KR20200116428A - A supported catalyst for non-oxidative dehydrogenation of alkane and method for preparing alkene using the same - Google Patents

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KR20200116428A
KR20200116428A KR1020200039891A KR20200039891A KR20200116428A KR 20200116428 A KR20200116428 A KR 20200116428A KR 1020200039891 A KR1020200039891 A KR 1020200039891A KR 20200039891 A KR20200039891 A KR 20200039891A KR 20200116428 A KR20200116428 A KR 20200116428A
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강경연
윤용주
김지연
김성민
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주식회사 엘지화학
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Abstract

The present invention relates to a catalyst for dehydrogenation of alkanes and a method for producing alkenes using the same. More specifically, the present invention relates to a catalyst having high catalytic activity and high selectivity to propene in a process of producing propene by dehydrogenation of propane, and a method for producing propene using the same. The catalyst includes a complex metal oxide represented by chemical formula 1: Cu_aZr_(1-a)O_b, and is used in dehydrogenation of alkanes having 2 to 6 carbon atoms.

Description

알케인의 직접 탈수소화 반응용 촉매 및 이를 이용한 알켄의 제조 방법 {A SUPPORTED CATALYST FOR NON-OXIDATIVE DEHYDROGENATION OF ALKANE AND METHOD FOR PREPARING ALKENE USING THE SAME}Catalyst for direct dehydrogenation of alkanes and method for producing alkenes using the same {A SUPPORTED CATALYST FOR NON-OXIDATIVE DEHYDROGENATION OF ALKANE AND METHOD FOR PREPARING ALKENE USING THE SAME}

본 발명은 알케인의 탈수소화 반응용 담지 촉매 및 이를 이용한 알켄의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supported catalyst for dehydrogenation of alkanes and a method for producing alkenes using the same.

에텐(에틸렌), 프로펜(프로필렌), 부텐 등과 같은 알켄(alkene) 화합물, 즉, 올레핀 화합물은, 석유 화학 산업에 있어서 다른 화합물이나 고분자 합성에 기초 소재로 널리 사용되고 있다. Alkene compounds such as ethene (ethylene), propene (propylene) and butene, that is, olefin compounds, are widely used in the petrochemical industry as basic materials for synthesis of other compounds or polymers.

일례로, 에틸렌의 경우, 가장 간단한 구조를 가지는 올레핀 화합물로, 폴리에틸렌이나, 기타 다른 고분자 합성을 위한 기본 단량체로 사용되고, 그 외에도 용접이나, 과일 숙성을 위해서도 사용된다. For example, in the case of ethylene, it is an olefin compound having the simplest structure, and is used as a basic monomer for the synthesis of polyethylene or other polymers, and is also used for welding or fruit ripening.

프로필렌은 에틸렌과 함께 석유 화학 산업의 척도로 이용되는 가장 기초적인 물질로, 메틸기와 에틸렌성 불포화 결합을 가지고 있어 다양한 화학 물질로 전환될 수 있다. 대표적으로 열가소성 플라스틱인 폴리프로필렌의 제조에 주로 사용되며 그 외에도 아크릴로나이트릴, 산화프로필렌, 에폭시 수지, 옥소 알코올, 이소프로필 알코올 등의 원료로 사용된다.Propylene, along with ethylene, is the most basic substance used as a measure of the petrochemical industry. It has a methyl group and an ethylenically unsaturated bond, so it can be converted into various chemical substances. It is mainly used for the production of polypropylene, which is typically a thermoplastic plastic, and is also used as a raw material for acrylonitrile, propylene oxide, epoxy resin, oxo alcohol, and isopropyl alcohol.

부텐의 경우, 에틸렌, 프로필렌과의 공중합 단량체로 사용되거나, 다른 주요 산업 원료인 부타디엔의 제조에 사용된다. In the case of butene, it is used as a copolymerization monomer with ethylene and propylene, or is used in the production of butadiene, which is another major industrial raw material.

일반적으로 이러한 올레핀 화합물은, 원유의 정제 과정에서 부산물로 생성되거나, 납사의 열 분해 공정에 의해 얻어지지만, 최근에는 석유 화학 산업에서 많은 수요를 감당하기 위하여, 촉매를 이용한 저급 탄화수소의 탈수소 공정을 통해서도 생산되고 있다. In general, these olefin compounds are produced as a by-product in the refining process of crude oil or obtained by the thermal decomposition process of naphtha, but in recent years, in order to meet the high demand in the petrochemical industry, it is also through the dehydrogenation process of lower hydrocarbons using a catalyst. Is being produced.

특히, 프로필렌의 경우, 차량이나 전재 소재로의 사용이 급격히 증가하여, 수요가 높아지고 있는데, 기존의 원유 정제 과정 혹은, 납사 크래킹 과정은, 주로 에틸렌의 생산에 집중되고 있기 때문에, 프로필렌의 공급 증가에는 제한이 따르고 있으며, 프로필렌 공급 다변화를 위한 기술이 주목 받고 있다. In particular, in the case of propylene, the use of it as a vehicle or refill material is rapidly increasing, and the demand is increasing.However, since the existing crude oil refining process or naphtha cracking process is mainly concentrated on the production of ethylene, the increase in the supply of propylene is There are restrictions, and technology for diversifying propylene supply is drawing attention.

알케인의 탈수소화 반응은, 이러한 올레핀 화합물을 제조할 수 있는 주요 반응으로, 고온, 저압 조건에서, 귀금속 촉매 혹은 전이 금속 촉매의 존재 하에 이루어질 수 있다. The dehydrogenation reaction of alkanes is a major reaction capable of producing such an olefin compound, and can be carried out in the presence of a noble metal catalyst or a transition metal catalyst under high temperature and low pressure conditions.

귀금속 촉매의 경우, 활성 점에 수소가 흡착되는 직접 탈수소화 메커니즘에 의해 반응이 진행되는 것으로 알려져 있으며, 전이 금속 산화물의 경우 촉매의 격자 산소의 부분 산화 메커니즘에 의해 반응이 진행되는 것으로 알려져 있다. In the case of a noble metal catalyst, it is known that the reaction proceeds by a direct dehydrogenation mechanism in which hydrogen is adsorbed at the active point, and in the case of a transition metal oxide, it is known that the reaction proceeds by a partial oxidation mechanism of the lattice oxygen of the catalyst.

귀금속 촉매로는 백금 등의 촉매가 알려져 있고, 전이 금속 촉매로는 알루미나 담체에 활성상으로 산화 크로뮴 혹은 산화 바나듐등을 담지한 촉매가 알려져 있다. A catalyst such as platinum is known as a noble metal catalyst, and a catalyst in which chromium oxide or vanadium oxide is supported as an active phase on an alumina carrier is known as a transition metal catalyst.

그러나, 단일 금속만으로는 산화제 없이 충분한 수율의 프로필렌을 얻기 어려운 문제가 있고, 낮은 표면적으로 인해, 촉매 활성이 쉽게 저하되는 문제가 있어, 반응에 높은 활성을 보이면서도, 특정 결과물에 대한 높은 선택도를 보이는 촉매 연구가 필요한 실정이다.However, there is a problem in that it is difficult to obtain a sufficient yield of propylene without an oxidizing agent with only a single metal, and due to a low surface area, there is a problem that the catalytic activity is easily deteriorated, so that while showing high activity in the reaction, high selectivity for a specific product There is a need for catalyst research.

본 명세서는, 알케인의 탈수소화 반응에 높은 활성을 보이면서도, 특정 알켄에 대한 높은 선택도를 보이는, 알케인의 탈수소화 반응용 촉매를 제공하고자 한다. The present specification is intended to provide a catalyst for dehydrogenation of alkanes, exhibiting high activity in the dehydrogenation reaction of alkanes, and high selectivity for specific alkenes.

또한, 본 명세서는, 상기 촉매를 이용하여, 알켄을 제조하는 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present specification is to provide a method of preparing an alkene using the catalyst.

본 명세서는, 하기 화학식 1로 표시되는 복합 금속 산화물을 포함하고, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응에 사용되는, 촉매를 제공하고자 한다. The present specification is intended to provide a catalyst, which is used in the dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbon atoms, including a composite metal oxide represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

CuaZr1-aOb Cu a Zr 1-a O b

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

a는, 0보다 크거나 같고, 1보다 작고, a is greater than or equal to 0, less than 1,

b는, 1보다 크거나 같고, 2 보다 작거나 같다. b is greater than or equal to 1 and less than or equal to 2.

이 때, 상기 화학식 1에 있어서, 상기 a는, 0보다 크고, 1보다 작은 것으로, 즉, 구리 성분을 반드시 포함하는 것이 바람직할 수 있다. In this case, in Formula 1, a is greater than 0 and less than 1, that is, it may be desirable to necessarily include a copper component.

그리고, 상기 a는, 약 0.01보다 크거나 같고, 약 0.3보다 작거나 같은 것, 혹은, 약 0.01보다 크거나 같고, 약 0.2보다 작거나 같은 것으로, 특정 범위의 함량으로 구리 성분을 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. In addition, a is greater than or equal to about 0.01, less than or equal to about 0.3, or greater than or equal to about 0.01, less than or equal to about 0.2, and further comprising a copper component in a specific range of content It may be desirable.

발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합 금속 산화물은 BET 표면적 값이 약 40 m2/g 이상일 수 있다. 구체적으로 그 하한은, 약 40 m2/g 이상, 혹은 약 50 m2/g 이상, 혹은 약 60 m2/g 이상일 수 있으며, 그 상한은, 약 100 m2/g 이하, 혹은 약 80 m2/g 이하, 혹은 약 77 m2/g 이하인 것이 더욱 바람직할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the composite metal oxide may have a BET surface area value of about 40 m 2 /g or more. Specifically, the lower limit may be about 40 m 2 /g or more, or about 50 m 2 /g or more, or about 60 m 2 /g or more, and the upper limit is about 100 m 2 /g or less, or about 80 m It may be more desirable to be less than or equal to 2 /g, or less than or equal to about 77 m 2 /g.

발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 복합 금속 산화물은 NH3-TPD 분석에 따른 산성(total acidity)이 약 0.17 mmol/g 이하일 수 있다. 구체적으로, 그 하한은 약 0.001 mmol/g 이상, 혹은 약 0.05 mmol/g 이상, 혹은 약 0.07 mmol/g 이상일 수 있으며, 그 상한은, 약 0.17 mmol/g 이하, 혹은 약 0.16 mmol/g 이하, 혹은 약 0.15 mmol/g 이하인 것이 더욱 바람직할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the composite metal oxide may have a total acidity of about 0.17 mmol/g or less according to NH 3 -TPD analysis. Specifically, the lower limit may be about 0.001 mmol/g or more, or about 0.05 mmol/g or more, or about 0.07 mmol/g or more, and the upper limit is about 0.17 mmol/g or less, or about 0.16 mmol/g or less, Or less than about 0.15 mmol/g may be more preferred.

