KR20230052649A - Hydrocarbon manufacturing method and hydrocarbons manufactured using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a hydrocarbon manufacturing method and a hydrocarbon manufactured thereby, wherein the method includes the steps of: preparing a container; and forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material and a metal catalyst in the container under a hydrogen gas atmosphere. The present invention exhibits the characteristics of a high reaction rate, selectivity and stability even at low temperatures.

Description

탄화수소 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 탄화수소{Hydrocarbon manufacturing method and hydrocarbons manufactured using the same}Hydrocarbon manufacturing method and hydrocarbons manufactured using the same}

탄화수소 제조를 위한 방법 및 이를 이용하여 제조된 탄화수소에 관한 것이다. It relates to a method for producing hydrocarbons and hydrocarbons produced using the same.

탄소 수소화 가스화 반응(Carbon hydrogasification)은 탄화수소 합성, 석탄 및 바이오 매스 가스화, 배기 가스 처리 등 탄소 관련 중요 산업에 널리 응용되고 있다. 다만, 탄소 수소화 가스화 반응은 탄소 관련 반응 중에서 가장 다루기 어려운 반응으로 실제 작동 온도(최소 450 ℃)에서 가장 느린 반응으로 탄소 산화 반응보다 8배 느리다. 이는 열역학적인 관점에서는 탄소 매트릭스 내의 C-C 결합의 해리 과정은 매우 높은 에너지 장벽을 가지고 있어 이를 끊어 내기 위해서는 고온 활성화가 필요하나, 반응 평형의 관점에서는 탄소 수소화 가스화 반응 자체는 발열 반응으로서 저온이 유리하다는 상반된 경향에 기인한다. 따라서, 저온에서 우수한 반응 속도 및 선택성을 함께 보여줄 수 있는 탄화수소 제조방법에 대한 요구가 여전히 존재한다.Carbon hydrogasification is widely applied in carbon-related important industries such as hydrocarbon synthesis, coal and biomass gasification, and exhaust gas treatment. However, the carbon hydrogasification reaction is the most difficult reaction among carbon-related reactions and is the slowest reaction at the actual operating temperature (at least 450 ℃), which is 8 times slower than the carbon oxidation reaction. From a thermodynamic point of view, the dissociation process of C-C bonds in the carbon matrix has a very high energy barrier, so high temperature activation is required to break it, but from the point of view of reaction equilibrium, the carbon hydrogasification reaction itself is an exothermic reaction and low temperature is advantageous. due to the tendency Therefore, there is still a need for a hydrocarbon production method capable of showing excellent reaction rate and selectivity at low temperatures.

본 발명의 과제는 탄화수소 제조 방법에 관한 것으로, 탄소계 재료 및 금속 촉매를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합하여 탄소-금속 합금을 형성하는 단계를 포함함으로서, 저온에서도 우수한 반응 속도 및 선택성을 보이는 탄화수소 제조 방법 및 이를 이용한 탄화수소를 제공하는 것이다. An object of the present invention relates to a method for producing hydrocarbons, which includes forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material and a metal catalyst under a hydrogen gas atmosphere, thereby showing excellent reaction rate and selectivity even at low temperatures. And to provide a hydrocarbon using the same.

일 측면에 따르면, 용기를 준비하는 단계; 및 상기 용기 내에 탄소계 재료 및 금속 촉매를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합하여 탄소-금속 합금을 형성하는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법이 제공된다. According to one aspect, preparing a container; and forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material and a metal catalyst in the container under a hydrogen gas atmosphere.

다른 측면에 따르면, 상기 탄화수소 제조 방법에 따라 제조된 탄화수소가 제공된다. According to another aspect, a hydrocarbon produced according to the hydrocarbon production method is provided.

일 측면에 따른 탄화수소 제조 방법은 탄소계 재료 및 금속 촉매를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합하여 탄소-금속 합금을 형성하는 단계를 포함함으로서, 저온에서도 높은 반응 속도, 선택성 및 안정성의 특성을 보여준다. A method for producing a hydrocarbon according to one aspect includes forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material and a metal catalyst under a hydrogen gas atmosphere, thereby exhibiting characteristics of high reaction rate, selectivity, and stability even at low temperatures.

