 장치이면 충분하며 유기용매를 이송할 수 있도록 액상 물질을 이송할 수 있는 펌프(40)가 바람직하다. 본 발명에 따른 촉매제조시스템에서 필터(50)는 셀룰로오스, 고분자로 구성된 기공 크기 100 μm 이하인 것이 바람직하며, 테플론, PE 등 비활성 특징을 가진 필터(50)가 적합하다.In order for the catalyst to be manufactured using the apparatus for producing a catalyst according to the present invention, it is necessary to perform the continuous flow catalyst production process, the flow of the fluid by the pump 40 and the filtration and drying by the filter 50, Do. In this regard, the catalyst production system using the apparatus for producing a catalyst according to the present invention includes a pump 40 for connecting a fluid flow pipe 70 to flow a fluid, a filter for filtering particulate matter flowing in the fluid flow pipe 70, (50), and a drying device for drying the filtered catalyst in the filter (50). In the present invention, it is preferable that the pump 40 is a device capable of pumping the fluid, and the pump 40 is capable of transferring the liquid material so that the organic solvent can be transferred. In the catalyst production system according to the present invention, the filter 50 preferably has a pore size of 100 μm or less composed of cellulose and a polymer, and a filter 50 having an inactive characteristic such as Teflon or PE is suitable.

본 발명에 따른 촉매제조시스템을 운전하기 위해서는 상기 원료주입구(80)를 통해 소정량의 환원성 용매, 액상의 질소원, 귀금속전구체, 전이금속 전구체, 탄소지지체를 포함하는 원료물질을 유입시키는 1 단계, 캐비테이션 발생장치(10)를 가동시키는 2단계, 펌프(40)를 가동시켜 유체흐름관(70)의 유체를 흐르게 하는 3단계, 생성된 촉매를 필터(50)를 통해 여과하는 4단계, 필터(50)에 여과된 촉매를 건조하는 5단계를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 4단계의 필터링 과정에서 물을 이용하여 필터(50)를 세척하는 단계가 추가될 수 있으며, 이 경우, 필터(50) 부분에 세척수를 공급할 수 있도록 세척수 공급라인이 구성될 수 있다. 상기의 운전방법에 나타나 있듯이, 본 발명에 따른 촉매제조장치는 환원성 용매, 액상의 질소원, 귀금속전구체, 전이금속 전구체, 탄소지지체를 포함하는 원료물질의 반응을 통해 코어와 쉘의 형상을 가진 촉매를 제조하는 것에 특징을 가진 것으로, 본 발명에 이용되는 상기 액상의 질소원은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들면 우레아가 사용될 수 있다. 또한, 상기 귀금속 전구체는 그 증기압이 전이금속 전구체의 증기압에 비하여 낮은 것을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 귀금속 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 귀금속의 아세틸아세토네이트 전구체, 귀금속의 헥사플루오로아세틸아세토네이트 전구체, 및 귀금속의 펜타플루오로아세틸아세토네이트 전구체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 전이금속 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 니켈, 코발트, 철 및 망간의 전구체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 전이금속 전구체는 전이금속의 아세틸아세토네이트 전구체, 및 전이금속의 헥사플루오로아세틸아세토네이트 전구체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이러한 전이금속 전구체는 높은 증기압에 의하여 빠르게 휘발되고 초음파에 의한 공동에 빠르게 포획되게 되며, 이에 따라 반응 생성물인 코어-쉘 구조에서 전이금속이 코어 부분에 위치할 수 있다. 상기 탄소 지지체는 다공성 탄소 지지체를 사용할 수 있다. 다공성 탄소 지지체를 사용하는 경우 넓은 표면적에 의하여 보다 많은 양의 코어/쉘 구조 나노입자를 효율적으로 지지할 수 있다. In order to operate the catalyst production system according to the present invention, a raw material containing a predetermined amount of a reducing solvent, a liquid nitrogen source, a noble metal precursor, a transition metal precursor, and a carbon support is introduced through the raw material inlet 80, Three steps of activating the generator 10, three steps of operating the pump 40 to flow the fluid in the fluid flow pipe 70, four steps of filtering the generated catalyst through the filter 50, , And drying the filtered catalyst. A step of washing the filter 50 using water in the filtering process of the four steps may be added. In this case, a washing water supply line may be configured to supply the washing water to the filter 50 portion. As shown in the above operation method, the catalyst production apparatus according to the present invention can produce catalysts having a shape of core and shell through reaction of raw materials including a reducing solvent, a liquid nitrogen source, a noble metal precursor, a transition metal precursor, The nitrogen source of the liquid phase used in the present invention is not particularly limited as it is generally used in the art, and for example, urea may be used. The noble metal precursor may have a vapor pressure lower than the vapor pressure of the transition metal precursor. Specifically, the noble metal precursor is not particularly limited, and is generally used in the art. However, the noble metal precursor is not limited to the precursor of the noble metal such as an acetylacetonate precursor, a noble metal hexafluoroacetylacetonate precursor, and a noble metal pentafluoroacetylacetonate precursor It may be at least one selected. The transition metal precursor may be at least one selected from the group consisting of precursors of nickel, cobalt, iron and manganese, although the transition metal precursor is generally used in the art and is not particularly limited. The transition metal precursor may be at least one selected from the group consisting of an acetyl acetonate precursor of a transition metal and a hexafluoroacetylacetonate precursor of a transition metal. Such transition metal precursors are rapidly volatilized by high vapor pressures and are quickly trapped in cavities by ultrasonic waves, so that in the core-shell structure of the reaction product, the transition metal can be located in the core portion. The carbon support may be a porous carbon support. When a porous carbon support is used, a large amount of core / shell structure nanoparticles can be efficiently supported by a large surface area.