그리고, 이 때, 상기 복합 금속 산화물은, 290 ℃ 내지 330 ℃ 사이에서 NH3-TPD 분석에 따른 산성이 약 0.1 mmol/g 이하일 수 있다. 구체적으로, 그 하한은 약 0.001 mmol/g 이상, 혹은 약 0.005 mmol/g 이상일 수 있고, 그 상한은 약 0.1 mmol/g 이하, 혹은 약 0.07 mmol/g 이하, 혹은 약 0.06 mmol/g 이하, 혹은 약 0.03 mmol/g 이하인 것이 더욱 바람직할 수 있다. In this case, the composite metal oxide may have an acidity of about 0.1 mmol/g or less according to NH 3 -TPD analysis between 290 °C and 330 °C. Specifically, the lower limit may be about 0.001 mmol/g or more, or about 0.005 mmol/g or more, and the upper limit is about 0.1 mmol/g or less, or about 0.07 mmol/g or less, or about 0.06 mmol/g or less, or It may be more desirable to be less than or equal to about 0.03 mmol/g.

발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 복합 금속 산화물은 CuO 단독 상을 포함하지 않는 것일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the composite metal oxide may not include a single CuO phase.

구체적으로, 상기 복합 금속 산화물은, X선 회절 분석 스펙트럼으로 분석하였을 때, CuO 단독 상에 의한 피크가 관찰되지 않을 수 있다. Specifically, when the composite metal oxide is analyzed by an X-ray diffraction spectrum, a peak due to CuO alone may not be observed.

그리고, 상기 복합 금속 산화물은, X선 회절 분석 스펙트럼으로 분석하였을 때, 테트라고날 ZrO2에 의한 피크가 관찰되는 것일 수 있다. In addition, when the composite metal oxide is analyzed by an X-ray diffraction spectrum, a peak due to tetragonal ZrO2 may be observed.

한편, 본 명세서는, 상술한 촉매 및 상기 촉매가 담지된 담체를 포함하는, 촉매 조성물을 제공하고자 한다. Meanwhile, the present specification is to provide a catalyst composition comprising the above-described catalyst and a carrier on which the catalyst is supported.

이 때, 상기 담체는, 알루미늄 산화물, 규소 산화물, 티타늄 산화물, 및 지르코늄 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. In this case, the carrier may include at least one selected from the group consisting of aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, and zirconium oxide.

한편, 본 명세서는, 상술한 촉매를, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)과 접촉시켜, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응을 진행하는 단계를 포함하는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법을 제공하고자 한다. On the other hand, the present specification includes the step of conducting a dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbons by contacting the above-described catalyst with an alkane having 2 to 6 carbons, carbon It is intended to provide a method for producing a number of 2 to 6 alkenes.

또한, 본 명세서는, 상술한 촉매 조성물을, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)과 접촉시켜, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응을 진행하는 단계를 포함하는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present specification includes the step of conducting a dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbons by contacting the catalyst composition described above with an alkane having 2 to 6 carbons, It is intended to provide a method of preparing an alkene having 2 to 6 carbon atoms.

이 때, 상기 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)은, 프로페인(propane), 부테인(butane), 펜탄(pentane), 및 헥세인(hexane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고;In this case, the alkane having 2 to 6 carbon atoms is at least one selected from the group consisting of propane, butane, pentane, and hexane;

상기 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)은 프로펜(propene), 부텐(butane), 펜텐(pentene), 및 헥센(hexane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The alkene having 2 to 6 carbon atoms may be at least one selected from the group consisting of propene, butane, pentene, and hexene.

발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제조 방법은, 활성 기체를 이용하여, 상기 촉매를 활성화시키는 단계; 및 활성화된 촉매와 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)을 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the manufacturing method includes the steps of activating the catalyst using an active gas; And contacting the activated catalyst with an alkane having 2 to 6 carbon atoms.

그리고, 상기 탈수소화 반응은, 약 300 내지 약 800 ℃, 혹은 약 500 내지 약 700 ℃, 혹은 약 550 내지 약 650 ℃ 에서 진행될 수 있다. In addition, the dehydrogenation reaction may be performed at about 300 to about 800 °C, or about 500 to about 700 °C, or about 550 to about 650 °C.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. The terms used in the present specification are only used to describe exemplary embodiments, and are not intended to limit the present invention.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합을 설명하기 위한 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 이들의 조합 또는 부가 가능성을 배제하는 것은 아니다. In the present specification, terms such as "comprise", "include" or "have" are used to describe implemented features, numbers, steps, components, or combinations thereof, and one or more other features, numbers, and steps , Components, combinations or additions thereof are not excluded.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention will be described in detail below and exemplify specific embodiments, as various changes can be made and various forms can be obtained. However, this is not to limit the present invention to a specific form disclosed, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응이라 함은, 촉매의 활성 점에 수소가 흡착되어, 알케인의 서로 인접한 탄소에 결합되어있던 서로 다른 두 개의 수소가 제거되면서, 상기 서로 인접한 탄소 사이에 이중 결합이 형성되는, 직접적 탈수소화 반응을 의미하는 것으로, 이는, 촉매의 격자에 위치한 산소의 부분 산화 메커니즘을 경유하는, 산화적 탈수소화 반응과는 구분된다. In the present specification, the dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbon atoms means that hydrogen is adsorbed at the active point of the catalyst, so that two different hydrogens bonded to adjacent carbons of the alkane are removed. As a result, it refers to a direct dehydrogenation reaction in which a double bond is formed between adjacent carbons, which is distinguished from an oxidative dehydrogenation reaction through a partial oxidation mechanism of oxygen located in the lattice of the catalyst.

이러한 직접적 탈수소화 반응은, 하기와 같은 반응 메커니즘으로 간략히 표시될 수 있다. This direct dehydrogenation reaction can be briefly expressed as the following reaction mechanism.

Figure pat00001
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상기 반응식에서, R1 및 R2는, 각각 독립적으로, 서로 동일하거나 상이하게, 수소, 또는 탄소 수 1 내지 4의 알킬일 수 있다. In the above reaction scheme, R1 and R2 may each independently, be the same as or differently from each other, be hydrogen or an alkyl having 1 to 4 carbon atoms.

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

본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 복합 금속 산화물을 포함하고, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응에 사용되는, 촉매가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a catalyst comprising a composite metal oxide represented by the following formula (1) and used in the dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbon atoms.

[화학식 1][Formula 1]

CuaZr1-aOb Cu a Zr 1-a O b

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

a는, 0보다 크거나 같고, 1보다 작고, a is greater than or equal to 0, less than 1,

b는, 1보다 크거나 같고, 2 보다 작거나 같다. b is greater than or equal to 1 and less than or equal to 2.

알케인의 직접 탈수소화 반응은, 상술한 바와 같이, 알케인으로부터 서로 인접한 탄소에 결합되어 있던 수소 원자를 떼어내어 탄소 이중 결합을 구비한 올레핀을 제조하는 반응이다. As described above, the direct dehydrogenation of alkanes is a reaction in which hydrogen atoms bonded to adjacent carbons are removed from alkanes to produce an olefin having a carbon double bond.

이러한 직접 탈수소화 반응은, 반응 메커니즘 자체는 매우 단순하지만, 고도의 흡열 반응이기 때문에, 열역학적으로 불리하다. 따라서, 알켄의 수득률을 높이기 위해서는, 매우 높은 온도의 반응 조건이 요구되며, 일반적으로는, 약 500 내지 약 800 ℃의 온도 조건, 및 약 0.5 내지 약 2 기압 정도의 압력 조건에서, 백금 등, 금속 촉매의 존재 하에 진행된다. This direct dehydrogenation reaction, although the reaction mechanism itself is very simple, is a highly endothermic reaction, and is thus thermodynamically disadvantageous. Therefore, in order to increase the yield of alkenes, reaction conditions at a very high temperature are required, and generally, under a temperature condition of about 500 to about 800°C, and a pressure condition of about 0.5 to about 2 atm, metals such as platinum It proceeds in the presence of a catalyst.

그러나, 촉매를 사용하고, 온도를 상승시켜 전환율을 높이는 경우, 반응물인 알케인의 탄소-탄소 결합이 깨지고, 오히려 수소가 첨가되면서, 더 작은 알케인으로 분해되는 등의 부반응이 증가하고, 촉매나 담체에 코크, 혹은 타르 등의 부생성물이 급속도로 침적되어, 촉매의 활성이 순식간에 저하되는 문제점이 있다. However, when a catalyst is used and the temperature is increased to increase the conversion rate, the carbon-carbon bond of the reactant alkanes is broken, and side reactions such as decomposition into smaller alkanes increase as hydrogen is added. There is a problem in that by-products such as coke or tar are rapidly deposited on the carrier, and the activity of the catalyst is rapidly deteriorated.

본 발명의 발명자들은, 특정한 조성의 금속 촉매를 사용하는 경우, 알케인의 탈수소화 반응에 대한 활성이 매우 높고, 특정 올레핀에 대한 선택도가 매우 높아, 부생성물의 생성을 억제할 수 있고, 이에 따라, 높은 촉매 활성을 안정적으로 유지할 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다. The inventors of the present invention, when using a metal catalyst of a specific composition, the activity for the dehydrogenation reaction of alkanes is very high, the selectivity for a specific olefin is very high, it is possible to suppress the generation of by-products. Accordingly, it was discovered that high catalytic activity can be stably maintained, and the present invention was completed.

본 발명의 일 구현 예에 따른, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응용 촉매는, 하기 화학식 1로 표시되는 복합 금속 산화물을 포함한다. According to an embodiment of the present invention, a catalyst for dehydrogenation of alkane having 2 to 6 carbon atoms includes a composite metal oxide represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

CuaZr1-aOb Cu a Zr 1-a O b

상기 화학식 1에서, In Formula 1,

a는, 0보다 크거나 같고, 1보다 작고, a is greater than or equal to 0, less than 1,

b는, 1보다 크거나 같고, 2 보다 작거나 같다.b is greater than or equal to 1 and less than or equal to 2.

상기 화학식 1에서, a는 복합 금속 산화물 내에 포함된 구리(Cu)의 비율로, 0보다 크거나 같고, 1보다 작다. 즉, 상기 복합 금속 산화물은, 구리를 포함하지 않는 지르코늄 산화물의 형태이거나, 혹은, 구리 및 지르코늄을 모두 포함하는, 구리-지르코늄의 복합 금속 산화물의 형태일 수 있다. In Formula 1, a is the ratio of copper (Cu) contained in the composite metal oxide, which is greater than or equal to 0 and less than 1. That is, the composite metal oxide may be in the form of a zirconium oxide that does not contain copper, or may be a form of a copper-zirconium composite metal oxide that includes both copper and zirconium.

그리고, 상기 화학식 1에서, b는 복합 금속 산화물 내에 포함된 산소(O)의 비율로, 1보다 크거나 같고, 2 보다 작거나 같으며, 이 때, b는, 복합 금속 산화물 내에 포함된, 구리 및 지르코늄의 비율 및 구리, 지르코늄 각 원자의 산화 수에 따라 달라질 수 있다. And, in Formula 1, b is the ratio of oxygen (O) contained in the composite metal oxide, greater than or equal to 1, and less than or equal to 2, in which case, b is, copper contained in the composite metal oxide And the ratio of zirconium and the number of oxidation of each atom of copper and zirconium.

이 때, 상기 화학식 1에 있어서, 상기 a는, 0보다 크고, 1보다 작은 것으로, 즉, 구리 성분을 반드시 포함하는 것이 바람직할 수 있다. In this case, in Formula 1, a is greater than 0 and less than 1, that is, it may be desirable to necessarily include a copper component.

