KR20200010338A - 혼합 금속 산화물의 다이아몬드형 나노 복합물의 제조 방법 및 나노 복합물을 포함하는 촉매 시스템 - Google Patents
혼합 금속 산화물의 다이아몬드형 나노 복합물의 제조 방법 및 나노 복합물을 포함하는 촉매 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
층상 금속 나노 복합물 및 층상 금속 나노 복합물의 제조 방법. 상기 방법은 마그네슘 염과 알루미늄 염을 혼합하여 Mg2+/Al3+ 용액을 형성하는 단계를 포함한다. Mg/Al은 0.5:1 내지 6:1의 몰비를 갖는다. 이어서, 다이아몬드형 화합물을 Mg2+/Al3+ 용액에 첨가하여 반응 혼합물을 형성한다. 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는다. 반응 혼합물을 반응 온도에서 반응 시간 동안 가열하여 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 형성한다. Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물은 환원 분위기 하에서 분해 온도에서 분해 시간 동안 열분해되어 층상 금속 나노 복합물을 형성한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조 사항
본 출원은 2018년 4월 30일에 출원된 미국 특허출원 제15/966,312호 및 2017년 5월 19일에 출원된 미국 가 특허출원 제62/508,672호에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 출원들은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 명세서는 일반적으로 나노 복합물의 제조 및 나노 복합물을 포함하는 촉매 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 혼합 금속 산화물의 다이아몬드형 나노 복합물의 합성 및 나노 복합물을 함유하는 촉매 시스템에 관한 것이다.
촉매 물질은 층상 이중 수산화물 (LDH)과 같은 음이온성 점토로부터 제조될 수 있다. 음이온성 점토는 그 구조 및 특성 면에서, 널리 사용되는 알루미노 실리케이트 양이온성 점토의 역전하 유사체이다. LDH 물질 군의 최대 그룹은 [MII 1-xMIII x(OH)2]x+ (MII = Mg, Ca, Co, Ni, Zn; MIII = Al, Cr, Fe; 0.2 ≤ x ≤ 0.33) 조성을 갖는 양으로 하전된 금속 수산화물 층을 포함한다. 수산화물 층의 양전하는 층들 사이의 음이온에 의해 균형을 이룬다. 음이온은 음이온성 점토라는 이름을 갖도록 한다. 음이온성 점토의 한 그룹은 일반식 [MII 1-xMIII x(OH)2](An-)x/n·mH2O (m = 0.33 내지 0.50)의 물질을 포함하며, 여기서 A는 질산염 또는 할로겐과 같은 음이온이다.
LDH는 환경 친화적이며 경제적으로 실행 가능한 층상 재료이다. 이들의 쉽게 변화하는 조성, 잘 분산된 치환 및 층 형태로 인해, 이들 물질은 다양한 응용에 사용되는 것으로 밝혀졌다. 화학적으로 염기성인 혼합 금속 산화물이 LDH의 열분해로 생성된다. 이들 혼합 금속 산화물은 수성 가스 이동 반응 및 광촉매 적용을 포함하여 다양한 촉매 반응에서 이종 촉매로서 사용될 수 있는 잠재력이 있다. 또한, 이들 혼합 금속 산화물은 다량의 CO2를 환경으로 방출하는 석탄 화력 발전소로부터 CO2를 포집하는 데 적합할 수 있다. 하나 이상의 응용에서, LDH로부터 수득된 혼합 금속 산화물 물질은 산성 CO2 가스를 포집하기에 적합한 흡착제이고 산업 유출물 및 식수로부터 독성 이온을 흡착할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
지지된 금속 또는 금속-산화물 촉매의 합성은 산업 이종 촉매 분야에서 중요하다. 높은 활성, 높은 선택성 및 긴 촉매 수명은 임의의 산업 촉매의 바람직한 특성이다.
환경 친화적인, 활성 및 선택적 촉매를 합성하는 방법에 대한 지속적인 요구가 존재한다. 따라서, 본 발명의 실시양태는 LDH를 분해하여 수득한 금속 산화물 입자를 포함하는 나노 복합물을 합성하는 방법을 포함한다. 특히, 이 합성 방법은 다수의 세척 단계 없이 "원 포트" 합성으로 수행될 수 있다. 이 방법에 따라 제조된 나노 복합물은 촉매 시스템에 포함될 수 있다.
일부 실시양태에 따르면, 층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법은 마그네슘 염과 알루미늄 염을 혼합하여 Mg2+/Al3+ 용액을 형성하는 단계를 포함한다. Mg2+/Al3+ 용액은 Mg:Al의 몰비가 0.5:1 내지 6:1이다. 이어서, 다이아몬드형 화합물을 Mg2+/Al3+ 용액에 첨가하여 반응 혼합물을 형성한다. 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는다. 반응 혼합물을 반응 온도에서 반응 시간 동안 가열하여 Mg/Al-다이아몬드형 층간 이중 수산화물을 형성한다. Mg/Al-다이아몬드형 층간 이중 수산화물은 분해 온도에서 분해 시간 동안 환원 분위기 하에서 열분해되어 층상 금속 나노 복합물을 형성한다.
일부 실시양태는 본 개시의 방법에 따라 제조된 층상 금속 나노 복합물을 포함한다. 층상 금속 나노 복합물은 나노 복합물의 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 90 중량%의 나노 복합물을 포함하는 산화 마그네슘 (MgO)을 포함한다. MgO는 10 나노미터 (nm) 내지 20 nm의 입자 크기를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시양태에 따른 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 분말 X-선 회절 (PXRD) 패턴이다.
도 2는 일 실시양태에 따른 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 적외선 (IR) 투과 스펙트럼이다.
도 3은 일 실시양태에 따른 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 양성자 고체 핵 자기 공명 (NMR) 스펙트럼이다.
도 4는 일 실시양태에 따른 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 탄소-13 (13C) 고체 상태 NMR 스펙트럼이다.
도 5a 및 5b는 본 개시에 따라 제조된 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 상이한 배율에서의 주사 전자 현미경 (SEM)의 현미경 사진이다.
도 6은 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 PXRD 패턴이다.
도 7은 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 IR 스펙트럼이다.
