KR20190096010A - Catalsy for depolymerization of lignin and method for depolymerization of lignin using the same - Google Patents

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KR20190096010A
KR20190096010A KR1020180015425A KR20180015425A KR20190096010A KR 20190096010 A KR20190096010 A KR 20190096010A KR 1020180015425 A KR1020180015425 A KR 1020180015425A KR 20180015425 A KR20180015425 A KR 20180015425A KR 20190096010 A KR20190096010 A KR 20190096010A
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김도희
양승도
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서울대학교산학협력단
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Abstract

Provided are a lignin decomposition catalyst and a lignin decomposition method using the same. The lignin decomposition catalyst can comprise a metal and zeolite supporting the metal. The lignin decomposition method can comprise a step of performing a lignin decomposition reaction using the lignin decomposition catalyst. The present invention can obtain a mono aromatic compound with a high yield.

Description

리그닌 분해 촉매 및 이를 이용한 리그닌 분해 방법{CATALSY FOR DEPOLYMERIZATION OF LIGNIN AND METHOD FOR DEPOLYMERIZATION OF LIGNIN USING THE SAME}Lignin decomposition catalyst and lignin decomposition method using the same {CATALSY FOR DEPOLYMERIZATION OF LIGNIN AND METHOD FOR DEPOLYMERIZATION OF LIGNIN USING THE SAME}

본 발명은 리그닌 분해 촉매 및 이를 이용한 리그닌 분해 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lignin decomposition catalyst and a lignin decomposition method using the same.

화석 연료 바탕의 화학 산업 분야는 환경 오염과 석유 및 석탄 자원의 고갈 문제로 이를 대체하기 위한 신재생 에너지 연구가 활발히 진행되고 있다. 리그노셀룰로오스는 유망한 신재생 에너지인 바이오매스의 대표적 화합물로, 리그닌을 포함하고 있는 목재 셀룰로오스이다. In the chemical industry based on fossil fuels, new and renewable energy researches are being actively conducted to replace them due to environmental pollution and depletion of oil and coal resources. Lignocellulosic is a representative compound of biomass, a promising renewable energy source, and is a wood cellulose containing lignin.

리그닌 화합물은 지구상에서 셀룰로오스를 제외한 가장 풍부한 탄소 화합물이다. 현재 셀룰로오스를 통한 에탄올과 연료 생산 기술은 상용화되어 있으나, 리그닌은 매우 안정하고 견고한 결합으로 인해 분해가 쉽지 않아 리그닌의 활용 기술은 상용화 단계에 이르지 못하고 있다.Lignin compounds are the most abundant carbon compounds on the planet excluding cellulose. Currently, ethanol and fuel production technology through cellulose is commercialized, but lignin is difficult to decompose due to a very stable and stable bond, and thus lignin utilization technology has not reached the commercialization stage.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 리그닌을 분해할 수 있는 리그닌 분해 촉매를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a lignin decomposition catalyst that can decompose lignin.

본 발명은 상기 촉매를 이용한 리그닌 분해 방법을 제공한다.The present invention provides a lignin decomposition method using the catalyst.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들에 따른 리그닌 분해 촉매는 금속 및 상기 금속을 지지하는 제올라이트를 포함할 수 있다.The lignin decomposition catalyst according to the embodiments of the present invention may include a metal and a zeolite supporting the metal.

상기 금속은 구리를 포함할 수 있다.The metal may comprise copper.

상기 리그닌 분해 촉매 전체 중량에 대하여, 상기 구리의 함량은 5 내지 15 중량%일 수 있다. The copper content may be 5 to 15 wt% based on the total weight of the lignin decomposition catalyst.

상기 제올라이트는 규소 및 알루미늄을 포함하고, 상기 알루미늄에 대한 상기 규소의 몰비(Si/Al2)는 20 내지 40일 수 있다.The zeolite may include silicon and aluminum, and the molar ratio (Si / Al 2 ) of the silicon to the aluminum may be 20 to 40.

상기 제올라이트는 MFI 구조를 가질 수 있다.The zeolite may have an MFI structure.

본 발명의 실시예들에 따른 리그닌 분해 방법은 상기 리그닌 분해 촉매를 이용하여 리그닌을 분해하는 반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.Lignin decomposition method according to embodiments of the present invention may include the step of performing a reaction to decompose lignin using the lignin decomposition catalyst.

상기 리그닌이 분해되어 단일 방향족 화합물이 형성될 수 있다.The lignin can be broken down to form a single aromatic compound.

상기 반응은 초임계 유체 내에서 수행될 수 있다.The reaction can be carried out in a supercritical fluid.

상기 초임계 유체는 초임계 에탄올을 포함할 수 있다.The supercritical fluid may comprise supercritical ethanol.

상기 반응은 400 내지 500℃의 온도에서 수행될 수 있다.The reaction may be carried out at a temperature of 400 to 500 ℃.

본 발명의 실시예들에 따른 리그닌 분해 촉매를 이용하여 분해가 까다로운 리그닌 화합물을 선택적으로 분해할 수 있고, 높은 수율의 단일 방향족 화합물을 얻을 수 있다. By using the lignin decomposition catalyst according to the embodiments of the present invention, it is possible to selectively decompose the lignin compound which is difficult to decompose and obtain a high yield of a single aromatic compound.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 방향족 화합물의 분포를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로토바인드 리그닌의 곁사슬 영역 HSQC NMR 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로토바인드 리그닌의 방향족 영역 HSQC NMR 스펙트럼을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 10 중량% Cu/ZSM-5(30)를 이용한 반응 후 THF 가용 리그닌의 곁가지 영역의 HSQC NMR 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 10 중량%의 Cu/ZSM-5(비) 촉매의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 비의 환원된 10 중량% Cu/ZSM-5의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 10 중량% Cu/ZSM-5(비) 촉매의 NH3-TPD 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 Si/Al2 비 촉매의 산 밀도에 따른 단일 방향족 화합물의 수율을 나타낸다.
1 shows a distribution of a single aromatic compound according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the side chain region HSQC NMR spectrum of the protobind lignin according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the aromatic region HSQC NMR spectrum of the protobind lignin according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the HSQC NMR spectrum of the side branch region of THF soluble lignin after reaction with 10% by weight Cu / ZSM-5 (30) according to an embodiment of the present invention.
5 shows an XRD pattern of 10 wt% Cu / ZSM-5 (Non) catalyst according to one embodiment of the present invention.
6 shows SEM images of reduced 10 wt% Cu / ZSM-5 at various ratios according to one embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the NH 3 -TPD spectrum of 10 wt% Cu / ZSM-5 (Non) catalyst according to one embodiment of the present invention.
8 shows the yield of a single aromatic compound according to the acid density of various Si / Al 2 ratio catalysts according to one embodiment of the present invention.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. The objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following examples. The invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently delivered to those skilled in the art. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

본 발명의 실시예들에 따른 리그닌 분해 촉매는 금속 및 제올라이트를 포함할 수 있다.Lignin decomposition catalyst according to embodiments of the present invention may include a metal and zeolite.