그리고, 상기 a는, 약 0.01보다 크거나 같고, 약 0.3보다 작거나 같은 것, 혹은, 약 0.01보다 크거나 같고, 약 0.2보다 작거나 같은 것으로, 특정 범위의 함량으로 구리 성분을 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. In addition, a is greater than or equal to about 0.01, less than or equal to about 0.3, or greater than or equal to about 0.01, less than or equal to about 0.2, and further comprising a copper component in a specific range of content It may be desirable.

촉매의 복합 금속 산화물 조성 중, 지르코늄(Zr) 성분은, 주로 상술한 알케인의 탈수소 반응에 있어서, 반응의 활성 점을 제공하는 역할을 할 수 있다. In the composite metal oxide composition of the catalyst, the zirconium (Zr) component can play a role of providing an active point of the reaction mainly in the above-described dehydrogenation reaction of alkanes.

촉매의 복합 금속 산화물 조성 중, 구리(Cu) 성분은, 상기 일반적으로 지르코늄에 비해 낮은 산화 수를 가지기 때문에, 상기 지르코늄 산화물 격자 구조에 혼입될 시, 지르코늄 산화물의 산소 결손점을 생성할 수 있다. 이러한 산소 결손점은, 프로판의 탈수소화 반응에 대해 활성을 보이는 배위 결합 불포화 상태의 지르코늄 원자의 생성을 촉진시킬 수 있으며, 따라서, 구리 성분은, 일종의 조촉매 역할을 할 수 있다. In the composite metal oxide composition of the catalyst, since the copper (Cu) component generally has a lower oxidation number than zirconium, when incorporated into the zirconium oxide lattice structure, oxygen defects of zirconium oxide may be generated. This oxygen deficiency point can accelerate the formation of zirconium atoms in a coordination bond unsaturated state showing activity against the dehydrogenation reaction of propane, and therefore, the copper component can serve as a kind of cocatalyst.

이러한 관점에서, 상기 구리의 비율이 상기 범위를 벗어나 너무 높아지는 경우, 지르코늄의 활성 점을 덮어 알케인의 전환율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있으며, 상술한 구리 첨가에 의한 이로운 효과가 저하될 수 있다. From this point of view, when the ratio of copper is too high outside the above range, there may be a problem in that the conversion rate of alkanes is lowered by covering the active point of zirconium, and the beneficial effect of the addition of copper may be deteriorated.

반면에, 상기 구리의 비율이 너무 낮아지는 경우, 금속의 소결 현상(sintering)이 발생하여 코크가 쉽게 생성되고, 이에 따라 촉매 활성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. On the other hand, when the ratio of the copper is too low, sintering of the metal occurs and coke is easily produced, and thus, a problem in that the catalytic activity decreases may occur.

발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합 금속 산화물은 BET 표면적 값이 약 40 m2/g 이상일 수 있다. 구체적으로 그 하한은, 약 40 m2/g 이상, 혹은 약 50 m2/g 이상, 혹은 약 60 m2/g 이상일 수 있으며, 그 상한은, 약 100 m2/g 이하, 혹은 약 80 m2/g 이하, 혹은 약 77 m2/g 이하인 것이 더욱 바람직할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the composite metal oxide may have a BET surface area value of about 40 m 2 /g or more. Specifically, the lower limit may be about 40 m 2 /g or more, or about 50 m 2 /g or more, or about 60 m 2 /g or more, and the upper limit is about 100 m 2 /g or less, or about 80 m It may be more desirable to be less than or equal to 2 /g, or less than or equal to about 77 m 2 /g.

상기와 같이 본 발명의 일 측면에 따른 촉매로 사용되는 복합 금속 산화물은, 기존의 알케인 탈수소화 촉매에 비해, 상대적으로 넓은 비표면적 값을 가지게 되어, 반응 시 기체와의 접촉 면적이 넓으며, 충분한 반응 활성 점을 제공할 수 있다. As described above, the composite metal oxide used as a catalyst according to an aspect of the present invention has a relatively large specific surface area value compared to the conventional alkane dehydrogenation catalyst, and thus has a wide contact area with gas during reaction, It can provide a sufficient reactive active point.

BET 표면적 값이 너무 적은 경우, 촉매 활성 금속에 충분한 활성 점을 제공하지 못하여, 반응에 대한 활성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. If the BET surface area value is too small, a sufficient active point may not be provided to the catalytically active metal, and thus a problem in that the activity for the reaction is deteriorated may occur.

발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 복합 금속 산화물은 NH3-TPD 분석에 따른 산성(total acidity)이 약 0.17 mmol/g 이하일 수 있다. 구체적으로, 그 하한은 약 0.001 mmol/g 이상, 혹은 약 0.05 mmol/g 이상, 혹은 약 0.07 mmol/g 이상일 수 있으며, 그 상한은, 약 0.17 mmol/g 이하, 혹은 약 0.16 mmol/g 이하, 혹은 약 0.15 mmol/g 이하인 것이 더욱 바람직할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the composite metal oxide may have a total acidity of about 0.17 mmol/g or less according to NH 3 -TPD analysis. Specifically, the lower limit may be about 0.001 mmol/g or more, or about 0.05 mmol/g or more, or about 0.07 mmol/g or more, and the upper limit is about 0.17 mmol/g or less, or about 0.16 mmol/g or less, Or less than about 0.15 mmol/g may be more preferred.

그리고, 이 때, 상기 복합 금속 산화물은, 290 ℃ 내지 330 ℃ 사이에서 NH3-TPD 분석에 따른 산성이 약 0.1 mmol/g 이하일 수 있다. 구체적으로, 그 하한은 약 0.001 mmol/g 이상, 혹은 약 0.005 mmol/g 이상일 수 있고, 그 상한은 약 0.1 mmol/g 이하, 혹은 약 0.07 mmol/g 이하, 혹은 약 0.06 mmol/g 이하, 혹은 약 0.03 mmol/g 이하인 것이 더욱 바람직할 수 있다. In this case, the composite metal oxide may have an acidity of about 0.1 mmol/g or less according to NH 3 -TPD analysis between 290 °C and 330 °C. Specifically, the lower limit may be about 0.001 mmol/g or more, or about 0.005 mmol/g or more, and the upper limit is about 0.1 mmol/g or less, or about 0.07 mmol/g or less, or about 0.06 mmol/g or less, or It may be more desirable to be about 0.03 mmol/g or less.

발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 복합 금속 산화물은 CuO 단독 상을 포함하지 않는 것일 수 있다. 본 명세서에서 복합 금속 산화물이 상기와 같이 CuO 단독 상을 포함하지 않는다는 것은, 복합 금속 산화물 내에서 구리 (Cu) 성분이 모두 지르코늄과 함께 복합 금속 산화물 결정을 형성하여, 구리 산화물 단독으로 결정을 형성하지 않는다는 것을 의미한다. According to another embodiment of the present invention, the composite metal oxide may not include a single CuO phase. In the present specification, the fact that the composite metal oxide does not include a single CuO phase as described above means that all copper (Cu) components in the composite metal oxide form a composite metal oxide crystal together with zirconium, so that the copper oxide alone does not form a crystal. Means not.

이는 X선 회절 분석법에 의해 확인 가능하다. This can be confirmed by X-ray diffraction analysis.

구체적으로, 지르코늄 산화물은 일반적으로 상온에서 모노클리닉(monoclinic) 구조를 가지는 것으로 알려져 있는데, 모노클리닉 지르코늄 산화물(m-ZrO2)은 X선 회절 분석 스펙트럼 상에서 일반적으로, 2theta = 28.5 degree(111 ̄), 31.5 degree(111), 34.5 degree(002), 35.5 degree(200), 49.5 degree 및 50.5 degree(122) 등의 특이적인 피크가 관찰될 수 있다. Specifically, zirconium oxide is generally known to have a monoclinic structure at room temperature, but monoclinic zirconium oxide (m-ZrO2) is generally 2theta = 28.5 degree (111 ̄) on the X-ray diffraction spectrum, Specific peaks such as 31.5 degree (111), 34.5 degree (002), 35.5 degree (200), 49.5 degree, and 50.5 degree (122) can be observed.

이러한 순수한 지르코늄 산화물의 격자 내에, 원자의 크기가 다르거나 혹은 산화 수가 다른 원소를 혼입되면 구조적 결함(산소 결손점)이 형성되고, 이를 안정화 시키기 위해 테트라고날(tetragonal)의 형태로 구조 변화가 일어나게 된다. 이 경우, 테트라고날 지르코늄 산화물(t-ZrO2)은 X선 회절 분석 스펙트럼 상에서 일반적으로, 2theta = 30.5 degree(101), 35.5 degree(110), 50.5 degree(112), 및 60.5 degree(211)의 특이적인 피크가 관찰될 수 있다. In the lattice of such pure zirconium oxide, when elements of different sizes or different oxidation numbers are mixed, structural defects (oxygen defect points) are formed, and structural changes in the form of tetragonal occur to stabilize them. . In this case, tetragonal zirconium oxide (t-ZrO2) is typically 2theta = 30.5 degree (101), 35.5 degree (110), 50.5 degree (112), and 60.5 degree (211) on the X-ray diffraction spectrum. Peaks can be observed.

마찬가지로, CuO가 단독 결정을 형성하는 경우 X선 회절 분석 스펙트럼 상에서 일반적으로, 따른 2theta = 32.5 degree (110), 36 degree (002), 39 degree(111), 49 degree(-202), 및 62 degree (-113)의 특이적인 피크가 관찰될 수 있다. Likewise, when CuO forms a single crystal, in general, according to the X-ray diffraction spectrum, 2theta = 32.5 degree (110), 36 degree (002), 39 degree (111), 49 degree (-202), and 62 degree A specific peak of (-113) can be observed.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물은, 상기와 같은 이유로, 상기 복합 금속 산화물은 X선 회절 분석 스펙트럼으로 분석하였을 때, CuO 단독 상에 의한 피크가 관찰되지 않을 수 있다. In the composite metal oxide used in the catalyst according to an embodiment of the present invention, for the same reason as described above, when the composite metal oxide is analyzed by an X-ray diffraction spectrum, a peak due to CuO alone may not be observed.

다만, 상기 측정은, 측정 조건이나 해석 방법 등에 따라, 약 -0.5 degree 내지 +0.5 degree 의 오차 범위 내에서 달리 표기될 수 있으며, 각 피크는 유사 범위에서 겹쳐진 형태로 나타날 수도 있다. However, the measurement may be expressed differently within an error range of about -0.5 degree to +0.5 degree, depending on a measurement condition or an analysis method, and each peak may appear in an overlapping form in a similar range.

이 경우, CuO 단독 상에 의한 특이적인 피크 중 2theta = 32.5 degree (110) 및 62 degree (-113)에서 나타나는 피크에 의해 확인할 수 있으나, 본 발명의 복합 금속 산화물에서는, 이러한 피크를 발견하기 어렵다. In this case, it can be confirmed by the peaks appearing at 2theta = 32.5 degree (110) and 62 degree (-113) among the specific peaks caused by CuO alone, but in the composite metal oxide of the present invention, it is difficult to find such a peak.

이렇게 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매는, CuO가 단독 상으로 존재하지 않고, 모두 Cu-Zr-O 의 복합 금속 산화물 결정을 형성하기 때문에, 알케인의 탈수소화 반응에서 높은 활성 및 선택성을 가질 수 있게 된다. In this way, the catalyst according to an embodiment of the present invention has high activity and selectivity in the dehydrogenation reaction of alkanes, because CuO does not exist as a single phase and all forms a composite metal oxide crystal of Cu-Zr-O. You will be able to.