도 8은 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 13C NMR이다.
도 9는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 27Al NMR이다.
도 10a 내지 10d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 SEM 현미경 사진이다.
도 11a 내지 11d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 SEM 현미경 사진이다.
도 12a 내지 12c는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 전이 전자 현미경 (TEM) 현미경 사진이다.
도 12d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 고해상도 전이 전자 현미경 (HRTEM)의 현미경 사진이다.
도 13a 내지 13c는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 TEM 현미경 사진이다.
도 13d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 HRTEM 현미경 사진이다.
도 14는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 에너지 분산 X-선 (EDX) 스펙트럼이다.
도 15a는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 STEM 현미경 사진이다.
도 15b는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 마그네슘의 원소 맵핑이다.
도 15c는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 산소의 원소 맵핑이다.
도 15d는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 탄소의 원소 맵핑이다.
도 15e는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 알루미늄의 원소 맵핑이다.
도 2는 일 실시양태에 따른 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 적외선 (IR) 투과 스펙트럼이다.
도 3은 일 실시양태에 따른 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 양성자 고체 핵 자기 공명 (NMR) 스펙트럼이다.
도 4는 일 실시양태에 따른 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 탄소-13 (13C) 고체 상태 NMR 스펙트럼이다.
도 5a 및 5b는 본 개시에 따라 제조된 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 상이한 배율에서의 주사 전자 현미경 (SEM)의 현미경 사진이다.
도 6은 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 PXRD 패턴이다.
도 7은 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 IR 스펙트럼이다.
도 8은 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 13C NMR이다.
도 9는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 27Al NMR이다.
도 10a 내지 10d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 SEM 현미경 사진이다.
도 11a 내지 11d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 SEM 현미경 사진이다.
도 12a 내지 12c는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 전이 전자 현미경 (TEM) 현미경 사진이다.
도 12d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 고해상도 전이 전자 현미경 (HRTEM)의 현미경 사진이다.
도 13a 내지 13c는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 TEM 현미경 사진이다.
도 13d는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 HRTEM 현미경 사진이다.
도 14는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 에너지 분산 X-선 (EDX) 스펙트럼이다.
도 15a는 본 개시의 하나 이상의 실시양태에 따라, Mg/Al-아다만탄 삽입된 LDH로부터 형성되고 수소 분위기에서 450℃에서 분해된 나노 복합물의 STEM 현미경 사진이다.
도 15b는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 마그네슘의 원소 맵핑이다.
도 15c는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 산소의 원소 맵핑이다.
도 15d는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 탄소의 원소 맵핑이다.
도 15e는 도 15a의 STEM 현미경 사진에서 알루미늄의 원소 맵핑이다.
본 개시에서 나타나는 약어는 다음과 같이 정의된다: ℃ = 섭씨 온도; Å = 옹스트롬; ACA = 1-아다만탄 카르복실산; AD = 아다만탄; cm = 센티미터 (10-2 미터); EDX = 에너지-분산 X-선; FWHM = 최대 절반에서 전체 폭; h = 시간; HRTEM = 고분해능 투과 전자 현미경; IR = 적외선; LDH = 층상 이중 수산화물; μm = 마이크로 미터 (10-6 미터); mL = 밀리리터 (10-3 리터); nm = 나노 미터 (10-9 미터); ppm = 백만 분의 일; PXRD = 분말 X-선 회절; SEM = 주사 전자 현미경; TEM = 투과 전자 현미경; TGA = 열 중량 분석; TMO = 전이 금속 산화물; 및 중량% = 중량 퍼센트.
안정한 지지체 상의 활성 환원 금속 또는 금속 산화물 입자의 분산은 합성 조건, 지지체의 특성, 및 활성 촉매를 지지체 상에 분산 또는 분배시키는 적절한 방법과 같은 다수의 파라미터를 고려해야 하는 복잡하고 노동 집약적인 공정이다. 금속/금속 산화물 지지 촉매 중에서, 다양한 지지체 (알루미나, 실리카 및 탄소) 상에 지지된 Cu/ZnO/Al2O3 시스템 및 금속/금속 산화물 (Pt, Pd, Rh 및 Au) 시스템은, 예컨대, 메탄올의 합성, 수성 가스 이동 반응, 석유 화학 스트림의 탈황, 물의 광화학적 또는 전기 화학적 분할, 및 이산화탄소의 유용한 화학물로의 광화학적 또는 전기 화학적 환원과 같은 산업 규모 반응을 촉매할 수 있다.
종횡비가 높은 아다만탄 삽입 층상 이중 수산화물 (LDH) 입자 및 이들의 제조 방법의 실시양태를 이제 상세하게 참조할 것이다. 구체적으로, 아다만탄 삽입된 LDH 입자는 100보다 큰 종횡비를 갖는다. 종횡비는 LDH 입자의 폭을 LDH 입자의 두께로 나눈 것으로 정의된다. 본 개시에서 사용되는 용어 "낮은 종횡비"는 10 미만의 종횡비를 지칭하고; "중간 종횡비"는 10 내지 100의 종횡비이고; "높은 종횡비"는 100보다 큰 종횡비이다. 개별 LDH 입자의 종횡비는 SEM 이미지와 같은 현미경 사진으로부터 계산될 수 있다.
다이아몬드형-삽입된 LDH 입자, 특히 아다만탄-삽입된 LDH 입자를 제조하는 방법은 미국 가출원 일련 번호 62/309,645, 2016년 3월 17일자로 출원되었으며, 둘 모두는 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다. 미국 출원 공개 번호 2017/0267623은 다이아몬드형-삽입된 혼합 금속 LDH를 제조하는 방법을 기술한다. 이들 다이아몬드형 층간 삽입 혼합 금속 LDH는 대기 하에서 나노 복합물로 분해되었다. 산소의 존재는 분해 공정을 변경시키고, 생성된 나노 복합물은 환원성 분위기에서 다이아몬드형-삽입된 혼합 금속 LDH를 분해함으로써 형성된 나노 복합물과 구조적으로 그리고 화학적으로 다르다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "다이아몬드형"은 아다만탄 (C10H16)으로 알려진 탄소 케이지 분자의 변이체를 의미한다. 탄소 케이지는 삼중, 사중, 오중 및 다환 구조를 포함한다. 일부 실시양태에서, 다이아몬드형은 아다만탄, 디아만탄, 트리아만탄 및 고급 폴리만탄을 포함한다. 다이아몬드형 화합물은 카르복실산, 히드록실, 카르복실산 에스테르 또는 아민과 같은 관능기를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 다이아몬드형 화합물은 1-아다만탄 카르복실산이다.
