KR20210058578A - Catalyst for CO2 hydrogenation to produce hydrocarbon compounds and preparation method thereof - Google Patents
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- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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Abstract
Description
본 발명은 이산화탄소의 수소화반응을 매개하여 탄화수소화합물을 제조할 수 있는 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수소가 흐르는 조건 하에서 이산화탄소를 수소화반응시켜 탄소 개수가 1개 이상인 탄화수소화합물을 제조할 수 있는 이산화탄소환원촉매, 상기 환원촉매 제조방법 및 상기 환원촉매를 이용한 탄화수소화합물 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technology capable of producing a hydrocarbon compound by mediating a hydrogenation reaction of carbon dioxide, and more specifically, a carbon dioxide capable of producing a hydrocarbon compound having one or more carbons by hydrogenating carbon dioxide under conditions of flowing hydrogen. It relates to a reduction catalyst, a method for preparing the reduction catalyst, and a method for preparing a hydrocarbon compound using the reduction catalyst.
이산화탄소는 대표적인 지구 온난화 기체로서 대기 중 농도 감축이 절실한 기체이다. 그에 따른 노력으로 이산화탄소의 포집, 활용 그리고 저장(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이산화탄소는 탄소에 두 개의 산소가 각각 이중결합을 가지고 결합된 분자로, 열역학적으로 안정하고 화학적으로 반응성이 낮아 전환 반응을 위해선 많은 양의 에너지 공급이 필요하다. 따라서 열역학적 한계를 넘어 이산화탄소의 전환율을 높이기 위한 촉매의 개발이 필수적이다. Carbon dioxide, as a representative global warming gas, is a gas that desperately needs to reduce its concentration in the atmosphere. As a result of the efforts, research for carbon capture, utilization and storage (CCUS) is being actively conducted. Carbon dioxide is a molecule in which two oxygens are bonded to carbon each with a double bond, and it is thermodynamically stable and chemically inactive, so it requires a large amount of energy to be supplied for the conversion reaction. Therefore, it is essential to develop a catalyst to increase the conversion rate of carbon dioxide beyond the thermodynamic limit.
이산화탄소의 전환 반응으로 역수성 가스 변화(Reverse Water-Gas Shift, RWGS) 반응이 알려져 있고 위 반응을 통해 이산화탄소는 수소와 반응하여 일산화탄소와 물로 전환될 수 있다. 역수성 가스 변화 반응은 흡열반응(ΔH = +9 kcal/mol)으로서 고온의 반응 조건(일반적으로 300℃ 이상)이 요구된다. 역수성 가스 변화 반응의 생성물인 일산화탄소는 이산화탄소에 비해 반응성이 커 다른 물질로 전환이 용이하며 대표적으로 연료, 정제 화학 물질 생산을 위한 Fischer-Tropsch 반응, 메탄올 합성 반응 그리고 메탄 합성 반응에 반응물로 이용될 수 있다. 위처럼 일산화탄소는 다른 물질로 전환이 용이하여 이산화탄소 전환 반응 생성물 중 가장 경제성 있는 물질로 보고되고 있다.As a conversion reaction of carbon dioxide, a reverse water-gas shift (RWGS) reaction is known, and through the above reaction, carbon dioxide can be converted into carbon monoxide and water by reacting with hydrogen. The reversible gas change reaction is an endothermic reaction (ΔH = +9 kcal/mol) and requires a high temperature reaction condition (generally 300°C or higher). Carbon monoxide, a product of the reversible gas change reaction, is more reactive than carbon dioxide, so it is easy to convert to other substances and is typically used as a reactant in the Fischer-Tropsch reaction for the production of fuels and refined chemicals, the methanol synthesis reaction and the methane synthesis reaction. I can. As described above, carbon monoxide is easily converted to other substances, and is thus reported as the most economical substance among carbon dioxide conversion reaction products.
1920년대 독일에서는 Franz Fischer와 Hans Tropsch가 Fischer-Tropsch (FT)반응을 통한 일산화탄소의 전환공정을 개발하였고, 이를 통해 가솔린 및 디젤로 활용이 가능한 탄화수소 연료를 생산하여 연료로 활용할 수 있었다. 1936년에 첫 가동된 FT 산업 공장은 1940년대 까지 석탄을 이용하여 연간 백만 톤 이상의 가솔린 및 디젤계열의 액체 연료를 생산하였다. FT 반응에 사용되는 유효한 금속으로는 Ni, Fe, Co, Ru이 있다. Ni은 메탄 선택성이 너무 커 문제가 되고, Ru는 값이 너무 비싸 주로 Fe와 Co 기반의 촉매가 FT 반응에 사용된다. Co 기반 촉매는 Fe 기반 촉매에 비해 200배 이상 고가인 단점이 있지만 높은 활성과 긴 수명 그리고 이산화탄소의 생성이 낮으면서 액체파라핀계 탄화수소의 생성 수율이 높은 장점이 있다. 이산화탄소가 다량 포함된 합성가스에서는 활성이 낮아지는 문제가 있다고 보고되고 고온에서는 메탄을 다량 생산하는 문제가 있어 저온 촉매로만 사용이 가능하다. 고가인 이유로 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 고표면적의 안정적인 지지체 위에 잘 분산시켜야 하며 소량의 Pt, Ru, Re 등의 귀금속 조촉매가 추가로 첨가된다. Fe 기반 촉매는 촉매의 값이 저렴하며 반응 온도가 Co에 비해 높아 활성이 높고 생성물이 옥탄가가 높은 올레핀 계열의 탄화수소 수율이 높다. FT 반응을 통하여 얻은 탄화수소는 황을 포함하지 않기 때문에 인체와 환경에 미치는 악영향이 적으면서 내연기관의 노킹현상을 줄일 수 있다.In Germany in the 1920s, Franz Fischer and Hans Tropsch developed a carbon monoxide conversion process through the Fischer-Tropsch (FT) reaction, and through this, hydrocarbon fuels that could be used as gasoline and diesel could be produced and used as fuel. The FT industrial plant, first operated in 1936, produced more than 1 million tonnes of gasoline and diesel liquid fuels per year using coal until the 1940s. Effective metals used in the FT reaction include Ni, Fe, Co, and Ru. Ni has too much methane selectivity, which is a problem, and Ru is too expensive, so Fe and Co-based catalysts are mainly used in the FT reaction. Co-based catalysts have a disadvantage that they are 200 times more expensive than Fe-based catalysts, but have the advantages of high activity, long life, low carbon dioxide production, and high yield of liquid paraffinic hydrocarbons. Syngas containing a large amount of carbon dioxide is reported to have a problem of lowering the activity, and there is a problem of producing a large amount of methane at high temperatures, so it can be used only as a low-temperature catalyst. Due to its high cost, it must be well dispersed on a stable support having a high surface area such as alumina, silica, and titania, and a small amount of noble metal cocatalyst such as Pt, Ru, and Re is additionally added. The Fe-based catalyst has a low catalyst price, a higher reaction temperature than Co, and has high activity and a high yield of olefin-based hydrocarbon products with a high octane number. Since the hydrocarbon obtained through the FT reaction does not contain sulfur, it is possible to reduce the knocking phenomenon of the internal combustion engine with little adverse effect on the human body and the environment.
따라서, 상술된 문제점이 해결된 새로운 이산화탄소 환원촉매가 개발될 필요가 있었다.Accordingly, there is a need to develop a new carbon dioxide reduction catalyst that solves the above-described problems.
본 발명자들은 다수의 연구결과 이산화탄소의 수소화반응시 촉매로 작용할 수 있는 메조기공을 갖는 스피넬구조의 금속산화물을 포함하는 이산화탄소 환원촉매를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다As a result of a number of studies, the present inventors completed the present invention by developing a carbon dioxide reduction catalyst containing a metal oxide of a spinel structure having mesopores that can act as a catalyst in the hydrogenation reaction of carbon dioxide.
따라서, 본 발명의 목적은 이산화탄소의 수소화반응에서 전환율을 높임은 물론 탄소 개수 두 개 이상의 산업적으로 활용가치가 높은 탄화수소화합물을 높은 선택성으로 생산할 수 있는 이산화탄소환원촉매 및 상기 환원촉매를 이용한 탄화수소화합물 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is a carbon dioxide reduction catalyst capable of increasing the conversion rate in the hydrogenation reaction of carbon dioxide, as well as producing a hydrocarbon compound having a high industrial use value of two or more carbons with high selectivity, and a method for producing a hydrocarbon compound using the reduction catalyst. Is to provide.
본 발명의 다른 목적은 매우 간단하며, 대량으로 한 번에 경제적으로 제조할 수 있어 산업적 활용 가치가 높은 이산화탄소 환원촉매 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a carbon dioxide reduction catalyst that is very simple and can be economically manufactured in large quantities at a time, and thus has a high industrial value.
본 발명의 또 다른 목적은 원유를 정제하여 탄화수소 기반 액체 연료 물질들을 생산할 때 필연적으로 발생하는 제거해야 할 불순물인 황, 금속 등을 전혀 포함하지 않고 이산화탄소 환원촉매를 이용하여 가솔린으로 활용할 수 있는 액체연료화합물인 탄화수소화합물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is a liquid fuel that does not contain any impurities to be removed, such as sulfur and metal, which are inevitably generated when producing hydrocarbon-based liquid fuel materials by refining crude oil, and can be utilized as gasoline using a carbon dioxide reduction catalyst. It is to provide a hydrocarbon compound as a compound and a method for producing the same.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and even if not explicitly mentioned, the object of the invention that one of ordinary skill in the art can recognize from the description of the detailed description of the invention to be described later may naturally be included. .
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 2가 금속 및 3가 금속으로 이루어진 골격을 갖고 2~ 50 nm 범위의 메조기공이 형성된 스피넬구조의 금속산화물;을 포함하는 이산화탄소 환원촉매를 제공한다. In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention provides a carbon dioxide reduction catalyst comprising a spinel structure metal oxide having a skeleton consisting of a divalent metal and a trivalent metal and having mesopores in the range of 2 to 50 nm. do.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스피넬구조의 금속산화물은 BET 비표면적이 50 ~ 200 m2/g이고, 상기 메조기공의 부피는 0.13 ~ 0.47 mL/g이다. In a preferred embodiment, the spinel-structured metal oxide has a BET specific surface area of 50 to 200 m 2 /g, and a volume of the mesopores of 0.13 to 0.47 mL/g.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 2가 금속은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 3가 금속은 알루미늄(Al), 스칸듐(Sc), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the divalent metal is selected from the group consisting of copper (Cu), zinc (Zn), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), manganese (Mn), and magnesium (Mg). And the trivalent metal is at least one selected from the group consisting of aluminum (Al), scandium (Sc), chromium (Cr), iron (Fe), and cobalt (Co).