본 발명에 따른 촉매제조시스템의 운전방법에서, 상기 1단계와 2단계의 사이에, 용매의 고유진동수로 공명시키는 초음파 발생장치(60)를 가동시키는 단계를 포함할 수 있다.In the method of operating the catalyst production system according to the present invention, it may include the step of activating the ultrasonic generator 60 that resonates with the natural frequency of the solvent between the first stage and the second stage.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 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 invention. The scope of protection of the present invention should be construed under the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

10 : 캐비테이션 발생장치 20 : 반응챔버
30 : 반응실 40 : 펌프
50 : 필터 60 : 초음파 발생장치
70 : 유체흐름관 80 : 원료주입구
10: cavitation generator 20: reaction chamber
30: reaction chamber 40: pump
50: filter 60: ultrasonic generator
70: fluid flow pipe 80: material inlet

Claims (6)

원형 또는 각형의 형상을 가진 소정의 크기를 가지고 원료주입구를 포함하는 반응실 ;
상기 반응실 내부에 위치하며, 1개 이상이고, 실린더 형상을 가지며, 유체흐름관을 포함하여 구성되는 반응챔버 ;
상기 반응챔버 내부로 삽입 가능하도록 돌출부를 가지는 캐비테이션 발생장치를 포함하여 구성되는 촉매제조장치
A reaction chamber having a predetermined size with a circular or rectangular shape and including a raw material inlet;
A reaction chamber located inside the reaction chamber, the reaction chamber having at least one cylinder shape and including a fluid flow pipe;
And a cavitation generating device having a protrusion for insertion into the reaction chamber.
청구항 1에 있어서, 상기 반응실내 상기 반응챔버간의 빈공간은 단열재로 채워지는 것을 특징으로 하는 촉매 제조장치
The catalyst manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the empty space between the reaction chambers in the reaction chamber is filled with a heat insulating material.
청구항 1에 있어서, 상기 각 반응챔버에는 캐비테이션 발생장치와는 별도로 반응챔버 내부의 용매의 고유진동수로 공명할 수 있는 초음파 발생장치가 부착되는 것을 특징으로 하는 촉매제조장치
The apparatus of claim 1, wherein an ultrasonic generator capable of resonating with the natural frequency of the solvent in the reaction chamber is attached to each reaction chamber separately from the cavitation generator.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 촉매제조장치 ;
청구항 1의 유체흐름관과 연결되어 유체를 흐르게 하는 펌프 ;
상기 유체흐름관 내부를 흐르는 입자상 물질을 여과하는 필터 ;
상기 필터에 여과된 촉매를 건조하는 건조장치를 포함하여 구성되는 촉매제조시스템
A catalyst manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3;
A pump connected to the fluid flow pipe of claim 1 to flow the fluid;
A filter for filtering particulate matter flowing inside the fluid flow pipe;
And a drying device for drying the filtered catalyst on the filter,
청구항 4의 촉매제조시스템을 운전하는 방법에 있어서,
상기 원료주입구를 통해 소정량의 환원성 용매, 액상의 질소원, 귀금속전구체, 전이금속 전구체, 탄소지지체를 포함하는 원료물질을 유입시키는 1 단계 ;
캐비테이션 발생장치를 가동시키는 2단계 ;
펌프를 가동시켜 유체흐름관의 유체를 흐르게 하는 3단계 ;
생성된 촉매를 필터를 통해 여과하는 4단계 ;
필터에 여과된 촉매를 건조하는 5단계를 포함하여 구성되는 촉매제조시스템의 운전방법
A method for operating the catalyst production system of claim 4,
Introducing a raw material containing a predetermined amount of a reducing solvent, a liquid nitrogen source, a noble metal precursor, a transition metal precursor, and a carbon support through the raw material inlet;
A second step of operating the cavitation generator;
Moving the fluid in the fluid flow pipe by operating the pump;
Filtering the produced catalyst through a filter;
And a step of drying the filtered catalyst on the filter.
청구항 5에 있어서, 상기 1단계와 2단계의 사이에, 용매의 고유진동수로 공명시키는 초음파 발생장치를 가동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매제조시스템의 운전방법
The method for operating a catalyst production system according to claim 5, comprising operating the ultrasonic generator for resonating with the natural frequency of the solvent between steps 1 and 2
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