층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법은 마그네슘 염과 알루미늄 염을 혼합하여 Mg2+/Al3+ 용액을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 마그네슘 대 알루미늄의 몰비는 1:1 내지 6:1이다. 다이아몬드형 화합물을 Mg2+/Al3+ 용액에 첨가하여 반응 혼합물을 형성한다. 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는다. 이어서, 반응 혼합물을 반응 온도에서 반응 시간 동안 열 처리하여 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH를 형성한다. 다이아몬드형 삽입된 Mg/Al LDH는 환원 분위기에서 분해 온도에서 분해 시간 동안 열 처리된다. 환원 분위기에서의 열처리는 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH를 분해하여 층상 금속 나노 복합물을 형성한다.
일부 실시양태에서, Mg2+/Al3+ 용액은 수용액이다. 수용액은 물과 같은 임의의 적합한 유체 또는 물 및 물에 용해되거나 물과 완전히 혼화될 수 있는 하나 이상의 유기 또는 무기 화합물 둘 다를 함유하는 용액일 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, Mg2+/Al3+ 용액의 마그네슘 염은 Mg2+ 및 반대 음이온을 함유하는 임의의 마그네슘 화합물을 포함할 수 있다. 따라서, 마그네슘 염의 비제한적인 예는 Mg(OH)2, MgCl2, MgBr2, Mg(NO3)2 및 MgSO4를 포함한다. 일부 실시양태에서, 마그네슘 염은 Mg(OH)2일 수 있다. Mg(OH)2를 하소하여 형성된 MgO는 고체 염기 촉매로서의 그의 활성에 특히 관심이 있다.
일부 실시양태에서, Mg2+/Al3+ 용액 중의 알루미늄 염은 Al3+ 및 반대 음이온을 함유하는 임의의 알루미늄 화합물을 포함할 수 있다. 알루미늄 염의 비제한적인 예는 Al(OH)3, AlCl3, AlBr3, AlI3, Al2(SO4)3, Al(NO3)3, 및 AlPO3 등의 임의의 가용성 알루미늄 염을 포함한다. Al(OH)3를 하소하여 형성된 Al2O3는 고체 염기 촉매로서의 그의 활성에 특히 관심이 있다.
반응 혼합물에서, 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는다. 일부 실시양태에서, 다이아몬드형 화합물은 아다만탄, 디아만탄 또는 트리아만탄의 카르복실산으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시양태에서, 다이아몬드형 화합물은 1-아다만탄 카르복실산 (ACA)일 수 있다.
층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법의 일부 실시양태에서, 반응 혼합물은 Mg(OH)2와 같은 마그네슘 염 및 Al(OH)3와 같은 알루미늄 염을, 반응 혼합물 중 Mg2+ 대 Al3+의 몰비를 0.5:1 내지 6:1로 제공하는 양으로 혼합함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, Mg2+/Al3+ 용액은 Mg2+/Al3+ 몰비가 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1 또는 6:1일 수 있다. Mg2+/Al3+ 용액은 총 고형분 함량이 Mg2+/Al3+ 용액의 총 중량을 기준으로 15 중량% 미만일 수 있다. 총 고형분 함량은 Mg2+/Al3+ 용액에 첨가된 임의의 고형 화합물을 포함할 수 있다. 총 고형분 함량의 일부로 계산되는 Mg2+/Al3+ 용액에 첨가된 고형 화합물의 구체적인 예는 마그네슘 염, 알루미늄 염 및 다이아몬드형 화합물을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 총 고형분 함량은 마그네슘 염, 알루미늄 염 및 다이아몬드형 화합물을 포함하도록 제한된다. 일부 실시양태에서, Mg2+/Al3+ 용액의 총 고형분 함량은 0.1 중량% 내지 15 중량%, 0.5 중량% 내지 10 중량%, 또는 5 중량% 미만이다.
하나 이상의 실시양태에서, 층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법은 Mg2+/Al3+ 용액에 일정량의 다이아몬드형 화합물을 첨가하여 0.5:1 내지 2:1의 Al 대 다이아몬드형 화합물 몰비를 갖는 반응 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응 혼합물에서 Al 대 다이아몬드형 화합물의 몰비는 0.8:1.0 내지 1.2:1.0일 수 있다. 예를 들어, Al 대 다이아몬드형 화합물의 몰비는 1:1일 수 있다.
반응 혼합물 중 Mg2+ 대 Al3+ 및 Al3+ 대 다이아몬드형 화합물의 특정 몰비는 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 전체 결정 형태를 맞추기 위해 선택될 수 있다. 이론에 구속되지 않고, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 결정 형태는 반응 혼합물에서 Al3+ 대 ACA의 비를 증가 또는 감소시킴으로써 조정될 수 있는 것으로 여겨진다. 일부 실시양태에서, Al3+ 대 다이아몬드형 화합물의 비는 0.5:1 내지 1.0:1로부터 선택될 수 있지만, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 결정 형태는 Mg2+ 대 다이아몬드형 화합물의 비를 0.5:1 미만으로 감소시킴으로써, 또는 Mg2+ 대 다이아몬드형 화합물의 비를 1.0:1 초과로 증가시킴으로써 추가로 조정될 수 있음을 이해해야 한다. 그럼에도 불구하고, 마그네슘 포화 지점이 존재하는 것으로 여겨지므로, 포화 지점을 넘어서는 Mg2+ 대 다이아몬드형 화합물의 비에서 추가의 마그네슘 이온은 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH에 혼입될 수 없다.