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스피넬구조의 금속산화물은 구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4), 아연-알루미늄 스피넬(ZnAl2O4), 코발트-알루미늄 스피넬(CoAl2O4), 마그네슘-알루미늄 스피넬(MgAl2O4)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이다.In a preferred embodiment, the metal oxide of the spinel structure is copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ), zinc-aluminum spinel (ZnAl 2 O 4 ), cobalt-aluminum spinel (CoAl 2 O 4 ), magnesium-aluminum spinel It is any one selected from the group consisting of (MgAl 2 O 4 ).
바람직한 실시예에 있어서, 1가 금속 및 2가 금속 중 하나 이상이 상기 스피넬구조의 금속산화물에 형성된 메조기공에 담지되거나 상기 스피넬구조의 금속산화물 표면에 코팅되어 형성된 촉진층;을 더 포함한다. In a preferred embodiment, at least one of a monovalent metal and a divalent metal is supported on the mesopores formed in the spinel-structured metal oxide or is coated on the surface of the spinel-structured metal oxide to form an accelerating layer.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉진층에 포함되는 1가 금속은 전체 촉매 중량을 기준으로 0.5 내지 10중량%이고, 2가금속은 9 내지 50중량%이다.In a preferred embodiment, the monovalent metal contained in the promotion layer is 0.5 to 10% by weight, and the divalent metal is 9 to 50% by weight based on the total weight of the catalyst.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 1가 금속은 알칼리금속에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 2가 금속은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다.In a preferred embodiment, the monovalent metal is at least one selected from alkali metals, and the divalent metal is copper (Cu), zinc (Zn), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni). , Manganese (Mn), magnesium (Mg) is any one or more selected from the group consisting of.
또한, 본 발명은 2가 금속전구체 및 3가 금속전구체를 각각 용매에 용해시켜 분산시키는 단계; 3가 금속전구체 분산액에 2가 금속전구체 분산액을 서서히 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합분산액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하는 단계; 상기 혼합분산액에 포함된 용매를 제거하는 단계; 및 상기 용매가 제거된 후 남은 고체생성물을 소성처리하여 스피넬구조의 금속산화물을 얻는 단계; 를 포함하는 이산화탄소 환원촉매제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of dissolving and dispersing a divalent metal precursor and a trivalent metal precursor in a solvent, respectively; Gradually adding and mixing the divalent metal precursor dispersion to the trivalent metal precursor dispersion; Adjusting pH by adding a basic solution to the mixed dispersion; Removing the solvent contained in the mixed dispersion; And firing the solid product remaining after the solvent is removed to obtain a metal oxide having a spinel structure. It provides a carbon dioxide reduction catalyst manufacturing method comprising a.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 pH는 9 내지 10으로 조절된다. In a preferred embodiment, the pH is adjusted to 9 to 10.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 용매를 제거하는 단계는 상기 혼합분산액에서 용매를 여과하는 단계; 및 여과되고 남은 고체생성물을 건조시키는 단계;를 포함한다. In a preferred embodiment, the step of removing the solvent comprises filtering the solvent from the mixed dispersion; And drying the solid product remaining after filtering.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 소성처리는 700 내지 900℃에서 2 내지 6시간 동안 처리된다. In a preferred embodiment, the firing treatment is performed at 700 to 900°C for 2 to 6 hours.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스피넬구조의 금속산화물에 촉진층을 형성하는 단계;를 더 포함한다. In a preferred embodiment, the step of forming an accelerating layer on the spinel-structured metal oxide; further includes.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉진층을 형성하는 단계는 상기 스피넬 구조의 금속 산화물과, 상기 촉진층을 형성하는 1가금속전구체 및 2가금속전구체 중 하나 이상의 금속전구체를 용매에 용해시켜 분산시키는 단계; 상기 분산액에 포함된 용매를 제거하는 단계; 및 상기 용매가 제거된 후 남은 고체생성물을 소성처리 하는 단계;를 포함한다. In a preferred embodiment, the forming of the acceleration layer comprises dissolving and dispersing the metal oxide of the spinel structure and at least one metal precursor of the monovalent metal precursor and the divalent metal precursor forming the acceleration layer in a solvent. ; Removing the solvent contained in the dispersion; And calcining the remaining solid product after the solvent is removed.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 소성처리 하는 단계는 500 내지 600℃에서 2 내지 6시간 동안 처리된다.In a preferred embodiment, the firing is performed at 500 to 600° C. for 2 to 6 hours.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉진층에 포함되는 1가금속은 전체 촉매 중량을 기준으로 0.5 내지 10중량%이고, 2가금속은 9 내지 50중량%이다. In a preferred embodiment, the monovalent metal contained in the promotion layer is 0.5 to 10% by weight, and the divalent metal is 9 to 50% by weight based on the total weight of the catalyst.
또한, 본 발명은 연속 흐름 고정층 반응기에서 상술된 어느 하나의 이산화탄소 환원촉매 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 이산화탄소 환원촉매를 전처리하는 단계; 상기 전처리 후 상기 반응기로 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 주입하여 일정압력을 유지하도록 조절하는 단계; 상기 일정압력으로 조절된 반응기의 온도를 일정 온도로 조절하는 단계; 및 상기 일정압력 및 일정온도로 조절된 반응기로 상기 혼합가스를 일정유속으로 흘려주어 이산화탄소의 수소화반응을 유도하는 단계;를 포함하는 탄화수소화합물 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of pre-treating any one of the above-described carbon dioxide reduction catalyst or the carbon dioxide reduction catalyst prepared by any one of the above-described manufacturing methods in a continuous flow fixed bed reactor; Adjusting to maintain a constant pressure by injecting a mixed gas including carbon dioxide and hydrogen into the reactor after the pretreatment; Adjusting the temperature of the reactor controlled by the constant pressure to a constant temperature; And inducing a hydrogenation reaction of carbon dioxide by flowing the mixed gas at a constant flow rate to a reactor controlled at a constant pressure and a constant temperature.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 일정압력은 20bar이상이고 일정온도는 250 내지 500℃이다. In a preferred embodiment, the constant pressure is 20 bar or more and the constant temperature is 250 to 500°C.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 혼합가스에 포함된 이산화탄소 및 수소의 부피비는 1:2 내지 1:5이다.In a preferred embodiment, the volume ratio of carbon dioxide and hydrogen contained in the mixed gas is 1:2 to 1:5.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 혼합가스는 비활성기체를 상기 이산화탄소의 함량 미만으로 더 포함한다. In a preferred embodiment, the mixed gas further contains an inert gas less than the amount of carbon dioxide.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄화수소화합물은 탄소 수가 1 ~ 20개인 화합물을 포함한다. In a preferred embodiment, the hydrocarbon compound includes a compound having 1 to 20 carbon atoms.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 환원촉매가 구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 칼륨(K) 및 철(Fe)을 포함하는 촉진층이 형성된 경우, 상기 혼합가스에 포함된 이산화탄소의 수소화반응을 통한 전환율은 40% 이상이고, 탄소 수 2개 이상 탄화수소화합물의 선택성은 30% 이상이다. In a preferred embodiment, when the carbon dioxide reduction catalyst is a copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ) in which an accelerating layer containing potassium (K) and iron (Fe) is formed, the hydrogenation reaction of carbon dioxide contained in the mixed gas The conversion rate through is 40% or more, and the selectivity of a hydrocarbon compound having 2 or more carbon atoms is 30% or more.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 환원촉매에 포함된 칼륨(K) 및 철(Fe)의 함량을 조절하여 생성되는 탄화수소화합물의 물리화학적 특성을 제어할 수 있다. In a preferred embodiment, the physicochemical properties of the produced hydrocarbon compound may be controlled by adjusting the content of potassium (K) and iron (Fe) included in the carbon dioxide reduction catalyst.
또한, 본 발명은 상술된 제조방법으로 얻어진 것을 특징으로 하는 탄화수소화합물을 제공한다.In addition, the present invention provides a hydrocarbon compound, characterized in that obtained by the above-described production method.
상술된 본 발명의 이산화탄소환원촉매 및 상기 환원촉매를 이용한 탄화수소화합물 제조방법에 의하면 이산화탄소의 수소화반응에서 전환율을 높임은 물론 탄소 개수 두 개 이상의 산업적으로 활용가치가 높은 탄화수소화합물을 높은 선택성으로 생산할 수 있다.According to the above-described carbon dioxide reduction catalyst of the present invention and the method for producing a hydrocarbon compound using the reduction catalyst, it is possible to increase the conversion rate in the hydrogenation reaction of carbon dioxide, as well as to produce a hydrocarbon compound having a high industrial utility value of two or more carbons with high selectivity. .
또한, 본 발명의 이산화탄소 환원촉매 제조방법에 의하면 매우 간단하며, 대량으로 한 번에 경제적으로 제조할 수 있어 산업적 활용 가치가 높다.In addition, according to the method of manufacturing a carbon dioxide reduction catalyst of the present invention, it is very simple and can be economically manufactured in a large amount at a time, so that the industrial application value is high.
또한, 본 발명의 탄화수소화합물 및 그 제조방법에 의하면 원유를 정제하여 탄화수소 기반 액체 연료 물질들을 생산할 때 필연적으로 발생하는 제거해야 할 불순물인 황, 금속 등을 전혀 포함하지 않고 이산화탄소 환원촉매를 이용하여 가솔린으로 활용할 수 있는 액체연료화합물을 제공할 수 있다. In addition, according to the hydrocarbon compound and its manufacturing method of the present invention, gasoline using a carbon dioxide reduction catalyst does not contain any impurities to be removed, such as sulfur or metal, which are inevitably generated when crude oil is purified to produce hydrocarbon-based liquid fuel materials. It can provide liquid fuel compounds that can be used as.