상기 제올라이트는 규소 및 알루미늄이 포함될 수 있고, MFI 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, ZSM-5 제올라이트가 사용될 수 있다. 상기 ZSM-5 제올라이트는 독특한 형상 선택성, 이상적인 기공 크기와 산도를 가지기 때문에 방향족화 및 분해 반응에 적합하다.The zeolite may include silicon and aluminum, and may have an MFI structure. For example, ZSM-5 zeolites can be used. The ZSM-5 zeolites have unique shape selectivity, ideal pore size and acidity and are therefore suitable for aromatization and decomposition reactions.

또한, 상기 제올라이트는 상기 알루미늄에 대한 상기 규소의 다양한 몰비(Si/Al2)를 가질 수 있다. 상기 Si/Al2 비에 따라 리그닌 분해 효율이 달라질 수 있다. 상기 Si/Al2 비는 20 내지 40, 보다 정확하게는 30일 수 있고 이 때, 상기 리그닌이 분해되어 형성되는 단일 방향족 화합물의 수율이 높게 나타날 수 있다.In addition, the zeolite may have various molar ratios (Si / Al 2 ) of the silicon to the aluminum. The lignin decomposition efficiency may vary depending on the Si / Al 2 ratio. The Si / Al 2 ratio may be 20 to 40, more precisely 30, and at this time, the yield of a single aromatic compound formed by decomposition of the lignin may be high.

상기 제올라이트는 금속이 담지될 수 있고, 상기 금속은 전이 금속, 예를 들어 코발트, 니켈 및 구리를 포함할 수 있다. 그 중 상기 구리는 상기 제올라이트에 담지되어 리그닌 화합물의 해중합을 촉진시킬 수 있다. 상기 리그닌 분해 촉매의 전체 중량에 대해 상기 구리의 함량은 5 내지 15 중량%, 보다 정확하게는 10 중량% 로 상기 제올라이트에 담지될 수 있다. 즉, Si/Al2 비가 30인 10 중량% Cu/ZSM-5 촉매는 90% 이상의 높은 수율을 나타낼 수 있다. The zeolite may be supported by a metal, and the metal may include transition metals such as cobalt, nickel and copper. The copper may be supported on the zeolite to promote depolymerization of the lignin compound. The copper content relative to the total weight of the lignin decomposition catalyst may be supported on the zeolite at 5 to 15% by weight, more precisely 10% by weight. That is, a 10 wt% Cu / ZSM-5 catalyst having a Si / Al 2 ratio of 30 may exhibit a high yield of at least 90%.

본 발명의 실시예들에 따른 리그닌 분해 방법은 상기 리그닌 분해 촉매를 이용하여 리그닌을 분해하는 반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 탄소-탄소(C-C) 및 탄소-산소(C-O) 결합으로 연결된 3개의 주요 페닐프로판 단위(과이아실 알콜, 시링길 알콜 및 p-코마릴 알콜)로 구성된 리그닌 화합물의 해중합(depolymerization) 반응을 수행할 수 있다. 상기 리그닌이 분해되어 부가가치가 높은 단일 방향족 화합물이 형성될 수 있다.Lignin decomposition method according to embodiments of the present invention may include the step of performing a reaction to decompose lignin using the lignin decomposition catalyst. That is, depolymerization of the lignin compound composed of three main phenylpropane units (guaiayl alcohol, siringyl alcohol and p-comaryl alcohol) connected by carbon-carbon (CC) and carbon-oxygen (CO) bonds is carried out. Can be done. The lignin can be decomposed to form a single aromatic compound having a high added value.

상기 반응은 초임계 유체 내에서 수행될 수 있다. 상기 초임계 유체는 별도의 수소 기체 첨가 없이 상기 초임계 유체 자체에서 발생되는 활성 수소를 이용하여 상기 리그닌 분해 촉매와 함께 리그닌을 효과적으로 분해할 수 있다. The reaction can be carried out in a supercritical fluid. The supercritical fluid can effectively decompose lignin with the lignin decomposition catalyst using active hydrogen generated in the supercritical fluid itself without the addition of additional hydrogen gas.

상기 초임계 유체는 초임계 에탄올을 포함할 수 있다. 에탄올은 유전 상수가 낮기 때문에 초임계 조건뿐만 아니라 대기 조건(ambient condition)에서도 좋은 용해도를 가지는 용매이다. 이러한 이유로, 상기 에탄올에 용해된 생성물은 반응 후 대기 조건에서 분리되거나 응축되지 않고 유지될 수 있다. 또한, 상기 이유로 생성된 바이오 오일은 단일 액체상을 형성할 수 있고 상기 에탄올로부터 보다 쉽게 회수 될 수 있다.The supercritical fluid may comprise supercritical ethanol. Ethanol is a solvent having good solubility not only in supercritical conditions but also in atmospheric conditions because of its low dielectric constant. For this reason, the product dissolved in ethanol can be maintained after separation without separation or condensation at atmospheric conditions. In addition, the bio-oil produced for this reason can form a single liquid phase and can be more easily recovered from the ethanol.

리그닌은 일반적으로 많은 하이드록실기(hydroxyl group)을 가지는데, 이들은 반응성이 높아 반응 중에 재중합될 가능성이 있다. 그러나, 자체(in-situ) 수소를 생성하는 상기 초임계 에탄올은 친핵체로서 작용하여 상기 하이드록실기를 알킬화시키고 재중합을 방지할 수 있다. 결과적으로, 상기 초임계 에탄올은 초임계 이산화탄소 또는 초임계수와 같은 다른 초임계 유체보다 높은 수율을 나타낼 수 있다. Lignin generally has many hydroxyl groups, which are highly reactive and are likely to repolymerize during the reaction. However, the supercritical ethanol that produces in-situ hydrogen can act as a nucleophile to alkylate the hydroxyl group and prevent repolymerization. As a result, the supercritical ethanol may exhibit higher yields than other supercritical fluids such as supercritical carbon dioxide or supercritical water.