알케인의 직접 탈수소화 반응에서는, 배위 결합 불포화 상태의 지르코늄 원자가 반응의 활성 점으로 작용한다. 이러한 배위 결합 불포화 상태의 지르코늄 원자는, 산 점으로 보았을 때, 루이스 산 자리에 해당되는데, 이 중, 강 산 점(strong acid point)은, 오히려 반응에서 코크의 생성을 촉진하여, 촉매의 활성을 저하시킬 수 있기 때문에, 약 산 점(weak acid point)이 반응의 바람직한 활성 점으로 작용한다. In the direct dehydrogenation reaction of alkanes, the zirconium atom in the unsaturated state of the coordination bond acts as an active point of the reaction. The zirconium atom in the unsaturated state of the coordination bond corresponds to the Lewis acid site when viewed as an acid point, of which the strong acid point rather promotes the formation of coke in the reaction, thereby promoting the activity of the catalyst. Since it can be reduced, the weak acid point serves as the preferred active point of the reaction.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매는, 지르코늄과 구리를 특정한 비율로 포함하기 때문에, 상술한 바와 같이, 강 산 점이 상대적으로 적고, 약 산 점이 상대적으로 많은 산 점 분포를 나타내며, 이에 따라, 알케인의 직접 탈수소화 반응에서 우수한 촉매 활성을 보일 수 있다. Since the catalyst according to an embodiment of the present invention contains zirconium and copper in a specific ratio, as described above, the catalyst has relatively few strong acid points and relatively large acid point distributions. Accordingly, Can exhibit excellent catalytic activity in direct dehydrogenation of kane.

상기와 같은, 복합 금속 산화물은, 금속의 전구체로 이들 금속의 염 등을 사용하는, 순차적 함침법(sequential impregnation method)이나, 공침법(co-precipitation), 및 졸-겔 법(sol-gel method) 등, 금속 산화물 제조 시 일반적으로 사용되는 방법에 의해 제조될 수 있다. The composite metal oxide as described above is a sequential impregnation method, a co-precipitation method, and a sol-gel method using salts of these metals as a precursor of the metal. ), etc., can be prepared by a method generally used in the production of metal oxides.

이 때 사용될 수 있는 상기 구리의 염으로는, Cu2O, CuO, Cu2O3 등을 포함하는 구리 산화물, CuX, 혹은 CuX2(X는 할로겐 원소)로 표시될 수 있는 구리의 할로겐화물, 구리의 수산화물, 구리의 질산 염, 구리의 황산 염, 및 구리의 유기산 염 등을 들 수 있으며, 이들의 수화물 역시 사용할 수 있다. The salt of copper that can be used at this time is a copper oxide containing Cu 2 O, CuO, Cu 2 O 3, etc., a halide of copper that may be represented by CuX, or CuX 2 (X is a halogen element), Hydroxides of copper, nitrates of copper, sulfates of copper, organic acid salts of copper, and the like, and hydrates thereof may also be used.

그리고, 상기 지르코늄의 염 역시, Cl, Br, I 등을 포함하는 지르코늄 할로겐화 물, 지르코늄의 수산화물, 지르코늄의 질산 염, 지르코늄의 황산 염, 또는 지르코늄의 유기산 염 등을 들 수 있고, 이들의 수화물 역시 사용할 수 있다. In addition, the zirconium salt may also include zirconium halides including Cl, Br, I, etc., zirconium hydroxide, zirconium nitrate, zirconium sulfate, or zirconium organic acid salt, and hydrates thereof Can be used.

이들 전구체는, 수용액이나 기타 용매를 사용한 용액의 형태로 준비될 수 있으며, 침전 활성화를 위하여, 질산이나 염산, 혹은 황산 등의 산이나, 암모니아 등, 금속 이온을 생성하지 않는 염기 등을 사용하여, pH를 조절한 형태로 준비될 수도 있다. These precursors may be prepared in the form of a solution using an aqueous solution or other solvent, and for precipitation activation, an acid such as nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid, or a base that does not generate metal ions such as ammonia is used, It can also be prepared in a pH-adjusted form.

순차적 함침법을 따르면, 먼저, 상기 구리를 먼저 침전 시키고, 침전이 완료된 이후, 상기 지르코늄을 다시 침전시키는 방법으로 진행할 수 있다. According to the sequential impregnation method, first, the copper is first precipitated, and after the precipitation is completed, the zirconium may be precipitated again.

구체적으로, 침전 반응의 매개가 되는 물, 또는 기타 용매를 준비하고, 여기에 선택적으로 질산이나 염산, 혹은 황산을 적량 첨가한 후, 상술한 구리 전구체를 첨가하고, 교반한 후, pH를 약 7 이상으로 조절하여, 구리 산화물을 침전시킨다. Specifically, water or other solvent as a medium for the precipitation reaction is prepared, and nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid is optionally added thereto, and then the above-described copper precursor is added and stirred, and the pH is adjusted to about 7 By controlling as above, copper oxide is precipitated.

이와는 별도로, 질산이나 염산, 혹은 황산이 적량 첨가된 물, 또는 기타 용매에 상술한 지르코늄 전구체를 용해시킨 용액을 준비한 후, 위에서 먼저 준비된 구리 침전 혼합물에 첨가하고, 교반한 후, 다시 pH를 약 7 이상으로 조절하여, 침전물을 형성시킴으로써, 상기 구리 및 지르코늄의 복합 산화물을 얻을 수 있다. Separately, a solution prepared by dissolving the above-described zirconium precursor in nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid-added water or other solvent was prepared, added to the copper precipitation mixture prepared above, stirred, and then the pH was adjusted to about 7 By controlling the above and forming a precipitate, a composite oxide of copper and zirconium can be obtained.

침전물이 형성된 용액은 약 80 ℃ 내지 약 150 ℃ 정도의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24시간 정도 숙성시키고, 여과를 통해 침전물을 걸러낸 후, pH가 약 7이 될 때까지 증류수로 씻어낸다. The solution in which the precipitate is formed is aged at a temperature of about 80° C. to about 150° C. for about 1 hour to about 24 hours, and the precipitate is filtered through filtration, and then washed with distilled water until the pH becomes about 7.

세척 이후, 약 80 ℃ 내지 약 150 ℃ 정도의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24시간 정도 건조하여, 복합 금속 산화물의 분말을 얻어낼 수 있으며, 선택적으로, 이를 약 500 ℃ 내지 약 700 ℃의 온도에서 소성하는 과정을 더 거칠 수도 있다. After washing, drying at a temperature of about 80° C. to about 150° C. for about 1 hour to about 24 hours to obtain a powder of a composite metal oxide, optionally, at a temperature of about 500° C. to about 700° C. The firing process may be further performed.

순차적 함침법을 이용하는 경우, 구리 및 지르코늄의 침전 순서를 반대로 하여, 지르코늄을 먼저 침전시키고, 구리를 나중에 침전시키는 방법에 의할 수도 있다. In the case of using the sequential impregnation method, the order of precipitation of copper and zirconium may be reversed, and zirconium may be precipitated first, and copper may be precipitated later.

공침법을 따르면, 구리와 지르코늄을 동시에 침전시키는 방법으로 진행할 수 있다. According to the co-precipitation method, it is possible to proceed by a method in which copper and zirconium are simultaneously precipitated.

구체적으로, 침전 반응의 매개가 되는 물, 또는 기타 용매를 준비하고, 여기에 선택적으로 질산이나 염산, 혹은 황산을 적량 첨가한 후, 상술한 구리 전구체와 지르코늄 전구체를 각각 첨가하여 농도를 맞추고, 교반한 후, pH를 약 7 이상으로 조절하여, 구리 및 지르코늄의 복합 금속 산화물을 침전시킨다. Specifically, water or other solvent as a medium for the precipitation reaction is prepared, nitric acid, hydrochloric acid, or sulfuric acid is optionally added thereto, and then the above-described copper precursor and zirconium precursor are respectively added to adjust the concentration, and stirred. After that, the pH is adjusted to about 7 or more to precipitate a composite metal oxide of copper and zirconium.

침전물이 형성된 용액은 약 80 ℃ 내지 약 150 ℃ 정도의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24시간 정도 숙성시키고, 여과를 통해 침전물을 걸러낸 후, pH가 약 7이 될 때까지 증류수로 씻어낸다. The solution in which the precipitate is formed is aged at a temperature of about 80° C. to about 150° C. for about 1 hour to about 24 hours, and the precipitate is filtered through filtration, and then washed with distilled water until the pH becomes about 7.

세척 이후, 약 80 ℃ 내지 약 150 ℃ 정도의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24시간 정도 건조하여, 복합 금속 산화물의 분말을 얻어낼 수 있으며, 선택적으로, 이를 약 500 ℃ 내지 약 700 ℃의 온도에서 소성하는 과정을 더 거칠 수도 있다. After washing, drying at a temperature of about 80° C. to about 150° C. for about 1 hour to about 24 hours to obtain a powder of a composite metal oxide, optionally, at a temperature of about 500° C. to about 700° C. The firing process may be further performed.

기타 졸-겔 법 등의 경우, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 방법과 크게 다르지 않게 진행할 수 있으며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In the case of other sol-gel methods, it is possible to proceed without significantly different from the methods generally used in the technical field to which the present invention belongs, and the present invention is not necessarily limited thereto.

다만, 상기 순차적 함침법, 공침법, 및 졸-겔 법 중, 순차적 함침법의 경우, 구리 성분이 지르코늄 산화물에 혼입되지 않고, 지르코늄 산화물의 표면에만 분포하게 되어, 촉매의 활성이 크게 증가하지는 않는 문제가 발생할 수 있어, 순차적 함침법보다는 공침법 또는 졸-겔 법에 의하는 것이 바람직할 수 있다. However, among the sequential impregnation method, co-precipitation method, and sol-gel method, in the case of the sequential impregnation method, the copper component is not mixed with the zirconium oxide and is distributed only on the surface of the zirconium oxide, so that the activity of the catalyst does not increase significantly. Problems may occur, and it may be preferable to use a coprecipitation method or a sol-gel method rather than a sequential impregnation method.

한편, 본 명세서는, 상술한 촉매 및 상기 촉매가 담지된 담체를 포함하는, 촉매 조성물을 제공하고자 한다. Meanwhile, the present specification is to provide a catalyst composition comprising the above-described catalyst and a carrier on which the catalyst is supported.

즉, 상술한 구리 및 지르코늄의 복합 금속 산화물은, 그 자체로서, 알케인의 탈수소 반응에 사용될 수도 있으며, 반응 활성 등을 향상시키기 위한 측면에서, 담체에 담지된, 담지 촉매의 형태로 사용될 수 있다. That is, the above-described composite metal oxide of copper and zirconium, as such, may be used in the dehydrogenation reaction of alkanes, and in terms of improving reaction activity, etc., it may be used in the form of a supported catalyst supported on a carrier. .

이 때, 상기 담체는, 알루미늄 산화물, 규소 산화물, 티타늄 산화물, 및 지르코늄 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. In this case, the carrier may include at least one selected from the group consisting of aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, and zirconium oxide.