본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited only to the ranges mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effects of the invention that can be recognized by those of ordinary skill in the art from the description of specific details for the implementation of the invention described later are also Of course it is included.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매들과 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)의 X-선 회절 패턴 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매들과 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)의 질소 흡착 등온선이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매들과 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)을 BJH(Barrett-Joyner -Halenda)분석법을 이용하여 기공의 크기를 나타낸 분산도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매들과 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)의 이산화탄소를 활용한 승온 탈착법을 이용하여 스피넬 구조의 표면 염기도를 측정한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매들과 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)의 전자투과 현미경의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매의 X선 회절 패턴을 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매들과 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)을 이산화탄소의 수소화 전환반응에 촉매로 사용하여 반응을 보낸 후 기체 크로마토그래피를 이용하여 분석한 결과이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매를 활용한 이산화탄소의 가솔린 계열 탄화수소로의 촉매적 전환 반응 후 불꽃이온화 검출기가 장착된 기체 크로마토그래피의 분석 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매 중 구리-알루미늄 스피넬과 구리-알루미늄 스피넬에 철을 다양한 함량으로 담지시킨 촉매들의 이산화탄소의 수소화 전환 반응 결과이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 합성된 이산화탄소 환원촉매 중 구리-알루미늄 스피넬에 철과 칼륨을 다양한 함량으로 담지시킨 촉매들의 이산화탄소의 수소화 전환 반응 결과이다. 1 is an X-ray diffraction pattern result of commercially available magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) with carbon dioxide reduction catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention.
2 is a nitrogen adsorption isotherm of the carbon dioxide reduction catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ).
Figure 3 is a dispersion diagram showing the size of pores using the BJH (Barrett-Joyner-Halenda) analysis method of carbon dioxide reduction catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4) to be.
Figure 4 is a result of measuring the surface basicity of the spinel structure using carbon dioxide reduction catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention and a temperature-raising desorption method using carbon dioxide of commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4) to be.
5 is an electron transmission microscope image of a carbon dioxide reduction catalyst synthesized according to an embodiment of the present invention and a commercially available magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ).
6 is a result of analyzing an X-ray diffraction pattern of a carbon dioxide reduction catalyst synthesized according to another embodiment of the present invention.
Figure 7 is a reaction using a carbon dioxide reduction catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) as a catalyst for the hydrogenation conversion reaction of carbon dioxide, and then gas chromatography is used. This is the result of analysis.
8 is an analysis result of gas chromatography equipped with a flame ionization detector after a catalytic conversion reaction of carbon dioxide to gasoline-based hydrocarbons using a carbon dioxide reduction catalyst synthesized according to another embodiment of the present invention.
9 is a result of hydrogenation conversion reaction of carbon dioxide of catalysts in which iron is supported in various amounts on a copper-aluminum spinel and a copper-aluminum spinel among carbon dioxide reduction catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention.
10 is a result of hydrogenation conversion reaction of carbon dioxide of catalysts in which iron and potassium are supported in various amounts on copper-aluminum spinel among carbon dioxide reduction catalysts synthesized according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the description of the invention, but one or more other It is to be understood that it does not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various constituent elements, but the constituent elements should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present invention. Does not.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.In interpreting the constituent elements, it is interpreted as including an error range even if there is no explicit description. In particular, when the terms "about", "substantially" and the like of degree are used, it may be interpreted as being used in or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances specific to the stated meaning are presented. .
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example,'after','following','after','before', etc., when a temporal predecessor relationship is described,'right' or'direct' This includes cases that are not continuous unless this is used.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein, and the same reference numerals denote the same components in different forms.
본 발명의 기술적 특징은 이산화탄소의 수소화반응시 촉매로 작용할 수 있어 이산화탄소의 수소화반응에서 전환율을 높임은 물론 탄소 개수 두 개 이상의 산업적으로 활용가치가 높은 탄화수소화합물을 높은 선택성으로 생산할 수 있는 메조기공을 갖는 스피넬구조의 금속산화물을 포함하는 이산화탄소 환원촉매, 그 제조방법 및 상기 환원촉매를 이용한 탄화수소화합물 제조방법에 있다. The technical feature of the present invention is that it has mesopores that can act as a catalyst during the hydrogenation reaction of carbon dioxide, thereby increasing the conversion rate in the hydrogenation reaction of carbon dioxide, as well as producing a hydrocarbon compound having a high industrial use value of two or more carbons with high selectivity. The present invention relates to a carbon dioxide reduction catalyst including a spinel structure metal oxide, a method for producing the same, and a method for producing a hydrocarbon compound using the reduction catalyst.
즉, 스피넬(Spinel)은 AB2O4의 화학식을 가지는 결정성 금속 산화물이며, A는 IIA족 금속이나 +2 산화 상태에 있는 전이 금속이며 B는 IIIA족 금속이나 +3 산화 상태에 있는 전이 금속인데, 결정을 이루는 원소에 따라 정전기적, 자기적과 같은 물리ㅇ화학적 성질이 달라지며 대부분 결정의 표면에서 염기적 성질을 띠는 것으로 알려져 있으며, 조밀 쌓임 입방격자(CCP)를 형성하는 결정성 무기물의 한 종류로서 열역학적, 구조적 안정성이 뛰어나며 산, 염기에 안정한 특징이 있지만, 이산화탄소의 수소화반응을 매개하는 이산화탄소의 환원촉매로 사용된 바와 없기 때문이다. 특히, 공지된 스피넬구조의 금속산화물과는 달리 본 발명의 이산화탄소 환원촉매에 포함된 스피넬구조의 금속산화물은 그 내부에 메조기공을 형성하는 등 표면적을 현저하게 넓힘으로써 우수한 촉매활성을 나타낼 수 있기 때문이다. That is, Spinel is a crystalline metal oxide having the formula of AB 2 O 4 , A is a group IIA metal or a transition metal in a +2 oxidation state, and B is a group IIIA metal or a transition metal in a +3 oxidation state. However, physicochemical properties such as electrostatic and magnetic are different depending on the elements that make up the crystal, and it is known to have basic properties on the surface of most crystals, and it is a crystalline inorganic substance that forms a densely stacked cubic lattice (CCP). As one type, it has excellent thermodynamic and structural stability and is stable to acids and bases, but it is not used as a catalyst for reducing carbon dioxide that mediates the hydrogenation reaction of carbon dioxide. In particular, unlike the known spinel-structured metal oxide, the spinel-structured metal oxide contained in the carbon dioxide reduction catalyst of the present invention can exhibit excellent catalytic activity by remarkably widening the surface area such as forming mesopores therein. to be.
따라서, 본 발명의 이산화탄소 환원촉매는 2가 금속 및 3가 금속으로 이루어진 골격을 갖고 2~ 50 nm 범위의 메조기공이 형성된 스피넬구조의 금속산화물;을 포함한다.Accordingly, the carbon dioxide reduction catalyst of the present invention includes a metal oxide having a spinel structure having a skeleton composed of a divalent metal and a trivalent metal and having mesopores in the range of 2 to 50 nm.
여기서, 2가금속은 +2 산화 상태에 있는 금속이기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 3가금속 또한 +3 산화 상태에 있는 금속이기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 알루미늄(Al), 스칸듐(Sc), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이상일 수 있다. Here, the divalent metal is not limited as long as it is a metal in the +2 oxidation state, but as an embodiment, copper (Cu), zinc (Zn), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), manganese ( It may be at least one selected from the group consisting of Mn) and magnesium (Mg). The trivalent metal is also not limited as long as it is a metal in the +3 oxidation state, but as an embodiment, it is selected from the group consisting of aluminum (Al), scandium (Sc), chromium (Cr), iron (Fe), and cobalt (Co). It can be any one or more.
일 구현예로서 본 발명의 이산화탄소 환원촉매에 포함된 스피넬구조의 금속산화물은 구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4), 아연-알루미늄 스피넬(ZnAl2O4), 코발트-알루미늄 스피넬(CoAl2O4), 마그네슘-알루미늄 스피넬(MgAl2O4)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있을 것이다. As an embodiment, the metal oxide of the spinel structure included in the carbon dioxide reduction catalyst of the present invention is copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ), zinc-aluminum spinel (ZnAl 2 O 4 ), cobalt-aluminum spinel (CoAl 2 O 4 ). ), magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) It may be any one selected from the group consisting of.
본 발명의 이산화탄소 환원촉매에 포함된 스피넬구조의 금속산화물은 BET 비표면적이 50 ~ 200 m2/g이고, 메조기공의 부피는 0.13 ~ 0.47 mL/g로서 표면적을 현저하게 넓으므로 우수한 촉매활성을 나타낼 수 있다.The spinel-structured metal oxide contained in the carbon dioxide reduction catalyst of the present invention has a BET specific surface area of 50 ~ 200 m 2 /g, and the volume of mesopores is 0.13 ~ 0.47 mL/g. Can be indicated.
다른 구현예로서, 본 발명의 이산화탄소 환원촉매는 2가 금속 및 3가 금속으로 이루어진 골격을 갖고 2 ~ 50 nm 범위의 메조기공이 형성된 스피넬구조의 금속산화물; 및 1가 금속 및 2가 금속 중 하나 이상이 상기 스피넬구조의 금속산화물에 형성된 메조기공에 담지되거나 상기 스피넬구조의 금속산화물 표면에 코팅되어 형성된 촉진층;을 포함하는 구조를 가질 수 있다.In another embodiment, the carbon dioxide reduction catalyst of the present invention includes a metal oxide having a spinel structure having a skeleton consisting of a divalent metal and a trivalent metal and having mesopores in the range of 2 to 50 nm; And an accelerating layer formed by at least one of a monovalent metal and a divalent metal being supported on mesopores formed in the metal oxide of the spinel structure or coated on the surface of the metal oxide of the spinel structure.
이 경우, 1가 금속은 알칼리금속에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 2가 금속은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있는데, 일 구현예로서 촉진층에 포함되는 1가금속은 전체 촉매 중량을 기준으로 0.5 내지 10중량%이고, 2가금속은 9 내지 50중량%일 수 있다. 촉진층에 포함된 1가 금속과 2가 금속의 함량은 실험적으로 결정된 것으로 이산화탄소의 수소화반응시 이산화탄소의 전환율을 높이거나 고분자량의 탄화수소화합물에 대한 고 선택성을 갖도록 결정된 것이다.In this case, the monovalent metal is at least one selected from alkali metals, and the divalent metal is copper (Cu), zinc (Zn), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), manganese (Mn). , Magnesium (Mg) may be any one or more selected from the group consisting of, as an embodiment, the monovalent metal contained in the promotion layer is 0.5 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst, and the divalent metal is 9 to 50 It may be weight percent. The contents of the monovalent metal and the divalent metal included in the facilitation layer were determined experimentally, and were determined to increase the conversion rate of carbon dioxide during hydrogenation of carbon dioxide or to have high selectivity for high molecular weight hydrocarbon compounds.