반응 온도는 마그네슘 염과 다이아몬드형 화합물의 반응이 반응 용기 내에서 진행하기에 충분한 열역학적 에너지를 제공하고 또한 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH의 결정화를 가능하게 하도록 선택된다. 반응 온도는 반응이 진행될 수 있을 정도로 충분히 높아야 하지만 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH의 분해 또는 결정의 용매화를 피할 정도로 충분히 낮아야 한다. 일부 실시양태에서, 반응 온도는 100℃내지 200℃, 예컨대 100℃, 110℃, 120℃, 130℃, 140℃, 150℃, 160℃, 170℃, 180℃, 190℃, 200℃이거나 100℃내지 200℃ 사이의 다른 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서 반응 온도는 100℃ 내지 200℃일 수 있지만, 반응 온도는 100℃ 미만 또는 200℃ 초과일 수 있다. 다른 실시양태에서, 반응 온도는 100℃ 내지 150℃ 또는 110℃ 내지 150℃일 수 있다. 일 예에서, 마그네슘 염이 Mg(OH)2인 경우, 반응 온도는 150℃± 10℃일 수 있다.
반응 시간은 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH가 반응 온도에서 형성될 때 결정 성장 및 명확하게 정의된 형태로 전개되는 데 충분한 시간을 제공하도록 선택된다. 일부 실시양태에서, 반응 시간은 예를 들어 12 시간 초과, 예컨대 12 시간 내지 72 시간, 24 시간 내지 72 시간, 12 시간 내지 48 시간, 또는 24 시간 내지 48 시간일 수 있다. 일부 실시양태에서 반응 시간은 12 시간보다 길 수 있지만, 특히 150℃보다 높은 반응 온도가 선택되는 경우, 12 시간보다 짧은 반응 시간도 충분할 수 있는 것으로 고려된다.
다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 완전한 분해는 수산화 마그네슘 및 수산화 알루미늄 관능기의 산화 마그네슘 및 알루미늄 입자로의 전환을 포함할 수 있다. 적합한 분해 온도는 예를 들어 200℃ 초과, 300℃ 초과, 400℃ 초과, 또는 500℃ 초과일 수 있다. 분해 시간은 선택된 분해 온도에서 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH의 완전한 분해를 초래하기에 충분한 시간으로서 선택될 수 있다. 예를 들어, 분해 시간은 1 시간 초과, 예컨대 2 시간, 3 시간, 4 시간 또는 5 시간 초과일 수 있다. 예시적인 실시양태에서, Mg(OH)2, Al2(OH)3, 및 ACA로부터 형성된 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH는 약 450℃의 분해 온도 및 적어도 4 시간의 분해 시간에서 완전히 분해될 수 있다.
Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH를 열분해하여 형성된 나노 복합물은 다양한 결정 형태를 나타낼 수 있다. 결정 형태는 반응 혼합물에서 Mg2+ 대 Al3+의 비 및 Al3+ 대 다이아몬드형 화합물의 비, Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH를 형성하는 데에 사용된 반응 시간 및 온도, 및 나노 복합물 자체를 형성하는 데 사용된 분해 조건과 같은 변수들에 의존할 수 있다.
일부 실시양태에서, 층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법은 Mg(OH)2, Al(OH)3, 및 ACA를 반응시켜 제조된 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH를 열분해시키는 단계를 포함한다. 다른 실시양태에서, 층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법은 열분해 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH를 포함한다.
이러한 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH로부터 형성된 나노 복합물은 특정 형상 또는 형태의 탄소 지지체 상에 분산된 특정 형상 또는 형태의 산화 마그네슘 입자 (MgO)를 포함할 수 있다. 금속 산화물 입자는 예를 들어 구형, 직사각형, 리본형 또는 나노 와이어, 나노 막대 또는 나노 위스커 형태일 수 있다. 산화 마그네슘 입자는 예를 들어 10 nm 내지 20 nm의 입자 크기를 가질 수 있다. 마찬가지로, 탄소 지지체는 시트, 나노 막대, 나노 와이어 또는 나노 위스커와 같은 형태를 나타낼 수 있다.
"나노 막대"라는 용어는 1 내지 100 nm 범위의 2 차원 및 3 차원 (길이)이 약간 더 큰 나노 물체를 의미한다. "나노 와이어"라는 용어는 2 개의 외부 치수 (예를 들어 폭 및 두께)가 제 3 치수 (길이)가 나노 스케일보다 훨씬 작은 전도성 이방성 준 일차원 구조를 의미한다. 용어 "나노 위스커 (nanowhisker)"는 단면 직경이 1 내지 100 nm이고 길이 대 직경 비율이 100보다 큰 필라멘트 결정 (위스커)의 유형을 의미한다.
이론에 구속되지 않고, LDH의 열분해시, 층간 음이온은 휘발성 가스로 빠져 나가고, 추가의 가열은 층상 구조의 붕괴를 초래하는 것으로 여겨진다. 층상 구조의 붕괴는 응집된 (더 큰 입자 크기) 혼합 금속 산화물의 형성을 초래한다. 실시양태에 따른 나노 복합물의 제조에서, 중간층 음이온은 분해되지 않고 오히려 중합되어 막대형 아다만탄 분자를 생성한다. 이는 분자 수준으로부터 금속 산화물 및 탄소 나노 복합물의 층 조립체에 의한 층 형성을 가능하게 한다. 따라서, 하나 이상의 실시양태에 따른 제조 방법은 입자 응집을 방지할 뿐만 아니라 금속 산화물에 대한 지지체를 제공한다.
LDH의 열분해는 3가지 관찰 가능한 단계를 통해 진행될 수 있다: (a) 실온에서 100℃까지, 흡착 또는 물리 흡수된 물이 제거된다; (b) 100℃ 내지 220℃의 온도 범위에서 삽입된 물이 제거된다; (c) 220℃ 내지 400℃에서, 삽입된 음이온이 제거되고 미네랄 층이 탈-하이드록실화되어, 비정질 혼합 금속 산화물 잔류물이 형성된다. 일반적으로, 삽입된 음이온은 온도가 450℃에 도달하기 전에 휘발성 가스로 완전히 분해되어 빠져 나간다. LDH가 분해되고 물 및 삽입된 음이온이 제거되면, 금속 산화물의 비정질 잔류물이 남는다. 일부 실시양태에서, 분해 온도는 220℃ 내지 450℃이다. 다른 실시양태에서, 분해 온도는 300℃ 내지 450℃이다. 일부 실시양태에서, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH를 열분해하는 것은 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH를 분당 5℃의 속도로 분해 온도까지 가열하는 것을 포함한다.