즉, 상기 해중합 반응은 스테인레스 스틸 고압 오토 클레이브에 10 중량% Cu/ZSM-5 리그닌 분해 촉매, 상기 에탄올 및 리그닌을 넣어 400℃ 내지 500℃에서 진행될 수 있고, 보다 정확하게는 430℃ 내지 450℃에서 수행될 수 있다. 상기 에탄올의 임계점(약 214℃, 60.6 기압) 이상으로 가열되고, 상기 에탄올은 초임계 상태가 되어 내부에서 활성 수소를 발생할 수 있다. 상기 활성 수소로 인해 상기 리그닌이 분해될 수 있고, 이 과정에서 ZSM-5 제올라이트에 담지된 구리는 상기 활성 수소가 리그닌 화합물로의 접근이 보다 용이하도록 매개하는 역할을 할 수 있다. 이 방법으로 인해 상기 리그닌 화합물이 선택적으로 분해될 수 있고, 높은 수율로 단일 방향족 화합물을 형성할 수 있다. That is, the depolymerization reaction may be carried out at 400 ℃ to 500 ℃ by putting 10 wt% Cu / ZSM-5 lignin decomposition catalyst, the ethanol and lignin in a stainless steel high pressure autoclave, more precisely performed at 430 ℃ to 450 ℃ Can be. The ethanol is heated above the critical point (about 214 ° C., 60.6 atm), and the ethanol may be in a supercritical state to generate active hydrogen therein. The lignin may be decomposed due to the active hydrogen, and in this process, copper supported on the ZSM-5 zeolite may serve to mediate the active hydrogen to access the lignin compound more easily. This method allows the lignin compound to be selectively degraded and to form a single aromatic compound in high yield.

[실시예]EXAMPLE

[재료 및 화학물질][Materials and Chemicals]

프로토바인드(Protobind) 1000 알칼리 리그닌(PL)은 아인트호벤(Eindhoven) 대학교에서 공급되었다. 상기 리그닌은 소다 펄프화 공정을 사용하여 밀짚(4 중량% 미만의 탄수화물 및 2 중량% 미만의 회분을 함유하는 무황 리그닌)에서 생산되었다. 촉매 합성을 위해 Cu(NO3)2·3H2O, Ni(NO3)2·6H2O, Co(NO3)2·6H2O는 알파 에이사(Alfa Aesar)로부터 구입되었다. 촉매 지지체의 경우, 상업적 NH4 형태 ZSM-5 제올라이트는 알파 에이사로부터 구입되었다(Si/Al2 = 30, 50, 80 및 200). 에탄올은 초임계 조건에서 리그닌의 해중합(Depolymerization)을 위한 반응 매질로 선택되었다(시그마-알드리치, 200프루프, ACS시약, ≥99.5%). 테트라히드로푸란( Tetra-hydrofuran, Reagent Plus ≥99.0%, 부틸레이티드 하이드록시톨루엔 (butylated hydroxytoluene)으로 안정화) 및 중수소화 디메틸설폭시드(dimethyl sulfoxide-d6) (TMS 함유)는 각각 액체 생성물의 후 처리 및 NMR 분석을 위해 시그마-알드리치에서 구입되었다.Protobind 1000 alkaline lignin (PL) was supplied by Eindhoven University. The lignin was produced in straw (sulfur-free lignin containing less than 4% by weight carbohydrates and less than 2% by weight ash) using a soda pulping process. Cu (NO 3 ) 2 .3H 2 O, Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O was purchased from Alfa Aesar for catalyst synthesis. For catalyst supports, commercial NH 4 form ZSM-5 zeolites were purchased from Alpha Eisa (Si / Al 2 = 30, 50, 80 and 200). Ethanol was chosen as the reaction medium for depolymerization of lignin under supercritical conditions (Sigma-Aldrich, 200 proof, ACS reagent, ≧ 99.5%). Tetra-hydrofuran (reagent plus ≥99.0%, stabilized with butylated hydroxytoluene) and deuterated dimethyl sulfoxide-d 6 (containing TMS) were added after the liquid product, respectively. Purchased from Sigma-Aldrich for processing and NMR analysis.

[촉매 제조][Catalytic preparation]

상업적 NH4 ZSM-5는 H ZSM-5 형태를 유도하기 위해 550℃에서 3시간 동안하소시킨 후에 사용되었다. 모든 촉매는 습식 함침법을 적용하여 합성되었다. 금속 전구체는 탈이온수에서 용해되고 그 용액은 지지체에 넣어 실온에서 30분 동안 교반되었다. 금속은 회전식 증발기를 사용하여 각 지지체에 함침되고, 상기 촉매는 밤새 오븐에서 건조되었다. 준비된 모든 촉매는 머플로에서 500℃(코발트 촉매) 및 460℃(구리 및 니켈 촉매)에서 각각 2시간 동안 하소되었다. 반응 전에, 하소된 촉매는 15% 수소/질소 플로우의 동일한 조건에서 환원되었다. 상기 환원된 촉매는 X 중량% M/ZSM-5(비)로 나타냈다. (X = 금속의 로딩, M = 전이 금속, ZSM-5 비 = 30, 50, 80 및 200)Commercial NH 4 ZSM-5 was used after calcining at 550 ° C. for 3 hours to induce H ZSM-5 morphology. All catalysts were synthesized by applying wet impregnation. The metal precursor was dissolved in deionized water and the solution was placed in a support and stirred for 30 minutes at room temperature. The metal was impregnated into each support using a rotary evaporator and the catalyst was dried in an oven overnight. All prepared catalysts were calcined at 500 ° C. (cobalt catalyst) and 460 ° C. (copper and nickel catalysts) in muffle for 2 hours each. Prior to the reaction, the calcined catalyst was reduced under the same conditions of 15% hydrogen / nitrogen flow. The reduced catalyst is represented by X wt% M / ZSM-5 (ratio). (X = loading of metal, M = transition metal, ZSM-5 ratio = 30, 50, 80 and 200)

[특성 분석][Characteristic analysis]

유도 결합 플라즈마 - 원자 분광 분석법(ICP-AES)은 제조된 촉매의 금속 함량(Si, Al 및 Cu)을 확인하기 위해 사용되었다(SHIMADZU / ICPE-9000). 시료는 산 온침(溫浸) (진한 질산과 진한 염산의 혼합액인 왕수와 과염소산)을 사용하여 분석되었다. 촉매의 물리적 특성은 일정 온도(77K)에서 질소 물리 흡착 장치 (Micro-metritics ASAP 2010)를 사용하여 분석되었다. 분석하기 전, 모든 시료는 진공 상태에서 최소 4시간 동안 250℃에서 전처리되었다. Inductively coupled plasma-atomic spectroscopy (ICP-AES) was used to confirm the metal content (Si, Al and Cu) of the prepared catalysts (SHIMADZU / ICPE-9000). Samples were analyzed using acid warm needles (aqua regia and perchloric acid, a mixture of concentrated nitric acid and concentrated hydrochloric acid). The physical properties of the catalyst were analyzed using a nitrogen physical adsorption apparatus (Micro-metritics ASAP 2010) at constant temperature (77K). Prior to analysis, all samples were pretreated at 250 ° C. for at least 4 hours in vacuum.