다음으로, 본 발명의 이산화탄소 환원촉매제조방법은 2가 금속전구체 및 3가 금속전구체를 각각 용매에 용해시켜 분산시키는 단계; 3가 금속전구체 분산액에 2가 금속전구체 분산액을 서서히 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합분산액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하는 단계; 상기 혼합분산액에 포함된 용매를 제거하는 단계; 및 상기 용매가 제거된 후 남은 고체생성물을 소성처리하여 스피넬구조의 금속산화물을 얻는 단계; 를 포함한다. 필요한 경우 상기 스피넬구조의 금속산화물에 촉진층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.Next, the carbon dioxide reduction catalyst manufacturing method of the present invention comprises the steps of dissolving and dispersing a divalent metal precursor and a trivalent metal precursor in a solvent, respectively; Gradually adding and mixing the divalent metal precursor dispersion to the trivalent metal precursor dispersion; Adjusting pH by adding a basic solution to the mixed dispersion; Removing the solvent contained in the mixed dispersion; And firing the solid product remaining after the solvent is removed to obtain a metal oxide having a spinel structure. Includes. If necessary, forming an accelerating layer on the metal oxide of the spinel structure; may further include.
여기서, 2가금속전구체 및 3가금속전구체를 분산시키기 위해 사용되는 용매는 물이나 알코올류(에탄올, 이소프로판올 등)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. pH를 조절하는 단계는 혼합분산액을 약 염기성 환경으로 조성하기 위해 pH 9 내지 10으로 조절하여 수행되는데, 이와 같이 pH가 조절되어야 2가금속전구체와 3가금속전구체가 결합을 이루며 스피넬 구조를 잘 형성할 수 있게 하는 효과가 있기 때문이다. 상기 용매를 제거하는 단계는 혼합분산액에서 용매를 여과하는 단계; 및 여과되고 남은 고체생성물을 건조시키는 단계;를 포함하는데, 건조시키는 단계는 80℃ 이상으로 열을 가하여 수행할 수 있다. 소성처리는 700 내지 900℃에서 2 내지 6시간 동안 처리되는데, 이와 같은 반응조건은 스피넬구조의 금속산화물이 잘 형성되는 조건을 실험적으로 찾아서 결정된 것이다.Here, the solvent used to disperse the divalent metal precursor and the trivalent metal precursor may be any one or more selected from the group consisting of water or alcohols (ethanol, isopropanol, etc.). The step of adjusting the pH is carried out by adjusting the pH to 9 to 10 in order to make the mixed dispersion in a weakly basic environment.When the pH is adjusted in this way, the divalent metal precursor and the trivalent metal precursor are bonded to form a spinel structure. Because it has the effect of enabling you to do it. Removing the solvent may include filtering the solvent in the mixed dispersion; And drying the solid product remaining after filtering; the drying step may be performed by applying heat to 80° C. or higher. The sintering treatment is carried out at 700 to 900°C for 2 to 6 hours, and such reaction conditions are determined by experimentally finding the conditions under which the spinel structure metal oxide is well formed.
촉진층을 형성하는 단계는 스피넬 구조의 금속 산화물과, 촉진층을 형성하는 1가금속전구체 및 2가금속전구체 중 하나 이상의 금속전구체를 용매에 용해시켜 분산시키는 단계; 분산액에 포함된 용매를 제거하는 단계; 및 용매가 제거된 후 남은 고체생성물을 소성처리 하는 단계;를 포함한다. 여기서, 소성처리 하는 단계는 500 내지 600℃에서 2 내지 6시간 동안 처리되어 수행되는데, 이미 스피넬구조가 형성되어 있기 때문에 더 낮은 온도에서 수행되어도 적절한 구조의 이산화탄소 환원촉매를 얻을 수 있다.The forming of the promoting layer may include dissolving and dispersing a metal oxide having a spinel structure and at least one metal precursor of a monovalent metal precursor and a divalent metal precursor forming the acceleration layer in a solvent; Removing the solvent contained in the dispersion; And calcining the remaining solid product after the solvent is removed. Here, the sintering treatment is performed at 500 to 600° C. for 2 to 6 hours. Since the spinel structure is already formed, a carbon dioxide reduction catalyst having an appropriate structure can be obtained even if it is performed at a lower temperature.
다음으로, 본 발명의 탄화수소화합물 제조방법은 연속 흐름 고정층 반응기에서 상술된 어느 하나의 이산화탄소 환원촉매 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 이산화탄소 환원촉매를 전처리하는 단계; 상기 전처리 후 상기 반응기로 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 주입하여 일정압력을 유지하도록 조절하는 단계; 상기 일정압력으로 조절된 반응기의 온도를 일정온도로 조절하는 단계; 및 상기 일정압력 및 일정온도로 조절된 반응기로 상기 혼합가스를 일정유속으로 흘려주어 이산화탄소의 수소화반응을 유도하는 단계;를 포함한다. Next, the method for producing a hydrocarbon compound of the present invention comprises the steps of pre-treating any one of the above-described carbon dioxide reduction catalysts or the above-described carbon dioxide reduction catalysts prepared by any one of the above-described production methods in a continuous flow fixed bed reactor; Adjusting to maintain a constant pressure by injecting a mixed gas including carbon dioxide and hydrogen into the reactor after the pretreatment; Adjusting the temperature of the reactor controlled by the constant pressure to a constant temperature; And inducing a hydrogenation reaction of carbon dioxide by flowing the mixed gas at a constant flow rate to the reactor controlled at the constant pressure and the constant temperature.
여기서, 일정압력은 20bar이상이고, 일정온도는 250 내지 500℃일수 있는데, 반응조건 범위를 벗어나게 되면 이산화탄소의 전환율 및 고분자량의 탄화수소화합물에 대한 선택성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 혼합가스에 포함된 이산화탄소 및 수소의 부피비는 1:2 내지 1:5일 수 있는데, 1:2 미만이면 이산화탄소의 전환율이 낮아지며, 1:5를 초과하게 되면 고분자량의 탄화수소화합물에 대한 선택성이 낮아지기 때문이다. 필요한 경우, 혼합가스는 비활성기체를 이산화탄소의 함량 미만으로 더 포함할 수 있는데, 비활성기체는 헬륨, 아르곤 등 비활성기체라면 제한되지 않는다.Here, the constant pressure may be 20 bar or more, and the constant temperature may be 250 to 500°C. When the reaction conditions are out of range, there is a problem in that the conversion rate of carbon dioxide and the selectivity to the high molecular weight hydrocarbon compound are deteriorated. In addition, the volume ratio of carbon dioxide and hydrogen contained in the mixed gas may be 1:2 to 1:5, and if it is less than 1:2, the conversion rate of carbon dioxide is lowered, and if it exceeds 1:5, the selectivity for high molecular weight hydrocarbon compounds This is because it becomes lower. If necessary, the mixed gas may further contain an inert gas less than the content of carbon dioxide, and the inert gas is not limited as long as it is an inert gas such as helium or argon.
또한, 본 발명의 탄화수소화합물 제조방법에서 이산화탄소 환원촉매에 포함된 칼륨(K) 및 철(Fe)의 함량을 조절하여 생성되는 탄화수소화합물의 물리화학적 특성을 제어할 수 있는데, 일 구현예로서 이산화탄소 환원촉매가 구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 칼륨(K) 및 철(Fe)을 포함하는 촉진층이 형성된 경우, 혼합가스에 포함된 이산화탄소의 수소화반응을 통한 전환율은 40% 이상이고, 탄소 수 2개 이상 탄화수소화합물의 선택성은 30% 이상일 수 있다. In addition, in the method for producing a hydrocarbon compound of the present invention, the physicochemical properties of the produced hydrocarbon compound can be controlled by adjusting the content of potassium (K) and iron (Fe) contained in the carbon dioxide reduction catalyst. When the catalyst is a copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ) in which a promoting layer containing potassium (K) and iron (Fe) is formed, the conversion rate through hydrogenation of carbon dioxide contained in the mixed gas is 40% or more, and carbon The selectivity of two or more hydrocarbon compounds may be 30% or more.
다음으로, 본 발명의 탄화수소화합물은 상술된 제조방법으로 이산화탄소 환원촉매를 이용하여 제조된 것으로, 탄소 수가 1 ~ 20개인 화합물을 포함하는데, 즉 천연가스연료로 활용할 수 있는 메탄은 물론 탄소 개수 두 개 이상의 산업적으로 활용가치가 높은 탄화수소화합물을 포함할 수 있다. 특히, 탄소 개수 5개 이상의 탄화수소화합물들은 가솔린으로 활용할 수 있는 액체연료화합물로서 이산화탄소로부터 석유대체연료물질을 얻어낼 수 있다는 측면에서 가치가 매우 높은데, 본 발명의 제조방법으로 얻어진 탄소 개수 5개 이상의 탄화수소화합물들은 원유를 정제하여 탄화수소 기반 액체 연료 물질들을 생산할 시 제거해야 할 불순물인 황, 금속 등을 전혀 포함하지 않으므로 별도의 불순물 정제공정이 필요없어 생성물의 경제적 가치가 우수하다.Next, the hydrocarbon compound of the present invention is prepared using a carbon dioxide reduction catalyst by the above-described manufacturing method, and includes a compound having 1 to 20 carbons, that is, methane that can be used as a natural gas fuel as well as two carbons. It may contain hydrocarbon compounds with high industrial value. In particular, hydrocarbon compounds having 5 or more carbons are liquid fuel compounds that can be used as gasoline and are of very high value in that they can obtain petroleum substitute fuels from carbon dioxide. Since the compounds do not contain any impurities, such as sulfur or metal, which must be removed when producing hydrocarbon-based liquid fuel materials by refining crude oil, there is no need for a separate impurity refining process, and the product has excellent economic value.