본 명세서에 기술된 다양한 실시양태는 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 분해를 제어한다. 분해 온도 및 분해 시간 이외에, 대기 조건은 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 분해를 제어한다. 분해 동안 산소가 존재하지 않는 경우, 분해로 인한 나노 복합물은 공기 중에 분해된 나노 복합물의 것으로부터 변경된다. 하나 이상의 실시양태에서, 층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법은 분해 분위기 하 분해 온도에서 분해 시간 동안 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH를 열분해 처리하여 층상 금속 나노 복합물을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시양태에서, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al의 열분해는 환원 분위기 하에서 일어난다. Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH의 열분해를 위한 환원 분위기는 반응 부근에서 산소 또는 다른 산화 가스 또는 증기의 양의 감소를 통해 산화를 방지한다. 환원 분위기는 수소, 일산화탄소와 같은 활성 환원 가스, 또는 임의의 산소의 존재에 의해 산화되는 황화수소와 같은 가스를 함유할 수 있다. 일부 실시양태에서, 환원 분위기는 수소 가스 (H2)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 분해는 산화 마그네슘 입자가 탄소 지지체의 표면에 균일하게 분산될 수 있는 나노 복합물의 형성을 초래한다. 탄소 지지체는 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 아다만탄 모이어티로부터 유래될 수 있다. 나노 복합물에서 MgO 입자 대 탄소의 중량비는 나노 복합물이 제조된 조건에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노 복합물은 나노 복합물의 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 90 중량%의 MgO 입자 및 10 중량% 내지 50 중량%의 아다만탄-유래 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 복합물은 나노 복합물의 총 중량을 기준으로 70 중량% 내지 80 중량%의 MgO 입자 및 20 중량% 내지 30 중량%의 아다만탄-유래 탄소를 포함할 수 있다.
본 명세서의 추가 실시양태는 촉매 시스템에 관한 것이다. 촉매 시스템은 (a) 전술한 임의의 실시양태에 따라 제조된 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH; (b) 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 열분해에 의해, 전술한 임의의 실시양태에 따라 제조된 탄소 상에 지지된 산화 마그네슘 입자와 같은 나노 복합물; 또는 (c) (a)와 (b)의 촉매 활성 혼합물을 포함할 수 있다. 촉매 시스템은 올레핀 합성, 트랜스 알킬화 및 탈-알킬화, 광 또는 전기 분해 수(水) 분할에 사용될 수 있다.
따라서, 본 명세서의 추가 실시양태는 하나 이상의 제 1 반응물과 하나 이상의 제 2 반응물과의 화학 반응을 촉매하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 전술한 촉매 시스템의 존재 하에 하나 이상의 제 1 반응물 및 하나 이상의 제 2 반응물을 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 제 1 반응물 및 하나 이상의 제 2 반응물은 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH 또는 MgO 나노 복합물이 개별적으로 또는 조합하여 존재함으로써 열역학적으로 가능하거나 더 유리하거나 동역학적으로 영향을 받는 것과 같이 촉매적으로 촉진되는 임의의 화학 화합물일 수 있다.
실시예
본 명세서에 기재된 실시양태는 하기 실시예에 의해 더욱 명백해질 것이다. 하기 실시예는 본 개시 내용 또는 그의 청구 범위를 임의의 특정 실시양태로 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다.
실시예 1
다이아몬드형-삽입된 Mg/Al 층상 이중 수산화물의 제조
방법 A 1 : 몰비 2:1의 Mg/Al 전술한 실시양태에 따른 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al 층상 이중 수산화물 물질을 제조하기 위해, 5 g의 Mg(OH)2를 탈-이온수 95 g에 용해시킴으로써 5% wt/wt의 Mg(OH)2 용액을 제조하였다. 생성된 용액에, 3.36 g의 Al(OH)3을 Mg/Al 몰비가 2:1이 되기에 제공하기에 충분한 양으로 첨가하였다. 이어서, 9.31 g의 아다만탄 카르복실산을 생성된 반응 혼합물에서 Al/아다만탄 몰비가 1:1이 되기에 충분한 양으로 용액에 첨가하였다. 반응 혼합물의 pH를 측정한 결과 9.5였다.
이어서, 반응 혼합물을 실온에서 1 시간 동안 격렬하게 교반하였다. 교반된 반응 혼합물을 테플론 라이닝 오토 클레이브로 옮기고, 150℃에서 24 시간 동안 가열하여 다이아몬드형-삽입된 Al/Mg LDH를 침전제로서 형성하였다. 다이아몬드형-삽입된 Al/Mg LDH를 중력 여과를 통해 반응 혼합물로부터 분리하였다. 여액의 pH를 측정하였더니 8.6이었다. 여액의 pH가 약 7이 될 때까지 침전물을 물로 철저히 세척하였다. 침전물을 65℃에서 건조시켰다.
방법 A 2 : 몰비 5:1의 Mg/Al 전술한 실시양태에 따른 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al 층상 이중 수산화물 물질을 제조하기 위해, 5 g의 Mg(OH)2를 탈-이온수 95 g에 용해시킴으로써 5% wt/wt의 Mg(OH)2 용액을 제조하였다. 생성된 용액에, 1.34 g의 Al(OH)3을 Mg/Al 몰비가 5:1이 되기에 충분한 양으로 첨가하였다. 이어서, 다이아몬드형 화합물인 아다만탄 카르복실산 2.34 g을 생성된 반응 혼합물에서 Al/아다만탄 몰비가 1:1이 되기에 충분한 양으로 용액에 첨가하였다. 반응 혼합물의 pH를 측정한 결과 9.5였다.