그리고, 담지 촉매로 사용되는 경우, 상기 촉매 조성물은, 담체 100 중량부에 대하여, 상기 복합 금속 산화물 약 0.01 내지 약 10 중량부, 바람직하게는 약 0.1 내지 약 5 중량부, 또는 약 0.5 내지 약 2 중량부를 포함할 수 있다. And, when used as a supported catalyst, the catalyst composition, based on 100 parts by weight of the carrier, about 0.01 to about 10 parts by weight of the composite metal oxide, preferably about 0.1 to about 5 parts by weight, or about 0.5 to about 2 It may include parts by weight.

이러한 담지 촉매는, 상술한 순차적 함침법이나 공침법 등의 복합 금속 산화물 제조 과정에서, 침전 반응 진행 시, 담체를 함께 첨가하는 방법에 의해 제조될 수 있다. Such a supported catalyst may be prepared by a method of adding a carrier together during a precipitation reaction in the process of preparing a composite metal oxide such as the sequential impregnation method or coprecipitation method described above.

한편, 본 명세서는, 상술한 촉매를, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)과 접촉시켜, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응을 진행하는 단계를 포함하는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법을 제공하고자 한다. On the other hand, the present specification includes the step of conducting a dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbons by contacting the above-described catalyst with an alkane having 2 to 6 carbons, carbon It is intended to provide a method for producing a number of 2 to 6 alkenes.

또한, 본 명세서는, 상술한 촉매 조성물을, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)과 접촉시켜, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응을 진행하는 단계를 포함하는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present specification includes the step of conducting a dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbons by contacting the catalyst composition described above with an alkane having 2 to 6 carbons, It is intended to provide a method of preparing an alkene having 2 to 6 carbon atoms.

이러한 알케인의 탈수소화 반응은, 상술한 바와 같이, 하기와 같은 반응 메커니즘으로 간략히 표시될 수 있으며, 2 단계의 반응으로 진행될 수 있다. The dehydrogenation reaction of such alkanes, as described above, may be briefly represented by the following reaction mechanism, and may proceed in a two-step reaction.

Figure pat00002
Figure pat00002

먼저, 제1 단계에서는, 촉매 활성 금속에, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)에 결합된 각 수소가 정렬되고, 임의의 어느 하나의 수소에서, 탄소와 수소의 결합이 깨지면서, 수소는 촉매 활성 금속에 흡착되고, 알케닐 라디칼이 형성될 수 있다. First, in the first step, each hydrogen bonded to an alkane having 2 to 6 carbon atoms is aligned with the catalytically active metal, and in any one hydrogen, the bond between carbon and hydrogen is broken, and the hydrogen is Adsorbed on the catalytically active metal, alkenyl radicals can be formed.

제2 단계에서는, 그 이후, 인접한 탄소에 결합되어 있던, 다른 하나의 수소에서, 탄소와 수소의 결합이 깨지면서, 수소는 촉매 활성 금속에 흡착되면서, 탄소-탄소 간에 이중 결합이 형성된다. In the second step, thereafter, in the other hydrogen, which has been bonded to the adjacent carbon, the bond between carbon and hydrogen is broken, and the hydrogen is adsorbed to the catalytically active metal, forming a double bond between the carbon-carbon.

그리고, 이후, 촉매 활성 금속에 흡착되어 있던 수소가 이탈하며, 촉매가 재생될 수 있다. Then, thereafter, hydrogen adsorbed on the catalytically active metal is released, and the catalyst can be regenerated.

이 때, 상기 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)은, 상기 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)은, 프로페인(propane), 부테인(butane), 펜탄(pentane), 및 헥세인(hexane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고; 상기 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)은 프로펜(propene), 부텐(butane), 펜텐(pentene), 및 헥센(hexane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는, 상기 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)은, 프로페인(propane)이고, 상기 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)은 프로펜(propene)일 수 있다. At this time, the alkane having 2 to 6 carbon atoms, alkane having 2 to 6 carbon atoms, propane, butane, pentane, and hex At least one selected from the group consisting of hexane; The alkene having 2 to 6 carbon atoms may be at least one selected from the group consisting of propene, butane, pentene, and hexene, and more preferably, the Alkane having 2 to 6 carbon atoms may be propane, and an alkene having 2 to 6 carbon atoms may be propene.

상기 알케인은, 직쇄 또는 분지쇄 형태일 수 있고, 상기 알켄 역시, 반응물인 알케인의 구조에 따라, 직쇄 또는 분지쇄 형태를 가질 수 있으며, 이 경우, 직쇄 혹은 분지쇄의 가장자리 부분, 혹은 중간 부분 중에서, 이중 결합 형성 가능한 위치 어디에든 이중 결합이 형성되는 형태일 수 있다. The alkanes may be in the form of a straight chain or branched chain, and the alkene may also have a straight chain or branched form, depending on the structure of the alkane as a reactant, in this case, the edge portion of the straight or branched chain, or the middle Among the parts, the double bond may be formed anywhere a double bond can be formed.

또한, 상기 알케인의 탈수소 반응은, 반응물의 탄소 수가 4 이상인 경우, 알케인 분자 중, 두 군데 이상의 위치에서 진행될 수도 있고, 이 경우, 생성물은 디엔의 형태로 생성될 수도 있다. In addition, the dehydrogenation reaction of the alkanes may proceed at two or more positions in the alkane molecule when the number of carbon atoms in the reactant is 4 or more, and in this case, the product may be produced in the form of diene.

구체적으로, 반응물이 부테인인 경우, 생성물로 1,3-부타디엔이 형성될 수 있고, 반응물이 펜테인인 경우, 생성물로 1,3-펜타디엔, 혹은 1,4-펜타디엔이 형성될 수 있으며, 반응물이 헥세인인 경우, 생성물로 1,3-헥사디엔, 1,4-헥사디엔, 1,5-헥사디엔, 2,4-헥사디엔, 혹은, 1,3,5-헥사트리엔이 형성될 수도 있다. Specifically, when the reactant is butane, 1,3-butadiene may be formed as a product, and when the reactant is pentane, 1,3-pentadiene or 1,4-pentadiene may be formed as a product. And, when the reaction product is hexane, the product is 1,3-hexadiene, 1,4-hexadiene, 1,5-hexadiene, 2,4-hexadiene, or 1,3,5-hexatriene May be formed.

이러한 디엔 형태의 화합물이 형성되는 경우, 상기 알케인의 탈수소 반응은, 알케인 분자 중, 두 군데 이상의 위치에서 동시에 진행될 수도 있고, 먼저 제1 반응에 의해 알켄이 형성된 후, 분자의 다른 부위에 순차적으로 제2, 혹은 제3의 탈수소 반응이 진행될 수도 있다. When such a diene-type compound is formed, the dehydrogenation reaction of the alkane may proceed at the same time at two or more positions in the alkane molecule, or the alkene is first formed by the first reaction, and then sequentially at other sites of the molecule. As a result, the second or third dehydrogenation reaction may proceed.

다만, 촉매 활성 금속의 반응 활성 및 선택도 측면에서, 상기 반응물은 프로페인인 경우가 가장 바람직하며, 이에 따라 상기 생성물은 프로펜인 것이 가장 바람직하다. However, in terms of the reaction activity and selectivity of the catalytically active metal, the reactant is most preferably propane, and accordingly, the product is most preferably propene.

그리고, 구체적으로 상기 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법은, 활성 기체를 이용하여 상기 촉매를 활성화시키는 단계; 및 활성화된 촉매와 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)을 접촉시키는 단계를 포함하여 진행될 수 있다. And, specifically, the method of producing an alkene having 2 to 6 carbon atoms includes: activating the catalyst using an active gas; And contacting the activated catalyst with an alkane having 2 to 6 carbon atoms.

이 때, 활성 기체는, 일산화탄소, 수소, 에틸렌, 에탄, 메탄 등의 환원성 기체를 이용할 수 있으며, 이 때, 질소나 18족 기체 등의 불활성 기체를 캐리어 가스로 이용할 수도 있다. 이러한 활성 기체는, 반응성이 높은 촉매 표면의 산소와 반응하여 촉매를 활성화시킬 수 있다. In this case, as the active gas, a reducing gas such as carbon monoxide, hydrogen, ethylene, ethane, or methane may be used, and in this case, an inert gas such as nitrogen or a group 18 gas may be used as a carrier gas. Such an active gas may react with oxygen on a highly reactive catalyst surface to activate the catalyst.

이러한 전처리는, 약 500 내지 약 700 ℃의 온도 조건에서 진행될 수 있다. 이 때 주입량(Standard Cubic Centimeter per Minute, sccm, cm3/min) 은, 약 10 내지 약 100 sccm, 혹은 약 20 내지 약 50 sccm의 속도로 진행할 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 이는 전처리 온도 및 전처리에 투입된 촉매의 양에 따라 달라질 수 있다. This pretreatment may be performed under a temperature condition of about 500 to about 700°C. At this time, the injection amount (Standard Cubic Centimeter per Minute, sccm, cm 3 /min) may proceed at a rate of about 10 to about 100 sccm, or about 20 to about 50 sccm. However, the present invention is not necessarily limited thereto, and this may vary depending on the pretreatment temperature and the amount of catalyst injected into the pretreatment.

그리고, 이후, 활성화된 촉매와 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)을 접촉시켜, 탈수소화 반응을 진행시킬 수 있다. Then, after that, by contacting the activated catalyst with an alkane having 2 to 6 carbon atoms, the dehydrogenation reaction may be proceeded.

상기 탈수소화 반응은 약 300 내지 약 800 ℃, 바람직하게는 약 500 내지 약 700 ℃, 더욱 바람직하게는 약 550 내지 약 650 ℃의 온도 조건에서, 상기 촉매가 들어있는 반응기의 내부에 반응물인 알케인을 기체 형태로 공급하는 형태로 진행될 수 있다. 온도가 지나치게 낮을 경우, 반응의 활성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있으며, 온도가 지나치게 높아지는 경우, 반응물로 사용된 알케인의 분해 반응이 진행되는 문제점이 발생할 수 있다. The dehydrogenation reaction is about 300 to about 800 °C, preferably about 500 to about 700 °C, more preferably about 550 to about 650 °C under a temperature condition, the reaction product inside the reactor containing the catalyst alkanes It may proceed in the form of supplying in gaseous form. When the temperature is too low, there may be a problem in that the activity of the reaction decreases, and when the temperature is too high, a problem in that the decomposition reaction of alkanes used as a reactant proceeds may occur.

그리고, 공급할 때, 반응물인 알케인은, 질소 등의 불활성 기체를 캐리어 가스로 사용하여 주입될 수 있고, 주입량은 질량 유속 조절기 등에 의해 조절될 수 있다. 반응물의 주입량은(Standard Cubic Centimeter per Minute, sccm, cm3/min) 은, 전체 투입되는 기체 약 10 내지 약 100 sccm, 또는 약 20 내지 약 70 sccm을 기준으로, 이 중 환원성 기체:캐리어 가스의 비율이 약 0.01:1 내지 약 0.3:1 정도가 되도록 진행하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 본 발명이 반드시 이러한 조건에 한정되는 것은 아니며, 이는 촉매의 투입량이나 반응물의 종류, 반응 온도, 및 촉매의 구체적인 조성에 따라 달리 조절될 수 있다. And, when supplying, the reactant alkane may be injected using an inert gas such as nitrogen as a carrier gas, and the injection amount may be controlled by a mass flow controller or the like. The amount of reactants injected (Standard Cubic Centimeter per Minute, sccm, cm 3 /min) is based on the total input gas of about 10 to about 100 sccm, or about 20 to about 70 sccm, of which reducing gas: carrier gas It may be desirable to proceed so that the ratio is about 0.01:1 to about 0.3:1. However, the present invention is not necessarily limited to these conditions, and it may be adjusted differently depending on the amount of catalyst input, the type of reactant, the reaction temperature, and the specific composition of the catalyst.