실시예 1Example 1
1. 금속전구체를 용매에 용해시켜 분산시키는 단계1. Dissolving and dispersing a metal precursor in a solvent
이소프로필 알코올 80g과 0.06mol (12.255g)의 알루미늄 이소프로폭시드를 250ml 둥근 바닥 2구 플라스크에 넣고 110℃에서 2시간 동안 교반하며 환류 시켜 투명한 용액이 된 3가금속전구체분산액을 얻었다. 또한, 10ml의 증류수와 질산구리ㅇ2.5수화물(Cu(NO3)2ㅇ2.5H2O) 0.03mol (6.977g)을 폴리프로필렌(PP) 병에 넣어 용해시켜서 2가금속전구체분산액을 얻었다.80 g of isopropyl alcohol and 0.06 mol (12.255 g) of aluminum isopropoxide were placed in a 250 ml round bottom two-necked flask, stirred at 110° C. for 2 hours, and refluxed to obtain a clear solution of a trivalent metal precursor dispersion. In addition, 10 ml of distilled water and copper nitrate ㅇ2.5 hydrate (Cu(NO 3 ) 2 ㅇ2.5H 2 O) 0.03 mol (6.977 g) were dissolved in a polypropylene (PP) bottle to obtain a divalent metal precursor dispersion.
2. 혼합하는 단계2. Mixing step
3가금속전구체분산액에 2가금속전구체분산액을 천천히 첨가하는데, 주사기를 이용하였다. 혼합하는 단계에서 혼합분산액이 굳지 않도록 강하게 교반(1000 rpm)하며 3시간 동안 환류 시켰다. The divalent metal precursor dispersion was slowly added to the trivalent metal precursor dispersion, using a syringe. In the mixing step, the mixture was stirred vigorously (1000 rpm) so as not to harden and refluxed for 3 hours.
3. pH를 조절하는 단계3. Adjusting the pH
환류시킨 혼합분산액을 상온까지 식힌 후 암모니아수로 pH 9.5가 될 때까지 적정(약 13ml)한 후 3시간 동안 교반하였다. The refluxed mixed dispersion was cooled to room temperature, titrated (about 13 ml) with aqueous ammonia until the pH reached 9.5, and stirred for 3 hours.
4. 용매를 제거하는 단계4. Step of removing the solvent
얻어진 용액을 여과하고 여과후 수득한 고체생성물은 100℃에서 12시간 동안 건조시켰다. The obtained solution was filtered, and the solid product obtained after filtration was dried at 100° C. for 12 hours.
5. 소성처리하여 스피넬구조의 금속산화물을 얻는 단계5. Firing treatment to obtain spinel structure metal oxide
건조된 고체생성물을 800℃에서 4시간 동안 소성처리하여 이산화탄소환원촉매1[구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)]을 합성하였다. The dried solid product was calcined at 800° C. for 4 hours to synthesize a carbon dioxide reduction catalyst 1 [copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 )].
실시예 2Example 2
질산구리ㅇ2.5수화물(Cu(NO3)2ㅇ2.5H2O) 0.03mol 대신 질산아연ㅇ6수화물(Zn(NO3)2ㅇ6H2O) 0.03mol (8.92g)을 사용한 것을 제외하면, 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소환원촉매2[아연-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)]를 합성하였다. Except that 0.03 mol (8.92 g) of zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO 3 ) 2 ㅇ6H 2 O) was used instead of 0.03 mol of copper nitrate ㅇ2.5 hydrate (Cu(NO 3 ) 2 ㅇ2.5H 2 O), In the same manner as in Example 1, a carbon dioxide reduction catalyst 2 [zinc-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 )] was synthesized.
실시예 3Example 3
질산구리ㅇ2.5수화물(Cu(NO3)2ㅇ2.5H2O) 0.03mol 대신 질산코발트ㅇ6수화물(Co(NO3)2ㅇ6H2O) 0.03mol (8.73g)을 사용한 것을 제외하면, 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소환원촉매3[코발트-알루미늄 스피넬(CoAl2O4)]을 합성하였다.Except that 0.03 mol (8.73 g) of cobalt nitrate (Co(NO 3 ) 2 ㅇ6H 2 O) was used instead of 0.03 mol of copper nitrate ㅇ2.5 hydrate (Cu(NO 3 ) 2 ㅇ2.5H 2 O). In the same manner as in Example 1, a carbon dioxide reduction catalyst 3 [cobalt-aluminum spinel (CoAl 2 O 4 )] was synthesized.
실시예 4Example 4
질산구리ㅇ2.5수화물(Cu(NO3)2ㅇ2.5H2O) 0.03mol 대신 질산마그네슘ㅇ6수화물(Mg(NO3)2ㅇ6H2O) 0.03mol (7.69g)을 사용한 것을 제외하며, 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소환원촉매4[마그네슘-알루미늄 스피넬(MgAl2O4)]를 합성하였다. Copper nitrate ㅇ2.5 hydrate (Cu(NO 3 ) 2 ㅇ2.5H 2 O) instead of 0.03 mol, except that 0.03 mol (7.69 g) of magnesium nitrate hexa hydrate (Mg(NO 3 ) 2 ㅇ6H 2 O) was used. In the same manner as in Example 1, a carbon dioxide reduction catalyst 4 [magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 )] was synthesized.
실시예 5Example 5
1. 스피넬 구조의 금속 산화물, 1가금속전구체 및 2가금속전구체를 분산시키는 단계1. Dispersing a spinel structure metal oxide, a monovalent metal precursor, and a divalent metal precursor
100ml 둥근 바닥 플라스크에 증류수 30ml를 넣고 실시예 1에서 합성된 구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4) 1g, 질산철ㅇ9수화물(Fe(NO3)3ㅇ9H2O) 2.17g, 질산칼륨(KNO3) 0.26g을 첨가한 후 상온에서 1시간 정도 교반하였다.Put 30 ml of distilled water in a 100 ml round bottom flask, and the copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ) synthesized in Example 1 1 g, iron nitrate 9 hydrate (Fe(NO 3 ) 3 ㅇ9H 2 O) 2.17 g, potassium nitrate ( After adding KNO 3 ) 0.26g, the mixture was stirred at room temperature for about 1 hour.
2. 상기 분산액에 포함된 용매를 제거하는 단계2. Step of removing the solvent contained in the dispersion
교반 후 회전증발기를 이용하여 용매를 모두 날린 후 100℃ 오븐에서 12시간 동안 건조시켰다.After stirring, the solvent was blown away using a rotary evaporator, and dried in an oven at 100° C. for 12 hours.
3. 소성처리 하는 단계3. Steps to be plasticized
건조된 고체생성물을 550℃에서 4시간동안 소성처리하여 이산화탄소 환원촉매5[구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 22 wt% Fe, 7 wt% K로 구성된 촉진층이 형성된 촉매(22Fe7K/CuAl2O4)]를 합성하였다. The dried solid product was calcined at 550° C. for 4 hours to form a catalyst (22Fe7K/CuAl) with a promotion layer consisting of 22 wt% Fe and 7 wt% K in a carbon dioxide reduction catalyst 5 [copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ). 2 O 4 )] was synthesized.
실시예 6Example 6
촉진층을 형성하기 위해 질산칼륨(KNO3)을 0.26g이 아니라 0.1g 사용한 것을 제외하면, 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소 환원촉매6[구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 22 wt% Fe, 3 wt% K로 구성된 촉진층이 형성된 촉매(22Fe3K/CuAl2O4)]을 합성하였다. Except that potassium nitrate (KNO 3 ) was used in the same manner as in Example 5, except that 0.1 g of potassium nitrate (KNO 3) was used to form the promoting layer, the carbon dioxide reduction catalyst 6 [copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ) 22 A catalyst (22Fe3K/CuAl 2 O 4 ) on which an accelerating layer composed of wt% Fe and 3 wt% K was formed was synthesized.
실시예 7Example 7
촉진층을 형성하기 위해 질산칼륨(KNO3)을 0.26g이 아니라 0.026g 사용한 것을 제외하면, 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소 환원촉매7[구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 22 wt% Fe, 0.8 wt% K로 구성된 촉진층이 형성된 촉매(22Fe0.8K/CuAl2O4)]를 합성하였다. Except that potassium nitrate (KNO 3 ) was used in the same manner as in Example 5, except that 0.026 g of potassium nitrate (KNO 3) was used to form the promotion layer, the carbon dioxide reduction catalyst 7 [copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ) 22 A catalyst (22Fe0.8K/CuAl 2 O 4 ) on which an accelerating layer composed of wt% Fe and 0.8 wt% K was formed was synthesized.
실시예 8Example 8
촉진층을 형성하기 위해 질산철ㅇ9수화물(Fe(NO3)3ㅇ9H2O) 7.23g만을 사용하고, 질산칼륨(KNO3)을 사용하지 않은 것을 제외하면, 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소 환원촉매8[구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 50 wt% Fe로 구성된 촉진층이 형성된 촉매(50Fe/CuAl2O4)]를 합성하였다.The same method as in Example 5 was used, except that only 7.23 g of iron nitrate 9 hydrate (Fe(NO 3 ) 3 ㅇ9H 2 O) was used to form the promoting layer, and potassium nitrate (KNO 3) was not used. By performing a carbon dioxide reduction catalyst 8 [copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ), a catalyst (50Fe/CuAl 2 O 4 ) in which a promoting layer composed of 50 wt% Fe was formed] was synthesized.
실시예 9Example 9
촉진층을 형성하기 위해 질산칼륨(KNO3)이 사용되지 않은 것을 제외하면, 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소 환원촉매9[구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 22 wt% Fe로 구성된 촉진층이 형성된 촉매(22Fe/CuAl2O4)]를 합성하였다. Except that potassium nitrate (KNO 3 ) was not used to form the promoting layer, a carbon dioxide reduction catalyst 9 (copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ) in 22 wt% Fe was performed in the same manner as in Example 5), except that potassium nitrate (KNO 3) was not used. A catalyst (22Fe/CuAl 2 O 4 ) with a configured acceleration layer formed thereon was synthesized.
실시예 10Example 10
촉진층을 형성하기 위해 질산철ㅇ9수화물(Fe(NO3)3ㅇ9H2O) 0.72g을 사용하고, 질산칼륨(KNO3)이 사용되지 않은 것을 제외하면, 실시예 5와 동일한 방법을 수행하여 이산화탄소 환원촉매10[구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 9wt% Fe로 구성된 촉진층이 형성된 촉매(9Fe/CuAl2O4)]를 합성하였다.The same method as in Example 5 was used except that 0.72 g of iron nitrate 9 hydrate (Fe(NO 3 ) 3 ㅇ9H 2 O) was used to form the promoting layer, and potassium nitrate (KNO 3) was not used. By performing a carbon dioxide reduction catalyst 10 [copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ), a catalyst (9Fe/CuAl 2 O 4 ) in which an accelerating layer composed of 9wt% Fe was formed] was synthesized.