이어서, 반응 혼합물을 실온에서 1 시간 동안 격렬하게 교반하였다. 교반된 반응 혼합물을 테플론 라이닝 오토 클레이브로 옮기고, 150℃에서 24 시간 동안 가열하여 침전제로서 다이아몬드형-삽입된 Al/Mg LDH를 형성하였다. 다이아몬드형-삽입된 Al/Mg LDH를 중력 여과를 통해 반응 혼합물로부터 분리하였다. 여액의 pH를 측정하였더니 8.6이었다. 여액의 pH가 약 7이 될 때까지 침전물을 물로 철저히 세척하였다. 침전물을 65℃에서 건조시켰다.
몰비 2:1의 Mg 대 Al(방법 A1)로부터 생성된 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH는 IR 분광법, PXRD, EDX, 양성자 및 탄소 고체 상태 NMR에 의해 특성화되었다.
합성된 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 PXRD 패턴은 도 1에 제공되며, 20.84 Å에서의 기저 반사 (001)는 층간에서의 아다만탄 이온의 이중층 배열에 해당한다. (001)의 하위 배수는 더 높은 2θ 값에서 보인다. 아다만토 산의 삽입은 IR 스펙트럼으로 추가로 특성화되었다 (도 2). 1517 cm-1 및 1395 cm-1에서 진동은 COO- 기의 비대칭 및 대칭 신축 진동에 해당한다. 2901 cm-1 및 2847 cm-1 에서의 진동은 C-H 진동의 것이다. 4302 cm-1의 진동은 층간에서 삽입된 물 분자와 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH 하이드록시드 기의 수소 결합으로부터 발생한다.
도 3에서, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 1H 스펙트럼은 아다만탄 고리에 존재하는 수소 원자로 인해 백만 분의 일 (ppm) 값의 낮은 부분에서 4개의 예리한 신호를 보여 주었다. 3.8 ppm 및 4.8 ppm에서의 피크는 각각 삽입된 물 및 금속 수산화물의 수소 원자의 결과이다. 도 4에서, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 13C NMR 스펙트럼은 29.5 ppm, 37.3 ppm, 40.6 ppm 및 42.8 ppm에서 4개의 신호가 아다만탄 분자에 존재하는 4개의 상이한 탄소 환경이 있음을 나타냈다. 186.98 ppm의 신호는 아다만탄 분자에서 카르복실레이트 기의 카르보닐 탄소의 탄소로부터 발생한다. 도 5a 내지 5b는 Mg/Al-아다만토에이트 LDH의 SEM 현미경 사진이고, 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 구조적 형상을 도시한다. 예를 들어, SEM 현미경 사진은 층상 입자가 큰 표면적을 가지지만 두께가 부족하여 높은 종횡비를 나타낸다는 것을 보여준다.
실시예 2
혼합 금속 산화물 나노 복합물의 제조
수소 가스의 환원 분위기 하에서 실시예 1의 몰비 2:1의 Mg/Al (방법 A1)을 갖는 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH를 450℃에서 4 시간 동안 열분해하여 혼합 금속 산화물을 제조하였다. 열분해시 LDH는 혼합 금속 산화물을 생성한다. 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH는 MgO 및 MgAl2O4 산화물을 생성하였다.
몰비 2:1의 Mg 대 Al (방법 A1)로부터 생성된 다이아몬드형-삽입형 Mg/Al LDH로부터 생성된 혼합 금속 산화물 나노 복합물은 IR 분광법, PXRD, EDX, 양성자, 탄소 및 알루미늄 고체 상태 NMR, SEM, TEM 및 HRTEM에 의해 특성화되었다.
층상 금속 나노 복합물을 PXRD로 분석하였다 (도 6). 생성된 나노 복합물은 2θ 각도에서 d-공간에 대응하는 일련의 기본 반사, 6.61° (13.36 Å) 7.98° (11.07 Å), 9.23° (9.57 Å), 11.49° (7.7 Å), 14.0° (6.32 Å), 14.77° (6.0 Å), 16.02° (5.52 Å), 17.09° (5.18 Å), 18.04° (4.91 Å), 42.71° (2.11 Å) 및 62.2° (1.29 Å)를 나타냈다. 42.71° 및 62.2°에서의 반사는 LDH의 열분해에 의해 얻어진 혼합 금속 산화물의 전형이며 산화물 잔류물의 MgO 상에 할당된다. 보다 낮은 2θ 값, 특히 6.61°, 7.98°, 9.23° 및 11.49°에서의 다중 반사는 LDH의 혼합 금속 산화물에 대해 드문 경우이며, 이 경우 생성된 나노 복합물에서 다이아몬드형 화합물의 결과로서 PXRD 패턴에 나타난다.
나노 복합물은 도 7에 도시된 바와 같이 IR 분광법에 의해 추가로 특성화되었다. 도 7의 IR 스펙트럼은 1547 및 1417 cm-1 에서 COO- 기의 대칭 및 비대칭 스트레칭 진동을 보여 주었다. IR 스펙트럼은 2904 및 2845 cm-1 에서 C-H 기의 진동을 보여 주었다. 이들 진동 신호는 분해 후 층상 금속 나노 복합물에서 아다만탄 이온의 잔류 존재를 나타냈다. 1217 cm-1 에서의 진동은 아다만탄 이온의 C-O 스트레칭 때문이었다. IR 스펙트럼은 하이드록실 이온의 O-H 스트레칭으로 인해 약 3434 cm-1 부근의 약한 넓은 진동을 나타냈다.
생성된 층상 금속 나노 복합물의 추가 구조 정보를 얻기 위해 고체 상태 NMR 분광법을 사용하였다. 도 8에서, 나노 복합물의 13C NMR 스펙트럼은 29.5, 37.3, 40.9, 42.3 ppm에서 신호를 나타냈다. 이들 신호는 아다만탄 고리에 존재하는 4 가지 고유한 탄소 환경에 해당한다. 도 8의 신호는 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH (도 4)에서 관찰된 것과 유사하여, 분해 후 아다만탄이 존재함을 나타낸다. 186 ppm에서의 신호는 카르복실레이트 이온에서 카르보닐의 탄소의 존재를 나타내며, 이 신호는 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH와 유사했다. 그러나 186 ppm의 신호를 포함하여 모든 신호에서 스플릿이 눈에 띄었다. 스플릿 또는 중첩 신호는 제 2 유형의 아다만탄 이온의 형성을 나타내고, 이는 모 (parent) 아다만탄 이온과 밀접한 관련이 있다. 이들 신호 이외에, 생성된 나노 복합물은 39.01 ppm에서 공명하는 탄소를 나타냈다. 이 신호는 다이아몬드형-삽입된 Mg/Al LDH의 13C NMR에는 나타나지 않았다 (도 4 참조). 이 신호는 개별 아다만탄 분자 사이의 연결 역할을 하는 새로운 sp2 탄소의 형성을 나타내는 것일 수 있다.