본 발명의 일 측면에 따른 알케인의 탈수소화 반응용 촉매는, 알케인의 탈수소화 반응에 대한 활성이 높고, 높은 활성이 오래 유지될 수 있으며, 특정 알켄에 대한 높은 선택도를 보인다. The catalyst for dehydrogenation of alkanes according to an aspect of the present invention has high activity for dehydrogenation of alkanes, can maintain high activity for a long time, and exhibits high selectivity for specific alkenes.

따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 촉매를 이용하여, 알켄을 제조하는 경우, 기존에 비해 높은 수득률을 달성할 수 있다. Therefore, when producing an alkene using the catalyst according to an aspect of the present invention, it is possible to achieve a higher yield than the conventional.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 XRD 분석 스펙트럼이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물에 대하여, 산 점을 분석한 스펙트럼이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 암모니아 승온 탈착 분석 스펙트럼이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 알켄의 제조 방법에서, 프로펜의 수율과 선택도를 정리한 그래프이다.
1 is an XRD analysis spectrum of a composite metal oxide used in a catalyst according to an embodiment of the present invention.
2 is a spectrum obtained by analyzing an acid point of a composite metal oxide used in a catalyst according to an embodiment of the present invention.
3 is an ammonia elevated temperature desorption analysis spectrum of a composite metal oxide used in a catalyst according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph summarizing the yield and selectivity of propene in the method for producing an alkene according to an embodiment of the present invention.

이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.Hereinafter, the functions and effects of the invention will be described in more detail through specific embodiments of the invention. However, these embodiments are only presented as examples of the invention, and the scope of the invention is not determined thereby.

<실시예><Example>

복합 금속 산화물의 제조Preparation of composite metal oxide

실시예 1: Example 1:

증류수 200 ml에 지르코늄 전구체로, ZrO(NO3)2 를 용해시켜, 0.1 M 농도의 수용액을 제조하였다. ZrO(NO 3 ) 2 was dissolved as a zirconium precursor in 200 ml of distilled water to prepare an aqueous solution having a concentration of 0.1 M.

여기에 암모니아 수용액(농도: NH3 기준 28~30wt%)을 천천히 적가하여, pH를 9로 조절하여, 침전 반응을 진행하였다. An aqueous ammonia solution (concentration: 28 to 30 wt% based on NH 3 ) was slowly added dropwise thereto, and the pH was adjusted to 9 to proceed with the precipitation reaction.

침전물이 형성된 혼합물 용액을 밀폐하고, 약 373 K에서, 약 12시간 동안 방치하고, 이후, 이를 여과하여, 침전물을 걸러내었다. The mixture solution in which the precipitate was formed was sealed, and left at about 373 K for about 12 hours, after which it was filtered to filter out the precipitate.

얻어진 침전물은, pH 7이 될 때까지 증류수로 여러 번 세척하고, 오븐으로 옮겨, 약 383 K에서 약 12시간 동안 건조시키고, 이를 다시 약 873 K에서 3 시간 동안 소성하여, 지르코늄 산화물을 제조하였다. The obtained precipitate was washed several times with distilled water until the pH reached 7, transferred to an oven, dried at about 383 K for about 12 hours, and then calcined again at about 873 K for 3 hours to prepare zirconium oxide.

실시예 2: Example 2:

지르코늄 전구체로 ZrO(NO3)2 를 사용하고, 구리 전구체로는 Cu(NO3)2 3H2O를 사용하였다. ZrO(NO 3 ) 2 was used as a zirconium precursor, and Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O was used as a copper precursor.

증류수 200 ml에 지르코늄 전구체(0.095 M)와 구리 전구체(0.005 M)를 용해시켜, 금속 양이온 기준, 0.1M의 수용액을 제조하였다. A zirconium precursor (0.095 M) and a copper precursor (0.005 M) were dissolved in 200 ml of distilled water to prepare an aqueous solution of 0.1 M based on metal cations.

여기에 암모니아 수용액(농도: NH3 기준 28~30wt%)을 천천히 적가하여, pH를 9로 조절하여, 침전 반응을 진행하였다. An aqueous ammonia solution (concentration: 28 to 30 wt% based on NH 3 ) was slowly added dropwise thereto, and the pH was adjusted to 9 to proceed with the precipitation reaction.

침전물이 형성된 혼합물 용액을 밀폐하고, 약 373 K에서, 약 12시간 동안 방치하고, 이후, 이를 여과하여, 침전물을 걸러내었다. The mixture solution in which the precipitate was formed was sealed, and left at about 373 K for about 12 hours, after which it was filtered to filter out the precipitate.

얻어진 침전물은, pH 7이 될 때까지 증류수로 여러 번 세척하고, 오븐으로 옮겨, 약 383 K에서 약 12시간 동안 건조시키고, 이를 다시 약 873 K에서 3 시간 동안 소성하여, 구리-지르코늄 복합 금속 산화물을 제조하였다. The obtained precipitate was washed several times with distilled water until the pH reached 7, transferred to an oven, dried at about 383 K for about 12 hours, and then calcined again at about 873 K for 3 hours, and a copper-zirconium composite metal oxide Was prepared.

실시예 3: Example 3:

지르코늄 전구체로 ZrO(NO3)2 를 사용하고, 구리 전구체로는 Cu(NO3)2 3H2O를 사용하였다. ZrO(NO 3 ) 2 was used as a zirconium precursor, and Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O was used as a copper precursor.

증류수 200 ml에 지르코늄 전구체(0.092 M)와 구리 전구체(0.008 M)를 용해시켜, 금속 양이온 기준, 0.1M의 수용액을 제조하였다. A zirconium precursor (0.092 M) and a copper precursor (0.008 M) were dissolved in 200 ml of distilled water to prepare an aqueous solution of 0.1 M based on a metal cation.

여기에 암모니아 수용액(농도: NH3 기준 28~30wt%)을 천천히 적가하여, pH를 9로 조절하여, 침전 반응을 진행하였다. An aqueous ammonia solution (concentration: 28 to 30 wt% based on NH 3 ) was slowly added dropwise thereto, and the pH was adjusted to 9 to proceed with the precipitation reaction.

침전물이 형성된 혼합물 용액을 밀폐하고, 약 373 K에서, 약 12시간 동안 방치하고, 이후, 이를 여과하여, 침전물을 걸러내었다. The mixture solution in which the precipitate was formed was sealed, and left at about 373 K for about 12 hours, after which it was filtered to filter out the precipitate.

얻어진 침전물은, pH 7이 될 때까지 증류수로 여러 번 세척하고, 오븐으로 옮겨, 약 383 K에서 약 12시간 동안 건조시키고, 이를 다시 약 873 K에서 3 시간 동안 소성하여, 구리-지르코늄 복합 금속 산화물을 제조하였다. The obtained precipitate was washed several times with distilled water until the pH reached 7, transferred to an oven, dried at about 383 K for about 12 hours, and then calcined again at about 873 K for 3 hours, and a copper-zirconium composite metal oxide Was prepared.

실시예 4: Example 4:

지르코늄 전구체로 ZrO(NO3)2 를 사용하고, 구리 전구체로는 Cu(NO3)2 3H2O를 사용하였다. ZrO(NO 3 ) 2 was used as a zirconium precursor, and Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O was used as a copper precursor.

증류수 200 ml에 지르코늄 전구체(0.090 M)와 구리 전구체(0.010 M)를 용해시켜, 금속 양이온 기준, 0.1M의 수용액을 제조하였다. A zirconium precursor (0.090 M) and a copper precursor (0.010 M) were dissolved in 200 ml of distilled water to prepare an aqueous solution of 0.1 M based on metal cations.

여기에 암모니아 수용액(농도: NH3 기준 28~30wt%)을 천천히 적가하여, pH를 9로 조절하여, 침전 반응을 진행하였다. An aqueous ammonia solution (concentration: 28 to 30 wt% based on NH 3 ) was slowly added dropwise thereto, and the pH was adjusted to 9 to proceed with the precipitation reaction.

침전물이 형성된 혼합물 용액을 밀폐하고, 약 373 K에서, 약 12시간 동안 방치하고, 이후, 이를 여과하여, 침전물을 걸러내었다. The mixture solution in which the precipitate was formed was sealed, and left at about 373 K for about 12 hours, after which it was filtered to filter out the precipitate.

얻어진 침전물은, pH 7이 될 때까지 증류수로 여러 번 세척하고, 오븐으로 옮겨, 약 383 K에서 약 12시간 동안 건조시키고, 이를 다시 약 873 K에서 3 시간 동안 소성하여, 구리-지르코늄 복합 금속 산화물을 제조하였다. The obtained precipitate was washed several times with distilled water until the pH reached 7, transferred to an oven, dried at about 383 K for about 12 hours, and then calcined again at about 873 K for 3 hours, and a copper-zirconium composite metal oxide Was prepared.

실시예 5: Example 5:

지르코늄 전구체로 ZrO(NO3)2 를 사용하고, 구리 전구체로는 Cu(NO3)2 3H2O를 사용하였다. ZrO(NO 3 ) 2 was used as a zirconium precursor, and Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O was used as a copper precursor.

증류수 200 ml에 지르코늄 전구체(0.085 M)와 구리 전구체(0.015 M)를 용해시켜, 금속 양이온 기준, 0.1M의 수용액을 제조하였다. A zirconium precursor (0.085 M) and a copper precursor (0.015 M) were dissolved in 200 ml of distilled water to prepare an aqueous solution of 0.1 M based on a metal cation.

여기에 암모니아 수용액(농도: NH3 기준 28~30wt%)을 천천히 적가하여, pH를 9로 조절하여, 침전 반응을 진행하였다. An aqueous ammonia solution (concentration: 28 to 30 wt% based on NH 3 ) was slowly added dropwise thereto, and the pH was adjusted to 9 to proceed with the precipitation reaction.

침전물이 형성된 혼합물 용액을 밀폐하고, 약 373 K에서, 약 12시간 동안 방치하고, 이후, 이를 여과하여, 침전물을 걸러내었다. The mixture solution in which the precipitate was formed was sealed, and left at about 373 K for about 12 hours, after which it was filtered to filter out the precipitate.

얻어진 침전물은, pH 7이 될 때까지 증류수로 여러 번 세척하고, 오븐으로 옮겨, 약 383 K에서 약 12시간 동안 건조시키고, 이를 다시 약 873 K에서 3 시간 동안 소성하여, 구리-지르코늄 복합 금속 산화물을 제조하였다. The obtained precipitate was washed several times with distilled water until the pH reached 7, transferred to an oven, dried at about 383 K for about 12 hours, and then calcined again at about 873 K for 3 hours, and a copper-zirconium composite metal oxide Was prepared.

실시예 6: Example 6:

지르코늄 전구체로 ZrO(NO3)2 를 사용하고, 구리 전구체로는 Cu(NO3)2 3H2O를 사용하였다. ZrO(NO 3 ) 2 was used as a zirconium precursor, and Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O was used as a copper precursor.