도 1은 실시예 1-a, 비교예 1 및 대조군에 대하여 온도에 따른 탄화수소(CH4)의 생성 속도를 측정한 결과이다.
도 2a 및 도 2b는 모두 실시예 1-a에서 얻어진 기체 생성물에 대한 가스 크로마토그래피에 따른 기체 조성을 측정한 결과이다.
도 3a 및 도 3b는 촉매 1-a에 대하여 다섯 사이클 동안 측정한 각 사이클의 CH4 생성 속도 및 총 생성량을 측정한 결과이다.
도 4는 서로 다른 금속 촉매에 대한 탄화수소 생성 속도를 비교한 결과이다.
도 5a는 서로 다른 탄소계 재료에 대한 탄화수소 생성 속도를 비교한 결과이고, 도 5b는 각 탄소계 재료에 대한 라만 분광 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6는 Co 및 카본 블랙이 서로 다른 로딩비를 가지는 실시예 1-a-1 내지 1-a-5에 대한 CH4 생성량 및 생성 속도를 나타낸 결과이다.
도 7은 탄소 해리 모델 I 내지 III에 대한 대략적인 요약을 나타낸 도이다.
도 8은 위한 탄소 해리 모델 I 내지 III 의 초기 상태와 최종 상태를 나타낸 도이다.
도 9는 DFT 계산 방법에 따른 탄소 해리 모델 I 내지 III의 탄소 해리 에너지 장벽(eV)을 나타낸 도이다.
도 10은 본원의 탄화수소 제조 방법의 중간체 샘플에 대한 extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) 유래 Radical distribution function (RDF) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본원의 탄화수소 제조 방법의 중간체 샘플에 대한 hν = 350 eV에서의 C1s에 대한 high-resolution photoemission spectroscopy (PES) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 본원의 탄화수소 제조 방법의 중간체 샘플에 대한 C K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 본원의 탄화수소 제조 방법의 중간체 샘플에 대한 X-ray diffraction pattern (XRD) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 본원의 탄화수소 제조 방법의 중간체 샘플에 대한 59Co internal field nuclear magnetic resonance (IF-NMR) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본원의 탄화수소 제조 방법의 중간체 샘플에 대한 Co internal field하에서 13C IF-NMR 측정 결과를 나타낸 것이다.
1 is a result of measuring the production rate of hydrocarbon (CH 4 ) according to the temperature with respect to Example 1-a, Comparative Example 1, and the control group.
2a and 2b show the result of measuring the gas composition according to gas chromatography for the gas product obtained in Example 1-a.
3a and 3b show the results of measuring the CH 4 production rate and total amount of production in each cycle measured for five cycles for catalyst 1-a.
4 is a result of comparing hydrocarbon production rates for different metal catalysts.
FIG. 5A is a result of comparing hydrocarbon production rates for different carbon-based materials, and FIG. 5B shows Raman spectroscopic measurement results for each carbon-based material.
6 is a result showing the amount and production rate of CH 4 for Examples 1-a-1 to 1-a-5 in which Co and carbon black have different loading ratios.
7 is a schematic summary of carbon dissociation models I to III.
8 is a diagram showing initial and final states of carbon dissociation models I to III for
9 is a diagram showing carbon dissociation energy barriers (eV) of carbon dissociation models I to III according to the DFT calculation method.
10 shows the results of measuring the radial distribution function (RDF) derived from extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) for the intermediate sample of the hydrocarbon production method of the present invention.
11 shows high-resolution photoemission spectroscopy (PES) measurement results for C1s at hν = 350 eV for an intermediate sample of the hydrocarbon production method of the present disclosure.
12 shows the C K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) measurement results for the intermediate sample of the hydrocarbon production method of the present invention.
Figure 13 shows the X-ray diffraction pattern (XRD) measurement results for the intermediate sample of the hydrocarbon production method of the present application.
Figure 14 shows the 59 Co internal field nuclear magnetic resonance (IF-NMR) measurement results for intermediate samples of the hydrocarbon production method of the present application.
Figure 15 shows the 13 C IF-NMR measurement results under Co internal field for the intermediate sample of the hydrocarbon production method of the present application.