분말 X 선 회절(XRD) 분석은 40kV 및 30mA에서 방사선 소스로서 Cu Kα를 사용하여 고출력 X-선 회절장치(Rigaku Corp.)에서 수행되었다. 스캔 단계는 10-90 도 범위에서 0.02도로 고정되었다. Powder X-ray diffraction (XRD) analysis was performed on a high power X-ray diffractometer (Rigaku Corp.) using Cu Kα as the radiation source at 40 kV and 30 mA. The scan step was fixed at 0.02 degrees in the 10-90 degree range.

암모니아 승온 탈착(TPD)은 벨켓II(BEL CAT II, JAPAN)을 사용하여 수행되었다. 분석하기 전에 시료 0.03g을 헬륨 플로우 하에서 300℃에서 1시간 동안 가열하여 흡착된 불순물을 제거하였다. 60℃로 냉각시킨 후, 시료는 4.96% 암모니아/헬륨으로 포화되었다. 물리적 흡착된 암모니아는 100℃에서 헬륨 플로우를 정화함으로써 제거되었다. 시료는 60℃로 냉각되고 TCD 신호가 안정화된 후, TCD 신호는 헬륨 플로우 하에서 10℃/분의 속도로 60℃에서 550℃까지 온도를 증가시켜 기록되었다. Ammonia elevated desorption (TPD) was performed using BEL CAT II, JAPAN. Prior to analysis, 0.03 g of sample was heated at 300 ° C. for 1 hour under helium flow to remove adsorbed impurities. After cooling to 60 ° C., the sample was saturated with 4.96% ammonia / helium. Physically adsorbed ammonia was removed by purifying the helium flow at 100 ° C. After the sample was cooled to 60 ° C. and the TCD signal stabilized, the TCD signal was recorded by increasing the temperature from 60 ° C. to 550 ° C. at a rate of 10 ° C./min under helium flow.

환원된 촉매의 표면 형태는 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, MERLIN compact, ZEISS)을 사용하여 조사되었다. HSQC(heteronuclear signal quantum coherence) 분석은 850 MHz Cryo NMR (AVNACE III HC, Bruker, German)을 사용하여 수행되었다. 프로토바인드 리그닌 원재료와 THF 가용 리그닌은 105℃ 오븐에서 하룻밤 건조되고 HSQC-NMR 분석 전에 중수소화 디메틸 설폭시드-d6 900μL에 용해되었다.The surface morphology of the reduced catalyst was investigated using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, MERLIN compact, ZEISS). Heteronuclear signal quantum coherence (HSQC) analysis was performed using 850 MHz Cryo NMR (AVNACE III HC, Bruker, German). Protobind lignin raw material and THF soluble lignin were dried overnight in a 105 ° C. oven and dissolved in 900 μL of deuterated dimethyl sulfoxide-d 6 before HSQC-NMR analysis.

[실험 설정 및 절차][Experiment setup and procedure]

리그닌의 촉매 해중합은 50mL의 스테인레스 스틸 고압 오토 클레이브에서 수행되었다. 반응기는 에탄올 25mL에 0.5g의 프로토바인드 리그닌으로 채워졌다. 0.3g의 체질된 촉매(425㎛ - 600㎛)는 디자인된 500 메쉬의 스테인리스 스틸 바스켓에 넣어졌다. 내부 표준으로 플루오란텐 0.0013g 또한 상기 반응기에 첨가되었다. 상기 반응기는 산소를 제거하기 위해 밀봉되어 질소로 여러 번 배출되었다. 반응 전에, 실온에서 10바(bar)의 질소는 반응기 내로 가압되었다. 그런 다음 반응 혼합물은 500rpm으로 교반하면서 440℃(12 ℃/분)로 5시간 동안 가열되었다. 반응 후, 반응기는 얼음물 용기를 사용하여 130℃ 이하로 빠르게 급냉되었다. 단일 방향족 화합물의 수율(Y)은 하기 방정식에 의해 계산되었다.Catalytic depolymerization of lignin was carried out in a 50 mL stainless steel high pressure autoclave. The reactor was charged with 25 g of ethanol in 0.5 g of protobind lignin. 0.3 g of sieved catalyst (425 μm-600 μm) was placed in a designed 500 mesh stainless steel basket. As an internal standard, 0.0013 g of fluoranthene was also added to the reactor. The reactor was sealed several times with nitrogen to seal off oxygen. Prior to the reaction, 10 bar of nitrogen was pressurized into the reactor at room temperature. The reaction mixture was then heated to 440 ° C. (12 ° C./min) for 5 hours with stirring at 500 rpm. After the reaction, the reactor was rapidly quenched to 130 ° C. or lower using an ice water vessel. The yield (Y) of the monoaromatic compound was calculated by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

[생성물 분석][Product analysis]

액체 생성물의 GC-MS(Agilent 6890N, DB-5ms, 30m x 0.25mm x 0.25㎛) 및 GC-FID(Agilent 6890A, DB-5, 60m x 0.25mm x 0.25㎛) 분석은 희석없이 수행되었다. 플루오란텐은 내부 표준(ISTD)으로 사용되었다. 인젝터와 검출기 온도는 각각 310℃와 320℃였다. GC의 초기 오븐 온도는 5분 동안 50℃였고, 10℃/분에서 90℃까지 증가하였으며, 그 다음 10분 동안 130℃(1℃/분), 220℃(5℃/분) 및 325℃(10℃/분)까지 증가했다. 가스 생성물은 수소를 정량화하기 위해 GC로 분석되었다. GC-TCD(Agilent 6890N, Carboxen 1000, 30m x 0.53mm x 0.25㎛)가 분석을 위해 사용되었다. 초기 오븐 온도는 2분 동안 35℃였고 상기 오븐은 1분 동안 10℃/분의 속도로 250℃까지 가열되었다. 상기 인젝터 온도는 183℃, 상기 검출기 온도는 250℃ 였다.GC-MS (Agilent 6890N, DB-5 ms, 30 m × 0.25 mm × 0.25 μm) and GC-FID (Agilent 6890A, DB-5, 60 m × 0.25 mm × 0.25 μm) analysis of the liquid product were performed without dilution. Fluoranthene was used as the internal standard (ISTD). The injector and detector temperatures were 310 ° C and 320 ° C, respectively. The initial oven temperature of GC was 50 ° C. for 5 minutes, increased from 10 ° C./minute to 90 ° C., then 130 ° C. (1 ° C./minute), 220 ° C. (5 ° C./minute) and 325 ° C. (10 ° C.) for 10 minutes. 10 ° C./min). The gas product was analyzed by GC to quantify hydrogen. GC-TCD (Agilent 6890N, Carboxen 1000, 30m × 0.53mm × 0.25μm) was used for the analysis. The initial oven temperature was 35 ° C. for 2 minutes and the oven was heated to 250 ° C. at a rate of 10 ° C./min for 1 minute. The injector temperature was 183 ° C, and the detector temperature was 250 ° C.