실험예 1Experimental Example 1
실시예 1 내지 실시예 4에서 얻어진 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4와 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)의 X-선 회절 패턴을 측정하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.X-ray diffraction patterns of the carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 obtained in Examples 1 to 4 and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) were measured, and the results are shown in FIG. 1.
도 1로부터, 본 발명의 실시예에서 얻어진 마그네슘-알루미늄 스피넬이 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬에 비해 피크의 폭이 더 넓은 것으로 보아 본 발명에서 합성된 마그네슘-알루미늄 스피넬이 나노결정성 구조로 합성됨을 알 수 있다.From FIG. 1, it can be seen that the magnesium-aluminum spinel synthesized in the present invention is synthesized in a nanocrystalline structure, as the magnesium-aluminum spinel obtained in the embodiment of the present invention has a wider peak width than that of the commercially available magnesium spinel. I can.
실험예 2Experimental Example 2
실시예 1 내지 실시예 4에서 얻어진 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4와 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)의 질소 흡착 등온선을 관찰하고 그 결과를 도 2에 나타내었다.The nitrogen adsorption isotherms of the carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 obtained in Examples 1 to 4 and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) were observed, and the results are shown in FIG. 2.
도 2에 도시된 바와 같이 분석 결과, 상대압력 0.4-0.9 구간에서 상승하는 개형을 보면, 본 발명에서 합성된 스피넬구조의 금속산화물이 메조 다공성 구조를 가지며 합성되었음을 알 수 있다. 특히, 마그네슘-알루미늄 스피넬은 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬에 비해 메조 기공 내부에 흡착된 질소의 양이 많았는데, 본 발명에서 합성된 마그네슘-알루미늄 스피넬의 BET 표면적과 기공의 부피가 상용 마그네슘 스피넬과 비교하면 약 3배에 해당함을 알 수 있다(199 vs 77 m2 g-1).As a result of the analysis as shown in FIG. 2, it can be seen that the spinel-structured metal oxide synthesized in the present invention has a mesoporous structure and is synthesized by looking at the remodeling that rises in the range of 0.4-0.9 relative pressure. In particular, magnesium-aluminum spinel had a higher amount of nitrogen adsorbed inside mesopores than commercially sold magnesium spinel, but the BET surface area and pore volume of the magnesium-aluminum spinel synthesized in the present invention were compared with commercial magnesium spinel. Then it can be seen that it is about 3 times (199 vs 77 m 2 g -1 ).
실험예 3Experimental Example 3
실시예 1 내지 실시예 4에서 얻어진 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4와 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)을 BJH(Barrett-Joyner-Halenda)분석법을 이용하여 기공의 크기를 분석하고 그 결과인 분산도를 도 3에 나타내었다.The carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 obtained in Examples 1 to 4 and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) were analyzed for pore size using BJH (Barrett-Joyner-Halenda) analysis, and the resultant The degree of dispersion is shown in FIG. 3.
도 3에 도시된 바와 같이, 분석 결과, 본 발명의 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4인 스피넬들은 평균 기공의 크기가 3.3~24.4nm에 해당함을 알 수 있다. 하지만 상용 마그네슘 스피넬은 거의 메조기공이 형성되지 않은 것을 알 수 있다.As shown in Figure 3, as a result of the analysis, it can be seen that the spinels, which are carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 of the present invention, have an average pore size of 3.3 to 24.4 nm. However, it can be seen that the commercial magnesium spinel has almost no mesopores.
실험예 4Experimental Example 4
실시예 1 내지 실시예 4에서 얻어진 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4와 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)을 대상으로 이산화탄소를 활용한 승온 탈착법을 이용하여 스피넬 구조의 표면 염기도를 측정하고 그 결과를 표 1 및 도 4에 나타내었다. The carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 obtained in Examples 1 to 4 and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) were subjected to an elevated temperature desorption method using carbon dioxide to measure the surface basicity of the spinel structure, and the The results are shown in Table 1 and FIG. 4.
도 4에 도시된 바와 같이, 분석 결과, 고온(800oC)에서 탈착되는 이산화탄소의 양이 가장 많은 구리-알루미늄 스피넬은 강한 염기성(123 mmol g-1)을 가지고 있어 이산화탄소와 상호작용이 큼을 알 수 있다.As shown in Figure 4, as a result of the analysis, it was found that the copper-aluminum spinel, which has the largest amount of carbon dioxide desorbed at high temperature (800 o C), has a strong basicity (123 mmol g -1 ), and thus interacts with carbon dioxide. I can.
또한, 표 1로부터 본 발명의 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4인 스피넬들은 모두 2 ~ 50 nm의 메조기공을 가지고 있으며, 이산화탄소 환원촉매 4 마그네슘 스피넬의 경우 상용의 마그네슘 스피넬(MgAl2O4(comm.))과 비교하여 표면적(SBET)이 3배 정도 크며(199 m2g-1 vs 77 m2g-1), 전체 기공의 부피 또한 2배 정도 큼(0.47 cm3g-1 vs 0.24 cm3g-1)을 확인할 수 있다. 전체 염기성점의 개수(BT)는 거의 유사함(138.3 mmol g-1 vs 165.0 mmol g-1)을 확인할 수 있으며, 대체로 이산화탄소 환원촉매 4 마그네슘스피넬의 경우 약한 염기성점(BW)을 가지고 있음을 알 수 있다(98.0 mmol g-1 vs 54.8 mmol g-1). 상대적으로 상용 마그네슘 스피넬의 경우 강한 염기성점(BS)을 더 많이 가지고 있다. In addition, from Table 1, the spinels, which are carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 of the present invention, all have mesopores of 2 to 50 nm, and in the case of the carbon dioxide reduction catalyst 4 magnesium spinel, a commercially available magnesium spinel (MgAl 2 O 4 (comm.) ), the surface area (S BET ) is 3 times larger (199 m 2 g -1 vs 77 m 2 g -1 ), and the total pore volume is also 2 times larger (0.47 cm 3 g -1 vs 0.24 cm 3) g -1 ) can be confirmed. The total number of basic points (B T ) is almost similar (138.3 mmol g -1 vs 165.0 mmol g -1 ) can be confirmed, and in general, it can be seen that the carbon dioxide reduction catalyst 4 magnesium spinel has a weak basic point (B W ) (98.0 mmol g -1 vs. 54.8 mmol g -1 ). Relatively, commercial magnesium spinel has more strong basic points (B S ).
실험예 5Experimental Example 5
실시예 1 내지 실시예 4에서 얻어진 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4와 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)을 전자투과 현미경으로 관찰하고 그 이미지를 도 5에 나타내었다. The carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 obtained in Examples 1 to 4 and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) were observed with an electron transmission microscope, and the images are shown in FIG. 5.
도 5에 도시된 바와 같이, 분석 결과, 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4인 스피넬들은 크기가 각각 다른 나노결정을 형성하고 있고 결정 사이에 메조 기공을 갖는 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 반면 상용 마그네슘 스피넬은 거의 메조기공이 형성되지 않은 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, as a result of the analysis, it can be seen that the spinels of carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 form nanocrystals of different sizes and have a structure having mesopores between the crystals. On the other hand, it can be seen that the commercial magnesium spinel has almost no mesopores.
실험예 6Experimental Example 6
실시예 1 내지 실시예 4에서 얻어진 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4와 상업적으로 판매되는 마그네슘 스피넬(MgAl2O4)을 전자투과 현미경으로 관찰하고 그 이미지를 도 5에 나타내었다. The carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 obtained in Examples 1 to 4 and commercially sold magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) were observed with an electron transmission microscope, and the images are shown in FIG. 5.
도 5에 도시된 바와 같이, 분석 결과, 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4인 스피넬들은 크기가 각각 다른 나노결정을 형성하고 있고 결정 사이에 메조 기공을 갖는 구조를 갖고 있음을 알 수 있다. 반면, 상용 마그네슘 스피넬은 거의 메조기공이 형성되지 않은 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, as a result of the analysis, it can be seen that the spinels of carbon dioxide reduction catalysts 1 to 4 form nanocrystals of different sizes and have a structure having mesopores between the crystals. On the other hand, it can be seen that the commercial magnesium spinel has almost no mesopores.
실험예 7Experimental Example 7
실시예 5 내지 실시예 10에서 얻어진 이산화탄소 환원촉매 5 내지 10과 이산화탄소 환원촉매1(CuAl2O4)을 X-선 회절 분석을 통해 분석하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. The carbon dioxide reduction catalysts 5 to 10 and the carbon dioxide reduction catalyst 1 (CuAl 2 O 4 ) obtained in Examples 5 to 10 were analyzed through X-ray diffraction analysis, and the results are shown in FIG. 6.
도 6에 도시된 바와 같이, 이산화탄소 환원촉매1(CuAl2O4)에 실시예 5 내지 실시예10을 통해 얻어낸 이산화탄소 환원촉매들은 구리-스피넬의 기본 골격 구조를 유지하고 있으며, 촉진층으로 첨가한 철의 양에 따라 X-선 회절 패턴에서 철의 구조를 파악할 수 있으며, 이와 더불어 칼륨을 촉진층으로 함께 첨가할 경우에도 칼륨의 중량에 따라 X-선 회절 패턴에 피크가 나타남을 확인할 수 있다. 6, the carbon dioxide reduction catalysts obtained through Examples 5 to 10 in the carbon dioxide reduction catalyst 1 (CuAl 2 O 4 ) maintain the basic skeleton structure of copper-spinel, and are added as an accelerating layer. Depending on the amount of iron, the structure of iron can be identified in the X-ray diffraction pattern. In addition, even when potassium is added together as an accelerating layer, it can be seen that a peak appears in the X-ray diffraction pattern according to the weight of potassium.
실시예 11Example 11
1. 이산화탄소 환원촉매를 전처리하는 단계 1. Pretreatment of the carbon dioxide reduction catalyst
연속 흐름 고정층 반응기에 유리솜을 깐 뒤 분말 형태의 이산화탄소 환원촉매1 0.5g과 해사 1g을 희석하여 넣고 상압에서 아르곤(50ml/min)과 수소(60ml/min)를 흘리며 400oC에서 4시간 동안 환원시켰다. After spreading glass wool in a continuous flow fixed bed reactor, 0.5 g of carbon dioxide reduction catalyst 1 in powder form and 1 g of sea sand are diluted and reduced at 400 o C for 4 hours while flowing argon (50 ml/min) and hydrogen (60 ml/min) at normal pressure. Made it.