나노 복합물에서 알루미늄의 화학적 환경을 결정하기 위해 고체 상태 Al NMR을 수행하였다. 도 9에서, 층상 금속 나노 복합물의 27Al NMR 스펙트럼은 8.7 및 69.2 ppm에서 2개의 강렬한 신호를 나타내었고, 이는 Al3+가 팔면체 환경 또는 사면체 환경에 있을 수 있음을 나타낸다. 팔면체 부위에 존재하는 Al3+ 대 사면체 부위에 존재하는 Al3+의 대략적인 비는 약 3:1로, 이는 NMR에서 신호의 강도에 기초한 신호 통합에 의해 결정됐다. 또한 36 ppm에서의 작은 혹은 5개의 조정된 기하학 구조에서도 소량의 Al3+가 존재함을 나타낸다.
생성된 나노 복합물의 표면 형태를 SEM으로 평가하였다. 도 10a 내지 10d의 현미경 사진은 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH의 분해로 인한 층상 금속 나노 복합물의 형성을 보여 주었다. 혈소판인 이미지는 혼합 금속 산화물이고 섬유질 또는 막대형 물체는 다이아몬드형 시트이다. 마이크론 크기의 다이아몬드형 시트 및 서브 마이크론 크기의 혼합 금속 산화물의 형성은 도11a 내지 11d의 나노 복합물의 SEM에서 훨씬 더 명확하다. 제조된 LDH의 층-층간 또는 층별 특성 및 나노 복합물로의 이의 전위 변화는 SEM 이미지 (도 10a 내지 11d)에 기초하여 설명될 수 있다. 일반적으로, 열분해시 LDH는 단계적 방식으로 삽입된 물 및 음이온 및 하이드록실 이온을 잃고, 결과적으로, LDH의 층상 구조는 붕괴되어 혼합 금속 산화물을 형성할 것이다. 그러나, Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 LDH의 환원 분위기 하에서 제어된 분해는 개별 아다만탄 이온의 융합을 일으켜, SEM 현미경 사진에 나타난 막대 또는 섬유에 의해 증거와 같이 층간 갤러리에서 더 높은/더 긴 다이아몬드형으로 성장시켰다. 부가적으로, 분해 동안, 층들 내의 금속 수산화물은 그들의 하이드록실 이온을 잃어 금속 산화물의 형성을 초래하거나 하이드록실 이온이 금속 산화물로 전환되었다. LDH의 층-층간 성질로 인해, 층 내의 생성된 금속 산화물은 층간에 형성된 더 높은/더 긴 다이아몬드형 상에 증착되어 분자 수준에서 나노 복합물의 층별 어셈블리를 형성한다.
생성된 나노 복합물의 층별 어셈블리를 이해하기 위해 HRTEM 및 TEM을 사용하였다. 도 12a 내지 13d는 여러 개의 밝은 시야 이미지를 도시한다. 도 13a 내지 13c는 나노 복합물의 TEM 이미지이고, 도 13d는 나노 복합물의 HRTEM 이미지이다. 다이아몬드형은 사실상 튜브형/섬유질이며, 수 마이크론의 길이 및 약 2 내지 5 nm의 직경을 갖는다. 장쇄 다이아몬드형은 약 10 nm의 균일한 크기를 갖는 혼합 금속 산화물 내에 균일하게 고정된다. 나노 복합물의 형성에 추가하여, 층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법의 다양한 실시양태에 복합물에서 혼합된 금속 산화물 나노 입자의 크기를 제어하는 방법을 기술하였다.
생성된 층상 금속 나노 복합물의 원소 분석은 HRTEM 분석에 사용된 동일한 샘플 그리드를 사용하여 EDX 분석함으로써 수행되었다. 원소 분석의 결과는 도 14에 도시되어 있다. 나노 복합물 내의 상이한 원소의 대략적인 양은 EDX 스펙트럼에서 개별 원소 피크의 강도를 사용하여 도달하였다. 혼합 금속 산화물 대 탄소의 비는 약 4인 것으로 밝혀졌다. 층상 금속 나노 복합물에서의 원자 분포는 STEM 기술을 사용하여 특성화되었다 (도 15a 내지 15d). Mg, O 및 C는 샘플 전체에 걸쳐 균일한 원자 분포를 갖는다. LDH의 혼합 금속 산화물에 대해 예상대로 Al은 패치로 나타나거나 포켓에서 분리되었다.
층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법의 다양한 측면, 그에 따라 제조된 층상 금속 나노 복합물, 및 동일한 방법에 따라 제조된 층상 금속 나노 복합물을 포함하는 촉매 시스템이 설명되어 있고, 이러한 측면이 다양한 다른 측면과 함께 이용될 수 있음을 이해해서는 안 된다.
제 1 측면에서, 본 개시는 층상 금속 나노 복합물을 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 마그네슘 염과 알루미늄 염을 혼합하여 Mg2+/Al3+ 용액을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 Mg/Al은 0.5:1 내지 6:1의 몰비를 갖는다. 또한, 상기 방법은 Mg2+/Al3+ 용액에 다이아몬드형 화합물을 첨가하여 반응 혼합물을 형성하는 단계 및 반응 혼합물을 반응 온도에서 반응 시간 동안 가열하여 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는다. 마지막으로, 상기 방법은Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 환원 분위기 하에서 분해 온도에서 분해 시간 동안 열분해하여 층상 금속 나노 복합물을 형성하는 단계를 포함한다.