[결과][result]

[리그닌 해중합을 위한 ZSM-5-지지 촉매][ZSM-5-Supported Catalysts for Lignin Depolymerization]

리그닌 해중합 반응은 촉매 없이(블랭크 반응) 및 ZSM-5 지지 촉매를 통해 5시간 동안 440℃ 초임계 에탄올 속에서 수행되었다. 단일 방향족 화합물의 총 수율은 페놀(phenol), 톨루엔(toluene), m-자일렌(m-xylene), 벤질알콜(benzyl alcohol), 2-에틸페놀(2-ethylphenol), 에틸벤젠(ethylbenzene), 과이어콜(guaiacol), 시링골(syringol), o-크레졸(o-cresol), 4-에틸페놀(4-ethylphenol), 벤즈알데하이드(benzaldehyde) 및 1,2,4-트리메톡시벤젠(1,2,4-trimethoxybenzene)을 포함하는 12가지 단일 방향족 화합물의 각 수율을 합함으로써 얻어진다. The lignin depolymerization reaction was carried out in 440 ° C. supercritical ethanol for 5 hours without catalyst (blank reaction) and through a ZSM-5 supported catalyst. Total yields of mono-aromatic compounds are phenol, toluene, m-xylene, benzyl alcohol, 2-ethylphenol, ethylbenzene, Guiacol, syringol, o-cresol, 4-ethylphenol, benzaldehyde and 1,2,4-trimethoxybenzene (1 It is obtained by summing the yields of 12 monoaromatic compounds containing 2,4-trimethoxybenzene).

표 1은 GC-FID를 사용하여 정량화된 단일 방향족 화합물의 수율을 보여준다.Table 1 shows the yield of monoaromatic compounds quantified using GC-FID.


Entry

Entry

Catalyst

Catalyst
Yield of monoaromatic compounds
(wt.%)
Yield of monoaromatic compounds
(wt.%)
1One NoneNone 5.05.0 22 10 wt.% Ni/ZSM-5(200)10 wt.% Ni / ZSM-5 (200) 12.512.5 33 10 wt.% Co/ZSM-5(200)10 wt.% Co / ZSM-5 (200) 14.814.8 44 5 wt.% Cu/ZSM-5(200)5 wt.% Cu / ZSM-5 (200) 11.311.3 55 30 wt.% Cu/ZSM-5(200)30 wt.% Cu / ZSM-5 (200) 10.810.8 66 ZSM-5(30)ZSM-5 (30) 89.489.4 77 10 wt.% Cu/ZSM-5(30)10 wt.% Cu / ZSM-5 (30) 98.298.2 88 10 wt.% Cu/ZSM-5(50)10 wt.% Cu / ZSM-5 (50) 84.984.9 99 10 wt.% Cu/ZSM-5(80)10 wt.% Cu / ZSM-5 (80) 39.539.5 1010 10 wt.% Cu/ZSM-5(200)10 wt.% Cu / ZSM-5 (200) 15.315.3

항목 1의 블랭크 반응의 경우, 단일 방향족 화합물의 수율은 5.0 중량%이다. 한편, ZSM-5 지지 촉매를 통한 단일 방향족 화합물의 수율도 표 1에 나타나있다. 먼저, ZSM-5(200)에 담지된 다양한 전이 금속(니켈, 코발트 및 구리) 중, 10 중량% Cu/ZSM-5(200)는 단일 방향족 화합물의 최고 수율(15.3 중량%)을 나타낸다. 최적의 금속은 구리로 간주되므로, 항목 4 및 5와 같이 ZSM-5(200)에 대한 구리의 담지량은 5 중량%에서 30 중량%로 다양하다. 결과적으로, 단일 방향족 화합물의 최대 수율은 10 중량%의 구리가 담지되는 Cu/ZSM-5(200)을 적용함으로써 얻어진다. 이 결과는 촉매의 존재가 단일 방향족 수율을 명확하게 향상시킨다는 것을 나타낸다.For the blank reaction of item 1, the yield of a single aromatic compound is 5.0% by weight. On the other hand, the yield of the monoaromatic compound through the ZSM-5 supported catalyst is also shown in Table 1. First, of the various transition metals (nickel, cobalt and copper) supported on the ZSM-5 (200), 10 wt.% Cu / ZSM-5 (200) exhibits the highest yield (15.3 wt.%) Of a single aromatic compound. Since the optimal metal is considered copper, the loading of copper for the ZSM-5 (200), as in items 4 and 5, varies from 5% to 30% by weight. As a result, the maximum yield of a monoaromatic compound is obtained by applying Cu / ZSM-5 (200) carrying 10% by weight of copper. This result indicates that the presence of a catalyst clearly improves the mono aromatic yield.