2.일정압력을 유지하도록 조절하는 단계2. Step of adjusting to maintain a constant pressure
상온까지 냉각 시킨 후 이산화탄소 혼합 가스(CO2 21%, H2 63%, Ar 16%)를 채워서 압력을 20bar까지 조절하였다. After cooling to room temperature, a carbon dioxide mixed gas (21% CO 2 , 63% H 2 , 16% Ar) was filled and the pressure was adjusted to 20 bar.
3. 일정온도를 유지하도록 조절하는 단계3. Adjusting to maintain a constant temperature
일정압력을 갖도록 조절된 반응기의 온도를 특정 반응온도(300, 320, 350℃)까지 승온시켰다.The temperature of the reactor controlled to have a constant pressure was raised to a specific reaction temperature (300, 320, 350°C).
4. 이산화탄소의 수소화반응을 유도하는 단계4. Step of inducing hydrogenation of carbon dioxide
일정압력 및 일정온도를 갖도록 조절된 반응기로 혼합가스를 84ml/min의 유속으로 흘려주면서 이산화탄소의 수소화반응을 유도시켜 탄화수소화합물을 합성할 수 있다. Hydrocarbon compounds can be synthesized by inducing a hydrogenation reaction of carbon dioxide while flowing a mixed gas at a flow rate of 84 ml/min to a reactor controlled to have a constant pressure and a constant temperature.
실시예 12 내지 실시예 20Examples 12 to 20
이산화탄소 환원촉매1이 아니라 각각 이산화탄소 환원촉매2 내지 10을 사용한 것을 제외하면 실시예 11과 동일한 방법을 수행하여 탄화수소화합물을 제조하였다.A hydrocarbon compound was prepared in the same manner as in Example 11, except that carbon dioxide reduction catalysts 2 to 10 were used instead of carbon dioxide reduction catalyst 1, respectively.
실험예 8Experimental Example 8
실시예 11 내지 실시예 14에서 얻어진 기체 즉 탄화수소화합물을 불꽃이온화 검출기와 열전도도 검출기가 장착된 기체크로마토그래피에 연속적으로 흘려주며 분석하고 그 결과를 표 2 및 도 7에 나타내었다. 이때 기체 공간 속도(Gas Hourly Space Velocity, GHSV)는 10,080 (ml/g/h)이다. 도 7에서 상단은 촉매 반응 결과 이산화탄소의 전환율과 생성물에 대한 선택성을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이고, 하단은 상단의 그래프를 평균화하여 정리한 그래프이다. The gas obtained in Examples 11 to 14, i.e., a hydrocarbon compound, was continuously flowed through a gas chromatography equipped with a flame ionization detector and a thermal conductivity detector and analyzed, and the results are shown in Tables 2 and 7. At this time, the gas hourly space velocity (GHSV) is 10,080 (ml/g/h). In FIG. 7, the upper part is a graph showing the conversion rate of carbon dioxide and the selectivity to the product as a result of the catalytic reaction over time, and the lower part is a graph organized by averaging the upper graph.
표 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 반응 결과, 이산화탄소 환원촉매 1 내지 4는 대부분 주생성물로 일산화탄소를 보이며, 특히, 이산화탄소 환원촉매1인 구리-알루미늄 스피넬의 경우 일산화탄소의 선택성이 100%에 근접하며 전환율도 다른 스피넬에 비해 높음을 알 수 있다. 그러나 다른 스피넬들과는 다르게 코발트-알루미늄 스피넬의 경우 주생성물로 메탄이 나옴을 확인할 수 있다.As shown in Table 2 and FIG. 7, as a result of the reaction, the carbon monoxide reduction catalysts 1 to 4 mostly show carbon monoxide as the main product. It can be seen that the conversion rate is also higher than that of other spinels. However, unlike other spinels, in the case of cobalt-aluminum spinel, it can be confirmed that methane comes out as the main product.
실험예 9Experimental Example 9
실시예 15에서 얻어진 기체 즉 탄화수소화합물을 Agilent사의 GS-GASPRO 컬럼(30 m X 0.32 mm)과 Supelco Analytical사의 40/60 Carboxen-1000 금속 충전 컬럼 (5 ft X 1/8 in. X 2.1 mm)이 장착된 기체크로마토그래피에 주입시켜 분리해내고, 분리된 화합물들은 열전도도 검출기와 불꽃이온화 검출기를 활용하여 이산화탄소의 전환율과 생성물들의 선택성을 계산하였는데, 불꽃이온화 검출기가 장착된 기체크로마토그래피에 연속적으로 흘려주며 분석하고 그 결과를 도 8에 나타내었다.The gas obtained in Example 15, i.e., a hydrocarbon compound, was prepared by Agilent's GS-GASPRO column (30 m X 0.32 mm) and Supelco Analytical's 40/60 Carboxen-1000 metal packed column (5 ft X 1/8 in. X 2.1 mm). The separated compounds were separated by injection into the installed gas chromatography, and the separated compounds were calculated using the thermal conductivity detector and the flame ionization detector to calculate the conversion rate of carbon dioxide and the selectivity of the products. And analyzed and the results are shown in FIG. 8.
도 8로부터, 본 발명의 탄화수소화합물 제조방법에 의하면 이산화탄소와 수소로부터 이산화탄소 환원촉매를 이용하여 이산화탄소의 수소화반응을 통해 탄소 수가 가솔린 계열 탄화수소의 영역인 5개 이상, 많게는 20개 이상인 탄화수소화합물이 생성되는 것을 알 수 있다. From FIG. 8, according to the method for producing a hydrocarbon compound of the present invention, a hydrocarbon compound having 5 or more carbon atoms, which is a range of gasoline-based hydrocarbons, is generated through a hydrogenation reaction of carbon dioxide using a carbon dioxide reduction catalyst from carbon dioxide and hydrogen. Can be seen.
실험예 10Experimental Example 10
실시예11[이산화탄소 환원촉매 1(CuAl2O4)사용], 실시예 20[이산화탄소 환원촉매 10(9Fe/CuAl2O4)사용], 실시예 19[이산화탄소 환원촉매 9(22Fe/CuAl2O4)사용] 및 실시예 18[이산화탄소 환원촉매 8(50Fe/CuAl2O4)사용]에서 반응 후 얻어진 기체를 사용한 것을 제외하면 실험예 9와 동일한 방법으로 이산화탄소의 전환율과 생성물들의 선택성을 계산하고, 그 분석 결과를 표 3 및 도 9에 나타내었다. 도 9에서 상단은 촉매 반응 결과 이산화탄소의 전환율과 생성물에 대한 선택성을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이고, 하단은 상단의 그래프를 평균화하여 정리한 그래프이다. Example 11 [Use of carbon dioxide reduction catalyst 1 (CuAl 2 O 4 )], Example 20 [Use of carbon dioxide reduction catalyst 10 (9Fe/CuAl 2 O 4 )], Example 19 [Use of carbon dioxide reduction catalyst 9 (22Fe/CuAl 2 O) 4 ) Use] and Example 18 [Use of carbon dioxide reduction catalyst 8 (50Fe/CuAl 2 O 4 )] Except for using the gas obtained after the reaction, the conversion rate of carbon dioxide and the selectivity of products were calculated in the same manner as in Experimental Example 9 , The analysis results are shown in Table 3 and FIG. 9. In FIG. 9, the upper part is a graph showing the conversion rate of carbon dioxide and the selectivity to the product as a result of the catalytic reaction over time, and the lower part is a graph organized by averaging the upper graph.
표 3 및 도 9에 도시된 바와 같이, 반응 결과, 구리-알루미늄 스피넬에 철을 담지시킨 후 생성물의 선택성이 일산화탄소에서 탄화수소 영역으로 이동하였음을 알 수 있으며, 철의 함량이 증가할수록 이산화탄소의 전환율이 증가함을 알 수 있다. 그러나 선택성은 22Fe/CuAl2O4와 50Fe/CuAl2O4을 비교하였을 때 뚜렷한 변화는 관찰할 수 없었다. As shown in Table 3 and FIG. 9, as a result of the reaction, it can be seen that the selectivity of the product shifted from carbon monoxide to the hydrocarbon region after supporting iron on the copper-aluminum spinel, and the conversion rate of carbon dioxide increased as the iron content increased. It can be seen that it increases. However, when comparing 22Fe/CuAl 2 O 4 and 50Fe/CuAl 2 O 4 , there was no obvious change in selectivity.
실험예 11Experimental Example 11
실시예19[이산화탄소 환원촉매 9(22Fe/CuAl2O4)사용], 실시예 17[이산화탄소 환원촉매 7(22Fe0.8K/CuAl2O4)사용], 실시예 16[이산화탄소 환원촉매 6(22Fe3K/CuAl2O4)사용] 및 실시예 15[이산화탄소 환원촉매 5(22Fe7K/CuAl2O4)사용]에서 반응 후 얻어진 기체를 사용한 것을 제외하면 실험예 9와 동일한 방법으로 이산화탄소의 전환율과 생성물들의 선택성을 계산하고, 그 분석 결과를 표 4 및 도 10에 나타내었다. 도 10에서 상단은 촉매 반응 결과 이산화탄소의 전환율과 생성물에 대한 선택성을 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이고, 하단은 상단의 그래프를 평균화하여 정리한 그래프이다. Example 19 [Use of carbon dioxide reduction catalyst 9 (22Fe/CuAl 2 O 4 )], Example 17 [Use of carbon dioxide reduction catalyst 7 (22Fe0.8K/CuAl 2 O 4 )], Example 16 [Use of carbon dioxide reduction catalyst 6 (22Fe3K) /CuAl 2 O 4 ) use] and Example 15 [carbon dioxide reduction catalyst 5 (22Fe7K/CuAl 2 O 4 ) use], except that the gas obtained after the reaction was used, and the conversion rate of carbon dioxide and the products were Selectivity was calculated, and the analysis results are shown in Table 4 and FIG. 10. In FIG. 10, the upper part is a graph showing the conversion rate of carbon dioxide and the selectivity to the product as a result of the catalytic reaction over time, and the lower part is a graph organized by averaging the upper graph.