이하에서 설명되는 본 창의적 사상(present inventive concept)은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 창의적 사상을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 창의적 사상의 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present inventive concept described below can be applied with various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present creative idea to a specific embodiment, and should be understood to include all transformations, equivalents, or substitutes included in the technical scope of the present creative idea.

이하에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 창의적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Terms used below are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present inventive idea. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. Hereinafter, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, component, material, or combination thereof described in the specification, but one or the other It should be understood that the presence or addition of the above other features, numbers, steps, operations, components, parts, components, materials, or combinations thereof is not precluded.

또한, 명세서 전체에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. Also, terms such as first and second may be used throughout the specification to describe various components, but the components should not be limited by the terms.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하거나 축소하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the drawings, the thickness is enlarged or reduced to clearly express various layers and regions. Like reference numerals have been assigned to like parts throughout the specification. Throughout the specification, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" or "above" another part, this includes not only the case directly on top of the other part, but also the case where there is another part in the middle thereof. . Terms are used only to distinguish one component from another.

탄화수소 제조 방법의 일종인 탄소 수소화 가스화 반응은 열역학적인 관점에서는 탄소 매트릭스 내의 C-C 결합의 해리 과정은 매우 높은 에너지 장벽을 가지고 있어 이를 끊어 내기 위해서는 고온 활성화가 필요하나, 반응 평형의 관점에서는 탄소 수소화 가스화 반응 자체는 발열 반응으로서 저온이 유리하다는 상반된 경향을 가짐에 따라 광범위한 산업/ 기술 분야에의 적용이 제한되어 왔다. 본 발명자는, 탄화수소 제조 방법에 관한 것으로, 탄소계 재료 및 금속 촉매를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합하여 탄소-금속 합금을 형성하는 단계를 포함함으로서, 저온에서도 우수한 반응 속도 및 선택성을 보이는 탄화수소 제조 방법을 발견하였고, 이러한 견지에서 연구를 통해 본 발명을 완성하였다. 본 발명이 일 구현예에 따른 탄화수소 제조 방법은 낮은 온도 조건에서도 높은 탄화수소(CH4) 생성 속도 (40℃, 117,000 μl g-1 s-1) 및 우수한 선택성(99.8%의 CH4)을 보였다. In the carbon hydrogasification reaction, which is a type of hydrocarbon manufacturing method, from a thermodynamic point of view, the dissociation process of the C-C bond in the carbon matrix has a very high energy barrier, and high temperature activation is required to break it. As it is an exothermic reaction, its application to a wide range of industrial/technical fields has been limited as it has the opposite tendency that low temperatures are advantageous. The present inventor relates to a hydrocarbon production method, which includes forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material and a metal catalyst under a hydrogen gas atmosphere, thereby providing a hydrocarbon production method that exhibits excellent reaction rate and selectivity even at low temperatures. found, and completed the present invention through research in this respect. The hydrocarbon production method according to one embodiment of the present invention showed a high hydrocarbon (CH 4 ) production rate (40°C, 117,000 μl g -1 s -1 ) and excellent selectivity (99.8% of CH 4 ) even under low temperature conditions.

이하에서는 본 발명의 일 측면에 따른 탄화수소 제조 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a hydrocarbon production method according to an aspect of the present invention will be described in detail.

상기 탄화수소 제조 방법은, 용기를 준비하는 단계; 및 상기 용기 내에 탄소계 재료 및 금속 촉매를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합하여 탄소-금속 합금을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The hydrocarbon production method includes preparing a container; and forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material and a metal catalyst in the container under a hydrogen gas atmosphere.