최종적으로, ZSM-5의 Si/Al2 비는 30에서 200으로 변화되었지만, 구리의 담지량은 10 중량%로 고정되었다. 항목 7 내지 10의 경우처럼 ZSM-5의 Si/Al2 비를 변화시킴으로써, 단일 방향족 화합물의 수율이 급격히 증가한다. 단일 방향족 화합물의 최고 수율은 촉매들 중에서는 98.2 중량%로 10 중량% Cu/ZSM-5(30)를 통해 획득될 수 있다. ZSM-5(30) 지지 촉매 외에도, 10 중량% Cu/ZSM-5(50) 및 10 중량% Cu/ZSM-5(80) 또한 각각 84.9 중량% 및 39.5 중량%의 비교적 높은 단일 방향족 화합물의 수율을 보여준다. 따라서, 그 결과를 설명하기 위해 Si/Al2 비의 함수로서 10 중량% Cu/ZSM-5를 통한 심층 분석이 수행되었다.Finally, the Si / Al 2 ratio of ZSM-5 was changed from 30 to 200, but the amount of copper supported was fixed at 10% by weight. By varying the Si / Al 2 ratio of ZSM-5 as in the case of items 7 to 10, the yield of monoaromatic compounds increases dramatically. The highest yield of a monoaromatic compound can be obtained via 10 wt% Cu / ZSM-5 (30) at 98.2 wt% among the catalysts. In addition to the ZSM-5 (30) supported catalyst, 10 wt% Cu / ZSM-5 (50) and 10 wt% Cu / ZSM-5 (80) also yield 84.9 wt% and 39.5 wt% of relatively high monoaromatic compounds, respectively. Shows. Thus, an in-depth analysis with 10 wt% Cu / ZSM-5 was performed as a function of the Si / Al 2 ratio to explain the results.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 방향족 화합물의 분포를 나타낸다.1 shows a distribution of a single aromatic compound according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 440℃에서 5시간 동안 촉매를 통해 선택된 단일 방향족 화합물로, 벤즈알데히드, 에틸벤젠, m-자일렌 및 톨루엔이 프로토바인드 리그닌의 해중합 반응을 통해 주로 생성되었다. 상기 단일 방향족 화합물은 GC-MS 및 GC-FID 분석에 의해 확인되고 정량화되었다. Si/Al2 비를 감소시킴으로써, 단일 방향족 화합물의 양은 점차적으로 증가하고, 이것은 단일 방향족 화합물의 수율과 관련될 수 있다. Referring to FIG. 1, as a single aromatic compound selected through a catalyst at 440 ° C. for 5 hours, benzaldehyde, ethylbenzene, m-xylene and toluene were mainly produced through the depolymerization reaction of protobind lignin. The monoaromatic compounds were identified and quantified by GC-MS and GC-FID analysis. By decreasing the Si / Al 2 ratio, the amount of monoaromatic compound is gradually increased, which can be related to the yield of monoaromatic compound.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로토바인드 리그닌의 곁사슬 영역 HSQC NMR 스펙트럼을 나타내고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로토바인드 리그닌의 방향족 영역 HSQC NMR 스펙트럼을 나타낸다. HSQC NMR 분석은 리그닌 해중합 반응 후 원료 리그닌 및 THF 가용 리그닌의 화학 결합 변화를 관찰하기 위해 수행되었다. Figure 2 shows the side chain region HSQC NMR spectrum of the protobind lignin according to an embodiment of the present invention, Figure 3 shows the aromatic region HSQC NMR spectrum of the protobind lignin according to an embodiment of the present invention. HSQC NMR analysis was performed to observe changes in chemical binding of raw lignin and THF soluble lignin after lignin depolymerization.

도 2를 참조하면, 곁사슬 영역에서 메톡시(-OCH3), β-O-4 결합(A), β-β 결합(B) 및 β-5 결합(C)이 프로토바인드 리그닌 내에 명백하게 관찰된다. α, β 및 γ 위치에 대한 13C-1H 상관 관계에 의해, (A)로 표시된 β-O-4의 존재가 확인된다. 레지놀(resinol) 하부구조의 13C-1H 상관 관계는 β-β(B)로 표시되고 페닐코마렌(phenylcoumarane) 하부구조는 β-5 (C)로 표시된다. 또한, ρ-히드록시 신나 밀 알코올(ρ-hydroxylcinnamyl alcohol) 말단기(I) 및 β-D-자일로피라노사이드(β-D-xylopyranoside)가 관찰된다. 후자의 관찰은 퓨란(furan) 화합물의 형성 또는 존재를 의미한다. Referring to FIG. 2, methoxy (-OCH 3 ), β-O-4 bond (A), β-β bond (B), and β-5 bond (C) are clearly observed in the protobind lignin in the side chain region. . By the 13 C- 1 H correlation for the α, β and γ positions, the presence of β-O-4 represented by (A) is confirmed. The 13 C- 1 H correlation of the resinin substructure is represented by β-β (B) and the phenylcoumarane substructure is represented by β-5 (C). In addition, ρ-hydroxylcinnamyl alcohol terminal group (I) and β-D-xylopyranoside are observed. The latter observation implies the formation or presence of furan compounds.

도 3을 참조하면, 방향족 영역에서는 에테르화된 시링길(syringyl) 단위(S), 산화된(Cα=O) 시링길 단위(S'), 과이아실(guaiacyl) 단위(G), 페룰레이트(ferulate)(FA) (H)와 ρ-하이드록시페닐(ρ-hydroxyphenyl) 단위 (H) 및 ρ-코마레이트(ρ-coumarate)(ρCA)는 원료 프로토바인드 리그닌에서 관찰된다.Referring to FIG. 3, in the aromatic region, etherified syringyl unit (S), oxidized (Cα = O) siring unit (S ′), guiacyl unit (G), and ferulate ( ferulate (FA) (H) and ρ-hydroxyphenyl units (H) and ρ-coumarate (ρCA) are observed in the raw protobinding lignin.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 10 중량% Cu/ZSM-5(30)를 이용한 반응 후 THF 가용 리그닌의 곁가지 영역의 HSQC NMR 스펙트럼을 나타낸다.Figure 4 shows the HSQC NMR spectrum of the side branch region of THF soluble lignin after reaction with 10% by weight Cu / ZSM-5 (30) according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 에틸 그룹을 포함한 생성물은 별표(*) 표시된 에틸화된 생성물에 관한 신호에 의해 입증된 바와 같이 HSQC NMR로 확인된다. 이 결과는 반응 동안 단일 방향족 화합물과 에탄올간의 에틸화가 발생한다는 것을 의미한다. 실제로, 2-에틸페놀, o-크레졸 및 에틸벤젠과 같은 에틸화 생성물은 또한 액체 생성물에서 GC 에 의해 검출된다.Referring to FIG. 4, the product containing the ethyl group is identified by HSQC NMR as evidenced by the signal for the ethylated product marked with an asterisk (*). This result means that ethylation between the monoaromatic compound and ethanol occurs during the reaction. Indeed, ethylation products such as 2-ethylphenol, o-cresol and ethylbenzene are also detected by GC in the liquid product.

한편, 구리의 역할을 확인하기 위해 리그닌 해중합이 구리가 없는 촉매, ZSM-5(30)를 이용하여 같은 조건에서 수행되었다. 결과적으로, 단일 방향족 화합물의 수율은 표 1의 항목 6과 같이 89.4 중량%이고, 이는 10 중량% Cu/ZSM-5(30)의 수율보다 낮다. 그 결과에 기초하여 리그닌 해중합은 주로 산도가 가장 높은 ZSM-5 (30)를 통해 일어난다고 추측될 수 있다. 한편, ZSM-5(30) 지지체에 구리 금속을 첨가하면 수율이 약간 증가한다. 이는 구리 금속이 리그닌의 해중합을 촉진시키는 데 일정한 역할을 한다는 것을 의미한다. 수소 원자는 리그닌의 에테르 결합을 끊어지게 하는 구리 금속의 표면에 흡착 될 수 있다. On the other hand, in order to confirm the role of copper, lignin depolymerization was performed under the same conditions using a copper-free catalyst, ZSM-5 (30). As a result, the yield of a single aromatic compound is 89.4% by weight as in item 6 of Table 1, which is lower than the yield of 10% by weight Cu / ZSM-5 (30). Based on the results, it can be assumed that lignin depolymerization occurs mainly through ZSM-5 (30), which has the highest acidity. On the other hand, the addition of copper metal to the ZSM-5 (30) support slightly increases the yield. This means that copper metal plays a role in promoting depolymerization of lignin. The hydrogen atom can be adsorbed onto the surface of the copper metal which breaks the ether bond of lignin.