증류수 200 ml에 지르코늄 전구체(0.075 M)와 구리 전구체(0.025 M)를 용해시켜, 금속 양이온 기준, 0.1M의 수용액을 제조하였다. A zirconium precursor (0.075 M) and a copper precursor (0.025 M) were dissolved in 200 ml of distilled water to prepare an aqueous solution of 0.1 M based on a metal cation.

여기에 암모니아 수용액(농도: NH3 기준 28~30wt%)을 천천히 적가하여, pH를 9로 조절하여, 침전 반응을 진행하였다. An aqueous ammonia solution (concentration: 28 to 30 wt% based on NH 3 ) was slowly added dropwise thereto, and the pH was adjusted to 9 to proceed with the precipitation reaction.

침전물이 형성된 혼합물 용액을 밀폐하고, 약 373 K에서, 약 12시간 동안 방치하고, 이후, 이를 여과하여, 침전물을 걸러내었다. The mixture solution in which the precipitate was formed was sealed, and left at about 373 K for about 12 hours, after which it was filtered to filter out the precipitate.

얻어진 침전물은, pH 7이 될 때까지 증류수로 여러 번 세척하고, 오븐으로 옮겨, 약 383 K에서 약 12시간 동안 건조시키고, 이를 다시 약 873 K에서 3 시간 동안 소성하여, 구리-지르코늄 복합 금속 산화물을 제조하였다. The obtained precipitate was washed several times with distilled water until the pH reached 7, transferred to an oven, dried at about 383 K for about 12 hours, and then calcined again at about 873 K for 3 hours, and a copper-zirconium composite metal oxide Was prepared.

상기 실시예에서 제조된 복합 금속 산화물에 대하여, XRD 분석을 수행하였다. The composite metal oxide prepared in the above example was subjected to XRD analysis.

Cu의 함량 비율 분석:Cu content ratio analysis:

상기 실시예에서 제조된 복합 금속 산화물에 대하여, SPECTRO사의 ARCOS FHM22 기기를 이용하여, ICP-OES (inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy) 분석을 수행하였다. For the composite metal oxide prepared in the above example, an ICP-OES (inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy) analysis was performed using an ARCOS FHM22 device manufactured by SPECTRO.

표면적 분석:Surface area analysis:

상기 실시예에서 제조된 복합 금속 산화물에 대하여, Micromeritics 사의 ASAP2010 기기를 이용하여, BET 표면적을 측정하였다. For the composite metal oxide prepared in the above example, the BET surface area was measured using an ASAP2010 instrument manufactured by Micromeritics.

산 점 분석:Scattered point analysis:

상기 실시예에서 제조된 복합 금속 산화물에 대하여, MicrotracBEL 사의 BelcatII 기기를 이용하여, NH3-TPD 분석을 수행하였다. With respect to the composite metal oxide prepared in the above example, NH 3 -TPD analysis was performed using a Belcat II instrument manufactured by MicrotracBEL.

분석 결과를 하기 표 1에 정리하였다. The analysis results are summarized in Table 1 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 Cu 함량(mol%)Cu content (mol%) 00 5.25.2 7.67.6 1111 1616 2727 BET표면적(m2/g)BET surface area (m 2 /g) 4242 6262 7272 7777 7575 6060


mountain
point
minute
three
Peak 1Peak 1 0.0240.024 0.0280.028 0.0210.021 0.0280.028 0.0320.032 0.0290.029
Peak 2Peak 2 0.0630.063 0.0860.086 0.0960.096 0.0870.087 0.0670.067 0.0400.040 Peak 3Peak 3 0.0650.065 0.0170.017 0.0220.022 0.0140.014 0.0200.020 0.0080.008 Peak1+2Peak1+2 0.0870.087 0.1140.114 0.1170.117 0.1150.115 0.0990.099 0.0690.069 Total AcidityTotal Acidity 0.1520.152 0.1310.131 0.1390.139 0.1290.129 0.1190.119 0.0770.077

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 XRD 분석 스펙트럼이다. 1 is an XRD analysis spectrum of a composite metal oxide used in a catalyst according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 원소 구성을 알 수 있다. Referring to Figure 1, it can be seen the elemental composition of the composite metal oxide used in the catalyst according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 지르코늄 산화물은 일반적으로 상온에서 모노클리닉(monoclinic) 구조를 가지는 것으로 알려져 있는데, 이러한 구조는 도 1의 m-ZrO2 관련 피크로 확인 가능하다. Specifically, zirconium oxide is generally known to have a monoclinic structure at room temperature, and this structure can be confirmed by the m-ZrO2 related peak in FIG. 1.

이러한 순수한 지르코늄 산화물의 격자 내에 원자의 크기가 다르거나, 혹은 산화 수가 다른 원소를 혼입되면, 구조적 결함(산소 결손점)이 형성되고, 이를 안정화 시키기 위해 테트라고날(tetragonal)의 형태로 구조 변화가 일어나게 되며, 이는, 도 1의 t-ZrO2 관련 피크로 확인이 가능하다. When elements of different sizes or different oxidation numbers are incorporated in the lattice of such pure zirconium oxide, structural defects (oxygen defect points) are formed, and structural changes in the form of tetragonal occur to stabilize them. This can be confirmed by the t-ZrO2 related peak in FIG. 1.

상기 도 1의 경우, CuO와 관련된 XRD 피크가 관찰되지 않고 있는데, 이는 구리 성분이 지르코늄 산화물 상에 잘 분산되어있음을 의미한다.In the case of FIG. 1, the XRD peak related to CuO is not observed, which means that the copper component is well dispersed on the zirconium oxide.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물에 대하여, 산 점을 분석한 스펙트럼이다. 2 is a spectrum obtained by analyzing an acid point of a composite metal oxide used in a catalyst according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 산 점 분포를 알 수 있다. Referring to Figure 2, it can be seen the acid point distribution of the composite metal oxide used in the catalyst according to an embodiment of the present invention.

촉매의 산 점은, 브뢴스테드 산 점과 루이스 산 점으로 구분되는데, 일반적으로, 산소 결손점 형성으로 인한 배위 결합 불포화 상태의 지르코늄 원자는 루이스 산 점으로 알려져 있으며, 이러한 루이스 산점이 탈수소화 반응의 활성 점 역할을 한다. The acid point of the catalyst is divided into a Bronsted acid point and a Lewis acid point.In general, a zirconium atom in a coordination bond unsaturated state due to the formation of an oxygen defect point is known as a Lewis acid point, and such a Lewis acid point is a dehydrogenation reaction. Serves as the active point of the.

상기 도 2를 참고하면, 본 발명에 사용된 복합 금속 산화물의 경우, 구리가 혼입된 후에도 해당 촉매가 루이스 산 점만을 지닌다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, in the case of the composite metal oxide used in the present invention, it can be seen that the catalyst has only Lewis acid points even after copper is incorporated.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 암모니아 승온 탈착 분석 스펙트럼이다. 3 is an ammonia elevated temperature desorption analysis spectrum of a composite metal oxide used in a catalyst according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 산 점을 분석할 수 있다. Referring to FIG. 3, the acid point of the composite metal oxide used in the catalyst according to an embodiment of the present invention can be analyzed.

NH3-TPD 분석은 염기성 물질인 암모니아를 촉매 표면에 흡착시킨 후, 온도를 일정한 속도로 올리면서 암모니아를 탈착시켜, 탈착 온도를 바탕으로 촉매 상의 산 점 세기를 평가하고, 탈착량을 바탕으로 산 점 수를 측정하는 분석법이다. In NH3-TPD analysis, ammonia, which is a basic substance, is adsorbed on the surface of the catalyst, and then ammonia is desorbed while raising the temperature at a constant rate, and the acid point intensity on the catalyst is evaluated based on the desorption temperature, and It is an analytical method that measures the number.

상기 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매에 사용되는 복합 금속 산화물의 경우, 구리의 첨가에 따라, 높은 온도에서 암모니아가 탈착되는 강 산 점의 수는 급격히 감소하고, 낮은 온도에서 탈착되는 약 산 점의 수는 증가하는 것을 명확히 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, in the case of the composite metal oxide used in the catalyst according to an embodiment of the present invention, as copper is added, the number of strong acid points at which ammonia is desorbed at a high temperature rapidly decreases, and a low temperature It can be clearly seen that the number of weak acid points desorbed from is increasing.

비교예 1Comparative Example 1

백금(Pt)의 전구체로는 Chloroplatinic acid hexahydrate (H2PtCl6xH2O, Sigma-aldrich, ~38% Pt basis), 주석(Sn)의 전구체로는 Tin chloride dihydrate(SnCl22H2O Sigma-aldrich)를 사용하였다. The precursor of platinum (Pt) is Chloroplatinic acid hexahydrate (H 2 PtCl 6 xH 2 O, Sigma-aldrich, ~38% Pt basis), and the precursor of tin (Sn) is Tin chloride dihydrate (SnCl 2 2H 2 O Sigma- aldrich) was used.

담체로는 γ-Al2O3 (Sasol사 Puralox Scca 5/150)를 사용하였다. As a carrier, γ-Al 2 O 3 (Sasol Puralox Scca 5/150) was used.

담지 용매로는 증류수를 사용하였다. Distilled water was used as the supported solvent.

담체 1 g 기준으로 Pt 담지량은 0.5 wt%, Sn 담지량은 1.5wt%이 되도록 촉매를 제조하였다. A catalyst was prepared such that the amount of Pt supported was 0.5 wt% and the amount of Sn supported was 1.5 wt% based on 1 g of the support.

촉매의 기공 부피에 해당하는 양의 증류수에 담지 량 기준으로 역산하여 도출된 양의 Pt 및 Sn 전구체를 완전 용해시킨 후 상기 Al2O3 상에 한 방울씩 떨어뜨리며 고르게 섞어주었다. (incipient wetness impregnation 방법 이용) After completely dissolving the amount of Pt and Sn precursor derived by inverse calculation based on the amount supported in distilled water corresponding to the pore volume of the catalyst, dropwise dropwise mixing was performed on the Al 2 O 3 . (using the incipient wetness impregnation method)

이를 오븐으로 옮겨, 약 110 ℃에서 약 12 시간 건조 후, 약 600 ℃의 온도, Air 분위기 하에서 약 3 시간 소성하여, Pt/Al2O3 촉매를 제조하였다. This was transferred to an oven, dried at about 110° C. for about 12 hours, and then calcined for about 3 hours under an air atmosphere at a temperature of about 600° C. to prepare a Pt/Al 2 O 3 catalyst.

비교예 2Comparative Example 2

크롬(Cr)의 전구체로 Chromium nitrate nonahydrate(Cr(NO3)39H2O, 99% ACROS)를 사용하였으며, 담체 1g 기준 Cr 기준 5wt%가 되도록 한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 방법에 의해, 촉매를 제조하였다.Chromium nitrate nonahydrate (Cr(NO 3 ) 3 9H 2 O, 99% ACROS) was used as a precursor of chromium (Cr), except that it was 5 wt% based on Cr based on 1 g of the carrier, the same as in Comparative Example 1 By the method, a catalyst was prepared.

프로페인의 탈수소 반응을 통한 프로펜 제조Preparation of propene through dehydrogenation of propane

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 촉매를 이용하여, 하기와 같은 방법에 의해 프로페인의 탈수소화 반응을 진행하였다. Using the catalysts prepared in Examples and Comparative Examples, propane dehydrogenation was performed by the following method.