예를 들어, 탄소계 재료로서 카본 블랙 및 금속 촉매로서 코발트를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합한 샘플에 대한 DFT 계산 및 EXAFS-derived RDF, PES 및 XANES 측정을 통하여, 탄소-금속 합금(코발트 탄화물)이 형성됨을 알 수 있다.For example, through DFT calculations and EXAFS-derived RDF, PES, and XANES measurements of samples in which carbon black as a carbon-based material and cobalt as a metal catalyst were mixed in a solid state under a hydrogen gas atmosphere, carbon-metal alloys (cobalt carbides) formation can be seen.

일 구현예에 따르면, 상기 고상 혼합은 제1고상 혼합 및 제2고상 혼합을 포함하고, 상기 제1고상 혼합 및 제2고상 혼합의 혼합 속도는 서로 동일하거나, 상이할 수 있다.According to one embodiment, the solid state mixing includes first solid state mixing and second solid state mixing, and mixing speeds of the first solid state mixing and the second solid state mixing may be the same or different from each other.

일 구현예에 따르면, 상기 고상 혼합은 볼-밀링(ball-milling)을 통하여 수행될 수 있다.According to one embodiment, the solid-phase mixing may be performed through ball-milling.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 525℃ 이하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 10℃ 이상 100℃ 이하에서 수행될 수 있다. 이는 고온의 열처리 과정이 반드시 필요한 종래의 탄화수소 제조 방법과 상이한 점에 해당한다. According to one embodiment, the step of forming the carbon-metal alloy may be performed at 525°C or lower. For example, the step of forming the carbon-metal alloy may be performed at 10°C or more and 100°C or less. This corresponds to a point different from the conventional hydrocarbon manufacturing method, which requires a high-temperature heat treatment process.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 상기 용기 내에 유기 용매를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 용기 내에 탄소계 재료, 금속 촉매 및 유기 용매를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합하여 탄소-금속 합금을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the forming of the carbon-metal alloy may further include an organic solvent in the container. That is, the method may include forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material, a metal catalyst, and an organic solvent in the container under a hydrogen gas atmosphere.

일 구현예에 따르면, 상기 유기 용매는 포화 또는 불포화의 지방족 또는 지방족고리 탄화수소, 방향족 탄화수소, 알코올, 글리콜, 할로겐화 탄화수소, 케톤, 에스테르, 에테르, 글리콜에테르, 또는 이의 임의의 조합일 수 있다.According to one embodiment, the organic solvent may be a saturated or unsaturated aliphatic or alicyclic hydrocarbon, aromatic hydrocarbon, alcohol, glycol, halogenated hydrocarbon, ketone, ester, ether, glycol ether, or any combination thereof.

예를 들어, 상기 유기 용매는 테트라히드로퓨란 (tetrahydrofuran; THF), 아세토나이트릴, N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone; NMP), 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF), 2-프로판올, 톨루엔, 벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 또는 이의 임의의 조합일 수 있다.For example, the organic solvent is tetrahydrofuran (THF), acetonitrile, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF) , 2-propanol, toluene, benzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, or any combination thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 고상 혼합은 1 시간 이상 30 시간 이하 동안 수행될 수 있다.According to one embodiment, the solid phase mixing may be performed for 1 hour or more and 30 hours or less.

일 구현예에 따르면, 상기 볼-밀링은 200 r.p.m. 이상 550 r.p.m. 이하의 회전 속도로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 볼-밀링은 300 r.p.m. 이상 450 r.p.m. 일 수 있다. According to one embodiment, the ball-milling is performed at 200 r.p.m. over 550 r.p.m. It can be performed at the following rotational speeds. For example, the ball-milling is performed at 300 r.p.m. over 450 r.p.m. can be

일 구현예에 따르면, 상기 볼-밀링 중 볼의 속도는 0.1m/s 이상 20m/s 이하로 수행될 수 있다.According to one embodiment, the speed of the ball during the ball-milling may be performed at 0.1 m/s or more and 20 m/s or less.