[10 중량% Cu/ZSM-5(비) 촉매의 물리적 특성][Physical Properties of 10 wt.% Cu / ZSM-5 (Non) Catalysts]

표 2는 ZSM-5(비) 지지 촉매의 ICP-AES 및 N2 물리적 흡착의 결과를 나타낸다.Table 2 shows the results of the ICP-AES and N 2 physical adsorption of ZSM-5 (non) supported catalysts.

EntryEntry CatalystCatalyst ICP-MSICP-MS N2 physisorptionN 2 physisorption Cu
(%)
Cu
(%)
Si/Al2 Si / Al 2 SBET
(m2/g)
S BET
(m 2 / g)
SExternal
(m2/g)
S External
(m 2 / g)
1One 10 wt.% Cu/ZSM-5(30)10 wt.% Cu / ZSM-5 (30) 7.547.54 3434 331331 9898 22 10 wt.% Cu/ZSM-5(50)10 wt.% Cu / ZSM-5 (50) 7.447.44 6060 365365 135135 33 10 wt.% Cu/ZSM-5(80)10 wt.% Cu / ZSM-5 (80) 7.457.45 8484 426426 141141 44 10 wt.% Cu/ZSM-5(200)10 wt.% Cu / ZSM-5 (200) 7.267.26 227227 355355 237237

표 2에 나타난 바와 같이, 실험값 및 이론값 사이에 구리 담지량의 차이가 존재한다. 그러나 시료 사이의 구리 담지에 대한 실험값은 7.26%에서 7.54%로 거의 동일하다. 한편, ZSM-5의 Si/Al2 비의 실험값은 이론값보다 약간 크다. 모든 촉매는 331m2/g에서 365m2/g 사이의 거의 비슷한 BET 표면적을 가지며, 10 중량% Cu/ZSM-5(80)는 426m2/g의 최대 BET 표면적을 가지는 것으로 예상된다. 그러나, BET 표면적은 촉매 활성과 관련이 없다. 한편, ZSM-5의 Si/Al2 비 증가에 의해 외부 표면적이 98m2/g에서 237m2/g으로 증가한다. As shown in Table 2, there is a difference in copper loading between the experimental and theoretical values. However, the experimental value for copper loading between samples is almost the same, from 7.26% to 7.54%. On the other hand, the experimental value of the Si / Al 2 ratio of ZSM-5 is slightly larger than the theoretical value. All catalysts have an almost similar BET surface area between 331 m 2 / g to 365 m 2 / g and 10 wt% Cu / ZSM-5 (80) is expected to have a maximum BET surface area of 426 m 2 / g. However, BET surface area is not related to catalytic activity. On the other hand, the external surface area increases from 98m 2 / g to 237m 2 / g by increasing the Si / Al 2 ratio of ZSM-5.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 10 중량%의 Cu/ZSM-5(비) 촉매의 XRD 패턴을 나타낸다.5 shows an XRD pattern of 10 wt% Cu / ZSM-5 (Non) catalyst according to one embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, XRD 분석 결과, ZSM-5에 할당된 XRD의 패턴이 모든 촉매에서 표시되어 구리가 담지된 후에도 ZSM-5의 구조는 잘 유지된다는 것을 나타낸다. 또한, 구리 금속(43˚및 51˚)에 해당하는 XRD 패턴이 모든 촉매에서 관찰된다. 한편, 도시되지 않았지만 촉매의 구리 결정 크기를 비교하면, 43˚에서 구리의 결정 크기는 41.3nm와 51.1nm 사이로 (오차 범위는 약 ±10 %) 다양한 Si/Al2 비를 갖는 Cu/ZSM-5 시료에 따라 구리의 결정 크기에는 큰 차이가 없다. Referring to FIG. 5, XRD analysis shows that the pattern of XRD assigned to ZSM-5 is displayed on all catalysts, indicating that the structure of ZSM-5 is well maintained even after copper is supported. In addition, XRD patterns corresponding to copper metals (43 ° and 51 °) were observed in all catalysts. On the other hand, although not shown, when comparing the copper crystal sizes of the catalyst, the copper crystal size at 43 ° is between 41.3 nm and 51.1 nm (error range is about ± 10%) Cu / ZSM-5 having various Si / Al 2 ratios. There is no significant difference in the crystal size of copper between samples.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 비의 환원된 10 중량% Cu/ZSM-5의 SEM 이미지를 나타낸다. 촉매의 형태를 이해하기 위해 SEM 분석을 수행하였다.6 shows SEM images of reduced 10 wt% Cu / ZSM-5 at various ratios according to one embodiment of the present invention. SEM analysis was performed to understand the form of the catalyst.

도 6을 참조하면, (A)는 Si/Al2 비가 30, (B)는 Si/Al2 비가 50, (C)는 Si/Al2 비가 80, 및 (D)는 Si/Al2 비가 200인 10 중량% Cu/ZSM-5의 SEM 현미경 사진으로, ZSM-5의 Si/Al2 비를 변화시킴으로써 촉매의 형태가 현저하게 변화되었다. 30 및 50 과 같이 낮은 Si/Al2 비의 경우, 입자는 약 200 nm의 입자 크기를 갖는 거의 입방체 및/또는 편암형태(불규칙한 형태)을 나타내지만, 80 및 200과 같이 높은 Si/Al2 비의 경우, 입자는 1μm보다 큰 크기를 갖는 구형 형태를 갖는 것으로 나타났다. 결과를 토대로, 촉매의 형태와 입자 크기는 Cu/ZSM-5의 Si/Al2 비를 변화시킴으로써 상당히 달라진다고 할 수 있다.Referring to FIG. 6, (A) shows a Si / Al 2 ratio of 30, (B) shows a Si / Al 2 ratio of 50, (C) shows a Si / Al 2 ratio of 80, and (D) a Si / Al 2 ratio of 200. SEM micrographs of phosphorous 10 wt.% Cu / ZSM-5 showed that the morphology of the catalyst was significantly changed by changing the Si / Al 2 ratio of ZSM-5. For low Si / Al 2 ratios such as 30 and 50, the particles exhibit a nearly cubic and / or schist (irregular) shape with a particle size of about 200 nm, but high Si / Al 2 ratios such as 80 and 200. In the case, the particles were found to have a spherical shape with a size greater than 1 μm. Based on the results, the form and particle size of the catalyst can be said to vary considerably by changing the Si / Al 2 ratio of Cu / ZSM-5.