제 2 측면에서, 본 개시는 알루미늄 염 및 다이아몬드형 화합물이 반응 혼합물에서 Al3+ 대 다이아몬드형 화합물의 비를 0.5:1 내지 2:1로 제공하는 양으로 혼합되는, 제 1 측면의 방법을 제공한다.
제 3 측면에서, 본 개시는 마그네슘 염이 Mg(OH)2인, 제 1 또는 제 2 측면의 방법을 제공한다.
제 4 측면에서, 본 개시는 알루미늄 염이 Al(OH)3인, 제 1 내지 제 3 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 5 측면에서, 본 개시는 다이아몬드형 화합물이 1-아다만탄 카르복실산인, 제 1 내지 제 4 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 6 측면에서, 본 개시는 Mg2+/Al3+ 용액이 수용액인, 제 1 내지 제 5 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 7 측면에서, 본 개시는 반응 온도가 100℃ 내지 180℃인, 제 1 내지 제 6 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 8 측면에서, 본 개시는 반응 온도가 140℃ 내지 160℃인, 제 1 내지 제 7 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 9 측면에서, 본 개시는 분해 온도가 220℃ 내지 450℃인, 제 1 내지 제 8 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 10 측면에서, 본 개시는 분해 온도가 300℃ 내지 450℃인, 제 1 내지 제 9 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 11 측면에서, 본 개시는 분해 시간이 적어도 4 시간인, 제 1 내지 제 10 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 12 측면에서, 본 개시는 환원 분위기가 수소 가스를 포함하는, 제1 내지 제11 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 13 측면에서, 본 개시는 층상 금속 나노 복합물이 복수의 팔면체 및 사면체 환경의 층상 형태를 포함하는, 제 1 내지 제 12 측면 중 어느 하나의 방법을 제공한다.
제 14 측면에서, 본 개시는 제 1 내지 제 13 측면 중 어느 하나의 방법에 따라 제조된 층상 금속 나노 복합물을 제공한다.
제 15 측면에서, 본 개시는 제 14 측면의 층상 금속 나노 복합물을 포함하는 촉매 시스템을 제공한다.
제 16 측면에서, 본 개시는 층상 금속 나노 복합물이 42.71 (2.11 Å) 및 62.2° 2θ (1.49 Å) 미만에서 다중 반사를 갖는 분말 X-선 회절 (PXRD) 패턴을 포함하는, 제 15 측면의 촉매 시스템을 제공한다.
청구된 주제의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 기재된 실시 양태에 다양한 수정 및 변형이 이루어 질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 명세서는 첨부된 청구항 및 이의 등가물의 범위 내에 있는 그러한 수정 및 변형이 제공된 본 개시내용에 기재된 다양한 실시 양태의 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (17)
- 층상 금속 나노 복합물의 제조 방법으로서,
마그네슘 염과 알루미늄 염을 혼합하여 Mg2 +/Al3 + 용액을 형성하는 단계로서, 상기 Mg/Al은 0.5:1 내지 6:1의 몰비를 갖는, 단계;
다이아몬드형 화합물을 Mg2 +/Al3 + 용액에 첨가하여 반응 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는, 단계;
반응 혼합물을 반응 온도에서 반응 시간 동안 가열하여 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 형성하는 단계; 및
Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 환원 분위기 하에서 분해 온도에서 분해 시간 동안 열분해하여 층상 금속 나노 복합물을 형성하는 단계
를 포함하는, 층상 금속 나노 복합물의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 염 및 다이아몬드형 화합물이 반응 혼합물에서 Al3 + 대 다이아몬드형 화합물의 비를 0.5:1 내지 2:1로 제공하는 양으로 혼합되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 마그네슘 염이 Mg(OH)2인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 염이 Al(OH)3인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 마그네슘 염이 Mg(OH)2이고 알루미늄 염이 Al(OH)3인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 다이아몬드형 화합물이 1-아다만탄 카르복실산인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 Mg2 +/Al3 + 용액이 수용액인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반응 온도가 100℃ 내지 180℃인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반응 온도가 140℃ 내지 160℃인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분해 온도가 220℃ 내지 450℃인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분해 온도가 300℃ 내지 450℃인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분해 시간이 적어도 4 시간인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 환원 분위기가 수소 가스를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 층상 금속 나노 복합물이 복수의 팔면체 및 사면체 환경의 층상 형태를 포함하는, 방법.
- 층상 금속 나노 복합물로서,
마그네슘 염과 알루미늄 염을 혼합하여 Mg2 +/Al3 + 용액을 형성하는 단계로서, 상기 Mg/Al은 0.5:1 내지 6:1의 몰비를 갖는, 단계;
다이아몬드형 화합물을 Mg2 +/Al3 + 용액에 첨가하여 반응 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는, 단계;
반응 혼합물을 반응 온도에서 반응 시간 동안 가열하여 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 형성하는 단계; 및
Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 환원 분위기 하에서 분해 온도에서 분해 시간 동안 열분해하여 층상 금속 나노 복합물을 형성하는 단계
에 의해 제조된, 층상 금속 나노 복합물. - 촉매 시스템으로서,
마그네슘 염과 알루미늄 염을 혼합하여 Mg2 +/Al3 + 용액을 형성하는 단계로서, 상기 Mg/Al은 0.5:1 내지 6:1의 몰비를 갖는, 단계;
다이아몬드형 화합물을 Mg2 +/Al3 + 용액에 첨가하여 반응 혼합물을 형성하는 단계로서, 상기 다이아몬드형 화합물은 하나 이상의 카르복실산 모이어티를 갖는, 단계;
반응 혼합물을 반응 온도에서 반응 시간 동안 가열하여 Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 형성하는 단계; 및
Mg/Al-다이아몬드형-삽입된 층상 이중 수산화물을 환원 분위기 하에서 분해 온도에서 분해 시간 동안 열분해하여 층상 금속 나노 복합물을 형성하는 단계
에 의해 제조된 층상 금속 나노 복합물을 포함하는, 촉매 시스템. - 제16항에 있어서, 상기 층상 금속 나노 복합물이 42.71 (2.11 Å) 및 62.2° 2θ (1.49 Å) 미만에서 다중 반사를 갖는 분말 X-선 회절 (PXRD) 패턴을 포함하는, 촉매 시스템.
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