일 구현예에 따르면, 상기 볼-밀링의 회전 속도는 일정하게 유지되거나, 변동되며 수행될 수 있다. 예를 들어, 초기 15시간 동안은 350 r.p.m.의 속도에서 수행되고 난 뒤, 후의 15시간 동안의 400 r.p.m.에서 수행될 수 있다.According to one embodiment, the rotational speed of the ball-milling may be maintained constant or varied. For example, it can be run at a speed of 350 r.p.m. for the first 15 hours and then 400 r.p.m. for the next 15 hours.

일 구현예에 따르면, 상기 볼-밀링은 제1볼-밀링 및 제2볼-밀링을 포함하고, 상기 제1볼-밀링 및 제2볼-밀링의 회전 속도는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.According to one embodiment, the ball-milling includes a first ball-milling and a second ball-milling, and rotation speeds of the first ball-milling and the second ball-milling may be the same as or different from each other.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 재료는 차콜(Charcoal), 카본 블랙(carbon black), 흑연(Graphite), 그래핀(Graphine) 또는 이의 임의의 조합일 수 있다.According to one embodiment, the carbon-based material may be charcoal, carbon black, graphite, graphene, or any combination thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 재료의 ID/IG 값이 0 초과일 수 있다. 여기서, ID는 탄소계 재료에 대한 라만 분광법에 의해서 얻어진 그래프에서 1350cm-1에서의 피크 강도를 의미하고, IG는 1580cm-1에서의 피크 강도를 의미한다.According to one embodiment, the I D /I G value of the carbon-based material may be greater than zero. Here, I D means a peak intensity at 1350 cm -1 in a graph obtained by Raman spectroscopy for a carbon-based material, and I G means a peak intensity at 1580 cm -1 .

일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 재료의 I2D/IG 값이 0 초과 1 미만일 수 있다. 여기서, I2D는 탄소계 재료에 대한 라만 분광법에 의해서 얻어진 그래프에서 2700cm-1에서의 피크 강도를 의미하고, IG는 앞서 정의한 바와 같다.According to one embodiment, the I 2D /I G value of the carbon-based material may be greater than 0 and less than 1. Here, I 2D means a peak intensity at 2700 cm −1 in a graph obtained by Raman spectroscopy for a carbon-based material, and I G is as defined above.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 재료는 클라인 탄소-탄소 결합(Klein C-C bond)을 포함할 수 있다. 상기 '클라인 탄소-탄소 결합'이란 탄소계 재료 내의 지그재그(zigzag) 가장자리에 추가적으로 결합된 탄소 원자와 이웃한 탄소 원자 사이의 결합을 의미하는 것으로서, 도 8의 첨자 2 모델에 개시된 바와 같은 형태의 탄소-탄소 결합을 의미한다. According to one embodiment, the carbon-based material may include a Klein carbon-carbon bond (Klein C-C bond). The 'cline carbon-carbon bond' refers to a bond between a carbon atom additionally bonded to a zigzag edge in a carbon-based material and a neighboring carbon atom, and carbon in the form shown in the subscript 2 model of FIG. -means a carbon bond.

일 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는 Fe, Co, Ni, Cu, 또는 이의 임의의 조합일 수 있다.According to one embodiment, the metal catalyst may be Fe, Co, Ni, Cu, or any combination thereof.

일 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는 Co일 수 있다.According to one embodiment, the metal catalyst may be Co.

일 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는 Co(111) 원자를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the metal catalyst may include Co(111) atoms.

일 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는 결함(defect)을 포함할 수 있다. 상기 결함은 고상 혼합에 의하여 생성된 것일 수 있다.According to one embodiment, the metal catalyst may include defects. The defects may be generated by solid phase mixing.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소계 재료의 함량은 상기 탄소계 재료 및 금속 촉매의 총 100 중량부 대비 1 중량부 이상 20 중량부 이하일 수 있다.According to one embodiment, the content of the carbon-based material may be 1 part by weight or more and 20 parts by weight or less based on a total of 100 parts by weight of the carbon-based material and the metal catalyst.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금은 코발트-탄화물(Cobalt-carbide)을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the carbon-metal alloy may include cobalt-carbide.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금은 Co3C를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the carbon-metal alloy may include Co 3 C.