[10 중량% Cu/ZSM-5(비) 촉매의 산성 특성][Acid Characterization of 10 wt.% Cu / ZSM-5 (Non) Catalysts]

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 10 중량% Cu/ZSM-5(비) 촉매의 NH3-TPD 스펙트럼을 나타낸다. 촉매의 산성 특성을 조사하기 위해 NH3-TPD를 수행하였다.Figure 7 shows the NH 3 -TPD spectrum of 10 wt% Cu / ZSM-5 (Non) catalyst according to one embodiment of the present invention. NH3-TPD was performed to investigate the acidic properties of the catalyst.

도 7을 참조하면, 두 개의 주요 탈착 피크가 촉매에서 관찰되었다. 350℃ 이하의 첫번째 피크는 촉매의 약산성 부위에 기인하는 반면, 350℃ 이상의 두번째 피크는 강산성 부위에서 유래한다. 고온 영역의 산점의 밀도가 결정되는데, 이는 리그닌이 Cu/ZSM-5의 외부 표면에만 접근할 것으로 예상되므로 외부 표면적에 의해 정상화된다. 표 3은 고온의 촉매에서 산점의 밀도를 나타낸다.Referring to Figure 7, two major desorption peaks were observed in the catalyst. The first peak below 350 ° C. is due to the weakly acidic site of the catalyst, while the second peak above 350 ° C. comes from the strongly acidic site. The density of the scattering point in the hot zone is determined, which is normalized by the outer surface area since lignin is expected to approach only the outer surface of Cu / ZSM-5. Table 3 shows the density of acid sites in high temperature catalysts.


Entry

Entry

Catalyst

Catalyst
Acid density
(mmol/m2)
Acid density
(mmol / m 2 )
1One 10 wt.% Cu/ZSM-5(30)10 wt.% Cu / ZSM-5 (30) 3.23.2 22 10 wt.% Cu/ZSM-5(50)10 wt.% Cu / ZSM-5 (50) 2.52.5 33 10 wt.% Cu/ZSM-5(80)10 wt.% Cu / ZSM-5 (80) 1.81.8 44 10 wt.% Cu/ZSM-5(200)10 wt.% Cu / ZSM-5 (200) 0.60.6

촉매의 산 밀도(mmol/m2)는 10 중량% Cu/ZSM-5(30) 3.2mmol/m2 > 10 중량% Cu/ZSM-5(50) 2.5mmol/m2 > 10 중량% Cu/ZSM-5(80) 1.8mmol/m2 > 10 중량% Cu/ZSM-5(200) 0.6mmol/m2 로 Si/Al2 비가 200에서 30으로 감소함으로써 증가한다. The acid density (mmol / m 2 ) of the catalyst is 10 wt% Cu / ZSM-5 (30) 3.2 mmol / m 2 > 10 wt% Cu / ZSM-5 (50) 2.5 mmol / m 2 > 10 wt% Cu / ZSM-5 (80) 1.8 mmol / m 2 > 10 wt% Cu / ZSM-5 (200) 0.6 mmol / m 2 Si / Al 2 ratio increased by decreasing from 200 to 30.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 Si/Al2 비 촉매의 산 밀도에 따른 단일 방향족 화합물의 수율을 나타낸다. 단일 방향족 화합물의 수율 및 산 밀도 데이터는 각각 표 1 및 표 3으로부터 구하였다. 8 shows the yield of a single aromatic compound according to the acid density of various Si / Al 2 ratio catalysts according to one embodiment of the present invention. Yield and acid density data of monoaromatic compounds were obtained from Tables 1 and 3, respectively.

도 8을 참조하면, 단일 방향족 화합물의 수율은 촉매의 산 밀도가 증가함에 따라 증가한다. 촉매 중 10 중량% Cu/ZSM-5(30)은 가장 높은 산 밀도(3.2mmol/㎡)를 나타내어 단일 방향족 화합물의 수율이 가장 높다. Cu/ZSM-5의 산 밀도는 초임계 에탄올에서 리그닌의 해중합을 촉진시키는데 결정적인 역할을 한다고 할 수 있다.Referring to FIG. 8, the yield of monoaromatic compounds increases as the acid density of the catalyst increases. 10 wt% Cu / ZSM-5 (30) in the catalyst exhibited the highest acid density (3.2 mmol / m 2) with the highest yield of single aromatic compound. The acid density of Cu / ZSM-5 plays a crucial role in promoting the depolymerization of lignin in supercritical ethanol.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, specific embodiments of the present invention have been described. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (10)

금속; 및
상기 금속을 지지하는 제올라이트를 포함하는 리그닌 분해 촉매.
metal; And
Lignin decomposition catalyst comprising a zeolite supporting the metal.
제 1 항에 있어서,
상기 금속은 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 촉매.
The method of claim 1,
The lignin decomposition catalyst, characterized in that the metal comprises copper.
제 2 항에 있어서,
상기 리그닌 분해 촉매 전체 중량에 대하여,
상기 구리의 함량은 5 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 촉매.
The method of claim 2,
For the total weight of the lignin decomposition catalyst,
The content of copper is lignin decomposition catalyst, characterized in that 5 to 15% by weight.
제 1 항에 있어서,
상기 제올라이트는 규소 및 알루미늄을 포함하고,
상기 알루미늄에 대한 상기 규소의 몰비(Si/Al2)는 20 내지 40인 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 촉매.
The method of claim 1,
The zeolite includes silicon and aluminum,
Lignin decomposition catalyst, characterized in that the molar ratio (Si / Al 2 ) of the silicon to the aluminum is 20 to 40.
제 1 항에 있어서,
상기 제올라이트는 MFI 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 촉매.
The method of claim 1,
The zeolite lignin decomposition catalyst, characterized in that it has an MFI structure.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 리그닌 분해 촉매를 이용하여 리그닌을 분해하는 반응을 수행하는 단계를 포함하는 리그닌 분해 방법.A lignin decomposition method comprising the step of performing a reaction for decomposing lignin using the lignin decomposition catalyst according to any one of claims 1 to 5. 제 6 항에 있어서,
상기 리그닌이 분해되어 단일 방향족 화합물이 형성되는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 방법.
The method of claim 6,
Lignin decomposition method characterized in that the lignin is decomposed to form a single aromatic compound.
제 6 항에 있어서,
상기 반응은 초임계 유체 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 방법.
The method of claim 6,
And the reaction is carried out in a supercritical fluid.
제 8 항에 있어서,
상기 초임계 유체는 초임계 에탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 방법.
The method of claim 8,
And the supercritical fluid comprises supercritical ethanol.
제 6 항에 있어서,
상기 반응은 400 내지 500℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 리그닌 분해 방법.
The method of claim 6,
Lignin decomposition method characterized in that the reaction is carried out at a temperature of 400 to 500 ℃.
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