먼저, Quartz wool 0.03 g에, 상기 담지 촉매 0.2g을, 내경이 0.8 cm 길이가 50 cm 인 quartz 반응기에 충진하였다. First, 0.03 g of quartz wool, 0.2 g of the supported catalyst, was charged in a quartz reactor having an inner diameter of 0.8 cm and a length of 50 cm.

먼저, 반응기를 약 60 분간 873 K까지 일정한 속도로 승온시키면서, 반응기 내부에 아르곤 가스를 주입하였다. (30 sccm)First, argon gas was injected into the reactor while heating the reactor at a constant rate to 873 K for about 60 minutes. (30 sccm)

반응기 온도가 873 K에 도달한 이후, 수소(5 sccm)와 아르곤(45 sccm)이 혼합된 혼합 가스를 약 60 분간 공급하여, 촉매를 활성화 하고, 이후, 약 15분 간 아르곤 가스로 퍼지하였다. After the reactor temperature reached 873 K, a mixed gas of hydrogen (5 sccm) and argon (45 sccm) was supplied for about 60 minutes to activate the catalyst, followed by purging with argon gas for about 15 minutes.

873 K 및 상압 조건에서, 반응기에 프로페인(8 sccm)과 아르곤(52 sccm)의 혼합 가스를 주입하면서, 프로페인의 탈수소화 반응을 진행하였다. Under the conditions of 873 K and atmospheric pressure, a mixture gas of propane (8 sccm) and argon (52 sccm) was injected into the reactor, while propane dehydrogenation was performed.

반응은 약 30 분 간 진행하였으며, 반응 진행에 따른 촉매 활성의 저하를 확인하기 위해, 반응 시작 후 시간 진행에 따라 생성물을 분석하였다. The reaction proceeded for about 30 minutes, and the product was analyzed over time after the start of the reaction to confirm the decrease in catalytic activity according to the progress of the reaction.

생성물은, Flame ionization detector(FID)가 장착된 기체 크로마토그래피(YL6500 GC)를 통해 분석을 진행하였다. The product was analyzed through gas chromatography (YL6500 GC) equipped with a flame ionization detector (FID).

FID를 통해서는, 메테인, 에테인, 에텐, 프로페인, 프로펜 등의 생성물을 분석하였고, 이를 통해 프로페인의 프로펜 전환률과 프로펜 선택도, 프로펜의 수율을 계산하였다. (단위: 몰%)Through FID, products such as methane, ethane, ethene, propane, and propene were analyzed, and through this, the propene conversion rate, propene selectivity, and propene yield were calculated. (Unit: mol%)

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

분석 결과를 하기 표 2, 3, 4 및 도 4에 정리하였다. The analysis results are summarized in Tables 2, 3, 4 and 4 below.

프로필렌 수율(%)Propylene yield (%) 실시예 1
(0)
Example 1
(0)
실시예 2
(5)
Example 2
(5)
실시예 3
(8)
Example 3
(8)
실시예 4
(10)
Example 4
(10)
실시예 5
(15)
Example 5
(15)
실시예 6
(25)
Example 6
(25)
5분5 minutes 21.321.3 25.725.7 26.126.1 26.226.2 22.722.7 21.021.0 11분11 minutes 15.415.4 17.817.8 18.218.2 18.218.2 16.416.4 14.014.0 17분17 minutes 11.711.7 12.812.8 13.513.5 13.413.4 12.112.1 9.99.9 23분23 minutes 9.39.3 10.010.0 10.510.5 10.310.3 9.49.4 7.47.4 29분29 minutes 7.37.3 7.97.9 8.38.3 8.08.0 7.27.2 5.65.6

프로페인 전환율(%)Propane Conversion Rate (%) 실시예 1
(0)
Example 1
(0)
실시예 2
(5)
Example 2
(5)
실시예 3
(8)
Example 3
(8)
실시예 4
(10)
Example 4
(10)
실시예 5
(15)
Example 5
(15)
실시예 6
(25)
Example 6
(25)
5분5 minutes 21.721.7 26.126.1 26.526.5 26.626.6 23.023.0 21.321.3 11분11 minutes 15.715.7 18.018.0 18.518.5 18.418.4 16.616.6 14.214.2 17분17 minutes 11.911.9 13.013.0 13.713.7 13.613.6 12.312.3 10.110.1 23분23 minutes 9.59.5 10.210.2 10.710.7 10.510.5 9.69.6 7.57.5 29분29 minutes 7.57.5 8.18.1 8.58.5 8.28.2 7.47.4 5.75.7

프로필렌 선택도(%)Propylene selectivity (%) 실시예 1
(0)
Example 1
(0)
실시예 2
(5)
Example 2
(5)
실시예 3
(8)
Example 3
(8)
실시예 4
(10)
Example 4
(10)
실시예 5
(15)
Example 5
(15)
실시예 6
(25)
Example 6
(25)
5분5 minutes 98.698.6 98.498.4 98.598.5 98.698.6 98.798.7 98.698.6 11분11 minutes 98.598.5 98.698.6 98.798.7 98.698.6 98.798.7 98.598.5 17분17 minutes 98.298.2 98.398.3 98.598.5 98.498.4 98.498.4 98.298.2 23분23 minutes 97.997.9 97.997.9 98.298.2 98.098.0 98.198.1 97.897.8 29분29 minutes 97.597.5 97.697.6 98.098.0 97.797.7 97.797.7 97.397.3

상기 표 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매는, 프로펜 제조에 있어서, 촉매 활성이 높고, 프로펜에 대한 선택도가 높은 것을 명확히 확인할 수 있으며, 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매의 경우, 벌크 촉매임에도 불구하고, 기존의 담지 촉매 보다 우수한 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to the above table and FIG. 4, it can be clearly confirmed that the catalyst according to an embodiment of the present invention has high catalytic activity and high selectivity to propene in the production of propene. In the case of the catalyst according to an embodiment, it can be seen that even though it is a bulk catalyst, it exhibits a better effect than the existing supported catalyst.

또한, 기존에 사용되던 백금 촉매 혹은 크롬 촉매는, 가격이 매우 비싸고 환경 측면에서 좋지 못한 영향이 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매의 경우, 기존의 백금 촉매의 가격적 한계와 크롬 촉매의 환경적 한계를 대체할 수 있을 것으로 생각된다.In addition, the platinum catalyst or chromium catalyst used in the past is very expensive and has an adverse effect on the environment. It is thought that it can replace environmental limitations.

Claims (15)

하기 화학식 1로 표시되는 복합 금속 산화물을 포함하고, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응에 사용되는, 촉매:
[화학식 1]
CuaZr1-aOb
상기 화학식 1에서,
a는, 0보다 크거나 같고, 1보다 작고,
b는, 1보다 크거나 같고, 2 보다 작거나 같다.
A catalyst comprising a composite metal oxide represented by the following formula (1) and used in the dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbon atoms:
[Formula 1]
Cu a Zr 1-a O b
In Formula 1,
a is greater than or equal to 0, less than 1,
b is greater than or equal to 1 and less than or equal to 2.
제1항에 있어서,
상기 a는, 0보다 크고, 1보다 작은, 촉매.
The method of claim 1,
Wherein a is greater than 0 and less than 1, the catalyst.
제1항에 있어서,
상기 a는, 0.01보다 크거나 같고, 0.3보다 작거나 같은, 촉매.
The method of claim 1,
Wherein a is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.3.
제1항에 있어서,
상기 복합 금속 산화물은 BET 표면적 값이 40 m2/g 이상인, 촉매.
The method of claim 1,
The composite metal oxide has a BET surface area value of 40 m 2 /g or more.
제1항에 있어서,
상기 복합 금속 산화물은 NH3-TPD 분석에 따른 산성(total acidity)이 0.17 mmol/g 이하인, 촉매.
The method of claim 1,
The composite metal oxide has a total acidity of 0.17 mmol/g or less according to NH 3 -TPD analysis, a catalyst.
제1항에 있어서,
상기 복합 금속 산화물은, 290 ℃ 내지 330 ℃ 사이에서 NH3-TPD 분석에 따른 산성이 0.1 mmol/g 이하인, 촉매.
The method of claim 1,
The composite metal oxide has an acidity of 0.1 mmol/g or less according to NH 3 -TPD analysis between 290°C and 330°C.
제1항에 있어서,
상기 복합 금속 산화물은 CuO 단독 상을 포함하지 않는, 촉매.
The method of claim 1,
The composite metal oxide does not contain a CuO single phase, a catalyst.
제1항에 있어서,
상기 복합 금속 산화물은, X선 회절 분석 스펙트럼으로 분석하였을 때, 테트라고날 ZrO2에 의한 피크가 관찰되는, 촉매.
The method of claim 1,
When the composite metal oxide is analyzed by an X-ray diffraction spectrum, a peak due to tetragonal ZrO2 is observed.
제1항에 따른 촉매 및 상기 촉매가 담지된 담체를 포함하는, 촉매 조성물.
A catalyst composition comprising the catalyst according to claim 1 and a carrier on which the catalyst is supported.
제9항에 있어서,
상기 담체는, 알루미늄 산화물, 규소 산화물, 티타늄 산화물, 및 지르코늄 산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 촉매 조성물.
The method of claim 9,
The carrier, a catalyst composition comprising at least one selected from the group consisting of aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, and zirconium oxide.
제1항에 따른 촉매를, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)과 접촉시켜, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응을 진행하는 단계를 포함하는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법.
The catalyst according to claim 1, comprising the step of conducting a dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbons by contacting an alkane having 2 to 6 carbons, Method for producing 6-member alkene.
제9항에 따른 촉매 조성물을, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)과 접촉시켜, 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)의 탈수소화 반응을 진행하는 단계를 포함하는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법.
The catalyst composition according to claim 9, comprising the step of conducting a dehydrogenation reaction of an alkane having 2 to 6 carbon atoms by contacting an alkane having 2 to 6 carbon atoms. A method for producing an alkene of to 6.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)은, 프로페인(propane), 부테인(butane), 펜탄(pentane), 및 헥세인(hexane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고;
상기 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)은 프로펜(propene), 부텐(butane), 펜텐(pentene), 및 헥센(hexane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법.
The method of claim 11 or 12,
Alkane having 2 to 6 carbon atoms is at least one selected from the group consisting of propane, butane, pentane, and hexane;
The alkene having 2 to 6 carbon atoms is at least one selected from the group consisting of propene, butane, pentene, and hexene, alkenes having 2 to 6 carbon atoms ( alkene).
제11항 또는 제12항에 있어서,
활성 기체를 이용하여, 상기 촉매를 활성화시키는 단계; 및
활성화된 촉매와 탄소 수 2 내지 6인 알케인(alkane)을 접촉시키는 단계를 포함하는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법.
The method of claim 11 or 12,
Activating the catalyst using an active gas; And
A method for producing an alkene having 2 to 6 carbons, comprising the step of contacting an activated catalyst with an alkane having 2 to 6 carbons.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 탈수소화 반응은, 300 내지 800 ℃에서 진행되는, 탄소 수 2 내지 6인 알켄(alkene)의 제조 방법.
The method of claim 11 or 12,
The dehydrogenation reaction is carried out at 300 to 800 °C, a method for producing an alkene having 2 to 6 carbon atoms.
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