표 4 및 도 10에 도시된 바와 같이, 반응 결과, 칼륨을 철과 함께 담지시킨 후 철만 담지시킨 촉매에 비해 생성물의 선택성이 노멀 계열 탄화수소에서 이성질 구조의 탄화수소로 이동하였음을 관찰할 수 있다. 칼륨의 함량이 증가할수록 노멀계열 탄화수소에 비해 이성질 구조의 탄화수소의 비율이 증가함을 관찰할 수 있다. 또한 이산화탄소의 전환율도 일부 상승하였음을 관찰할 수 있다. As shown in Table 4 and FIG. 10, as a result of the reaction, it can be observed that the selectivity of the product shifted from a normal-based hydrocarbon to a hydrocarbon having an isomer structure compared to a catalyst in which potassium was supported together with iron and then only iron was supported. It can be observed that as the content of potassium increases, the proportion of hydrocarbons having a heterogeneous structure increases compared to the normal series hydrocarbons. In addition, it can be observed that the conversion rate of carbon dioxide was also partially increased.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with a preferred embodiment as described above, it is not limited to the above-described embodiment, and within the scope of the spirit of the present invention, to those of ordinary skill in the art. Various changes and modifications will be possible.
Claims (23)
Carbon dioxide reduction catalyst comprising; a spinel structure metal oxide having a skeleton consisting of a divalent metal and a trivalent metal and having mesopores in the range of 2 to 50 nm.
상기 스피넬구조의 금속산화물은 BET 비표면적이 50 ~ 200 m2/g이고, 상기 메조기공의 부피는 0.13 ~ 0.47 mL/g인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매.
The method of claim 1,
The spinel-structured metal oxide has a BET specific surface area of 50 to 200 m 2 /g, and the volume of the mesopores is 0.13 to 0.47 mL/g.
상기 2가 금속은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이상이고, 상기 3가 금속은 알루미늄(Al), 스칸듐(Sc), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매.
The method of claim 1,
The divalent metal is at least one selected from the group consisting of copper (Cu), zinc (Zn), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), manganese (Mn), and magnesium (Mg), The trivalent metal is a carbon dioxide reduction catalyst, characterized in that at least one selected from the group consisting of aluminum (Al), scandium (Sc), chromium (Cr), iron (Fe), and cobalt (Co).
상기 스피넬구조의 금속산화물은 구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4), 아연-알루미늄 스피넬(ZnAl2O4), 코발트-알루미늄 스피넬(CoAl2O4), 마그네슘-알루미늄 스피넬(MgAl2O4)로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매.
The method of claim 3,
The metal oxide of the spinel structure is copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ), zinc-aluminum spinel (ZnAl 2 O 4 ), cobalt-aluminum spinel (CoAl 2 O 4 ), magnesium-aluminum spinel (MgAl 2 O 4 ) Carbon dioxide reduction catalyst, characterized in that any one selected from the group consisting of.
1가 금속 및 2가 금속 중 하나 이상이 상기 스피넬구조의 금속산화물에 형성된 메조기공에 담지되거나 상기 스피넬구조의 금속산화물 표면에 코팅되어 형성된 촉진층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매.
The method of claim 1,
At least one of a monovalent metal and a divalent metal is supported on the mesopores formed in the metal oxide of the spinel structure, or is formed by coating on the surface of the metal oxide of the spinel structure; carbon dioxide reduction catalyst further comprising a.
상기 촉진층에 포함되는 1가금속은 전체 촉매 중량을 기준으로 0.5 내지 10중량%이고, 2가금속은 9 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매.
The method of claim 5,
A carbon dioxide reduction catalyst, characterized in that the monovalent metal contained in the promotion layer is 0.5 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst, and the divalent metal is 9 to 50% by weight.
상기 1가 금속은 알칼리금속에서 선택되는 어느 하나 이상이고, 상기 2가 금속은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매.
The method of claim 5,
The monovalent metal is at least one selected from alkali metals, and the divalent metal is copper (Cu), zinc (Zn), cobalt (Co), iron (Fe), nickel (Ni), manganese (Mn), Carbon dioxide reduction catalyst, characterized in that at least one selected from the group consisting of magnesium (Mg).
3가 금속전구체 분산액에 2가 금속전구체 분산액을 서서히 첨가하여 혼합하는 단계;
상기 혼합분산액에 염기성 용액을 첨가하여 pH를 조절하는 단계;
상기 혼합분산액에 포함된 용매를 제거하는 단계; 및
상기 용매가 제거된 후 남은 고체생성물을 소성처리하여 스피넬구조의 금속산화물을 얻는 단계; 를 포함하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.
Dissolving and dispersing the divalent metal precursor and the trivalent metal precursor in a solvent, respectively;
Gradually adding and mixing the divalent metal precursor dispersion to the trivalent metal precursor dispersion;
Adjusting pH by adding a basic solution to the mixed dispersion;
Removing the solvent contained in the mixed dispersion; And
Firing the solid product remaining after the solvent is removed to obtain a metal oxide having a spinel structure; Carbon dioxide reduction catalyst manufacturing method comprising a.
상기 pH는 9 내지 10으로 조절되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.
The method of claim 8,
The carbon dioxide reduction catalyst manufacturing method, characterized in that the pH is adjusted to 9 to 10.
상기 용매를 제거하는 단계는 상기 혼합분산액에서 용매를 여과하는 단계; 및 여과되고 남은 고체생성물을 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.
The method of claim 8,
Removing the solvent may include filtering the solvent from the mixed dispersion; And drying the solid product remaining after filtering.
상기 소성처리는 700 내지 900℃에서 2 내지 6시간 동안 처리되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.
The method of claim 8,
The sintering treatment is a carbon dioxide reduction catalyst manufacturing method, characterized in that the treatment for 2 to 6 hours at 700 to 900 ℃.
상기 스피넬구조의 금속산화물에 촉진층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.
The method of claim 8,
Forming an accelerating layer on the spinel-structured metal oxide; carbon dioxide reduction catalyst manufacturing method further comprising a.
상기 촉진층을 형성하는 단계는 상기 스피넬 구조의 금속 산화물과, 상기 촉진층을 형성하는 1가금속전구체 및 2가금속전구체 중 하나 이상의 금속전구체를 용매에 용해시켜 분산시키는 단계; 상기 분산액에 포함된 용매를 제거하는 단계; 및 상기 용매가 제거된 후 남은 고체생성물을 소성처리 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.The method of claim 12,
The forming of the promotion layer may include dissolving and dispersing the metal oxide of the spinel structure and at least one metal precursor of a monovalent metal precursor and a divalent metal precursor forming the promotion layer in a solvent; Removing the solvent contained in the dispersion; And calcining the solid product remaining after the solvent is removed.
상기 소성처리 하는 단계는 500 내지 600℃에서 2 내지 6시간 동안 처리되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.
The method of claim 12,
The calcining step is a carbon dioxide reduction catalyst manufacturing method, characterized in that the treatment is carried out at 500 to 600 ℃ for 2 to 6 hours.
상기 촉진층에 포함되는 1가금속은 전체 촉매 중량을 기준으로 0.5 내지 10중량%이고, 2가금속은 9 내지 50중량%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 환원촉매제조방법.
The method of claim 12,
The monovalent metal contained in the accelerating layer is 0.5 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst, and the divalent metal is 9 to 50% by weight.
상기 전처리 후 상기 반응기로 이산화탄소 및 수소를 포함하는 혼합가스를 주입하여 일정압력을 유지하도록 조절하는 단계;
상기 일정압력으로 조절된 반응기의 온도를 일정 온도로 조절하는 단계; 및
상기 일정압력 및 일정온도로 조절된 반응기로 상기 혼합가스를 일정유속으로 흘려주어 이산화탄소의 수소화반응을 유도하는 단계;를 포함하는 탄화수소화합물 제조방법.
Pre-treating the carbon dioxide reduction catalyst of any one of claims 1 to 7 or the carbon dioxide reduction catalyst prepared by the production method of any one of claims 8 to 15 in a continuous flow fixed bed reactor;
Adjusting to maintain a constant pressure by injecting a mixed gas including carbon dioxide and hydrogen into the reactor after the pretreatment;
Adjusting the temperature of the reactor controlled by the constant pressure to a constant temperature; And
Inducing a hydrogenation reaction of carbon dioxide by flowing the mixed gas into a reactor controlled at a constant pressure and a constant temperature at a constant flow rate.
상기 일정압력은 20bar이상이고 일정온도는 250 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 탄화수소화합물 제조방법.
The method of claim 16,
The method for producing a hydrocarbon compound, characterized in that the constant pressure is more than 20 bar and the constant temperature is 250 to 500 °C.
상기 혼합가스에 포함된 이산화탄소 및 수소의 부피비는 1:2 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 탄화수소화합물 제조방법.
The method of claim 16,
The method for producing a hydrocarbon compound, characterized in that the volume ratio of carbon dioxide and hydrogen contained in the mixed gas is 1:2 to 1:5.
상기 혼합가스는 비활성기체를 상기 이산화탄소의 함량 미만으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소화합물 제조방법.
The method of claim 18,
The method for producing a hydrocarbon compound, wherein the mixed gas further contains an inert gas in an amount less than the amount of carbon dioxide.
상기 탄화수소화합물은 탄소 수가 1 ~ 20개인 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소화합물 제조방법.
The method of claim 16,
The hydrocarbon compound is a method for producing a hydrocarbon compound, characterized in that it contains a compound having 1 to 20 carbon atoms.
상기 이산화탄소 환원촉매가 구리-알루미늄 스피넬(CuAl2O4)에 칼륨(K) 및 철(Fe)을 포함하는 촉진층이 형성된 경우, 상기 혼합가스에 포함된 이산화탄소의 수소화반응을 통한 전환율은 40% 이상이고, 탄소 수 2개 이상 탄화수소화합물의 선택성은 30% 이상인 것을 특징으로 하는 탄화수소화합물 제조방법.
The method of claim 20,
When the carbon dioxide reduction catalyst is a copper-aluminum spinel (CuAl 2 O 4 ) in which an accelerating layer containing potassium (K) and iron (Fe) is formed, the conversion rate through hydrogenation of carbon dioxide contained in the mixed gas is 40% Above, and the selectivity of the hydrocarbon compound having 2 or more carbon atoms is 30% or more.
상기 이산화탄소 환원촉매에 포함된 칼륨(K) 및 철(Fe)의 함량을 조절하여 생성되는 탄화수소화합물의 물리화학적 특성을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 탄화수소화합물 제조방법.
The method of claim 21,
A method for producing a hydrocarbon compound, characterized in that it is possible to control the physicochemical properties of the produced hydrocarbon compound by adjusting the content of potassium (K) and iron (Fe) contained in the carbon dioxide reduction catalyst.
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