예를 들어, 탄소계 재료로서 카본 블랙 및 금속 촉매로서 코발트를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합한 샘플에 대한 XANES XRD 및 IF-NMR 측정을 통하여, Co3C이 포함되어 있음을 확인할 수 있다.For example, XANES XRD and IF-NMR of a sample in which carbon black as a carbon-based material and cobalt as a metal catalyst are mixed in a solid state under a hydrogen gas atmosphere. Through the measurement, it can be confirmed that Co 3 C is included.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금은 결함(defect)을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the carbon-metal alloy may include defects.

일 구현예에 따르면, 상기 용기 내 수소 기체의 압력은 약 1 내지 10 bar일 수 있다.According to one embodiment, the pressure of hydrogen gas in the vessel may be about 1 to 10 bar.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 탄소계 재료 및 금속 촉매를 불활성 분위기에서 준비하는 단계 및 상기 불활성 분위기를 수소 기체 분위기로 치환하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the forming of the carbon-metal alloy may include preparing a carbon-based material and a metal catalyst in an inert atmosphere, and replacing the inert atmosphere with a hydrogen gas atmosphere.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 상기 탄소계 재료에서 탄소가 해리되는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the forming of the carbon-metal alloy may include dissociating carbon from the carbon-based material.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소가 해리되는 단계는 탄소계 재료의 클라인 탄소-탄소 결합(Klein C-C bond)이 끊어지면서 탄소가 해리되는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the step of dissociating the carbon may include a step of dissociating the carbon while breaking a Klein C-C bond of the carbon-based material.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 상기 탄소계 재료 유래 탄소와 금속 촉매가 공유 결합을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the forming of the carbon-metal alloy may include forming a covalent bond between carbon derived from the carbon-based material and a metal catalyst.

일 구현예에 따르면, 탄소계 재료 유래 탄소는 금속 촉매의 결함과 공유 결합을 형성하여 탄소-금속 합금을 형성할 수 있다.According to an embodiment, carbon derived from a carbon-based material may form a carbon-metal alloy by forming a covalent bond with a defect in a metal catalyst.

예를 들어, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 탄소계 재료 및 금속 촉매를 불활성 분위기에서 준비하는 단계, 상기 불활성 분위기를 수소 기체 분위기로 치환하는 단계, 탄소계 재료에서 탄소가 해리되는 단계, 상기 탄소계 재료 유래 탄소와 금속 촉매가 공유 결합을 형성하는 단계 순으로 진행될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 즉, 이 중 임의의 단계는 생략되거나 서로 순서가 바뀔 수 있으며, 새로운 단계가 추가될 수 있다. For example, the forming of the carbon-metal alloy may include preparing a carbon-based material and a metal catalyst in an inert atmosphere, replacing the inert atmosphere with a hydrogen gas atmosphere, dissociating carbon from the carbon-based material, The step of forming a covalent bond between carbon derived from the carbon-based material and the metal catalyst may be performed, but is not limited thereto. That is, any of these steps may be omitted or the order of each other may be reversed, and new steps may be added.

일 구현예에 따르면, 상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 수소화 반응이 진행되는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the forming of the carbon-metal alloy may include performing a hydrogenation reaction.

일 구현예에 따르면, 상기 수소화 반응이 진행되는 단계는 525℃ 이하에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 수소화 반응이 진행되는 단계는 10℃ 이상 100℃ 이하에서 수행될 수 있다.According to one embodiment, the step of conducting the hydrogenation reaction may be performed at 525° C. or lower. For example, the step in which the hydrogenation reaction proceeds may be performed at 10° C. or more and 100° C. or less.

일 구현예에 따르면, 상기 수소화 반응이 진행되는 단계는 상기 탄소-금속 합금에서 활성 탄소 원자가 해리되는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of conducting the hydrogenation reaction may include a step of dissociating activated carbon atoms from the carbon-metal alloy.

일 구현예에 따르면, 상기 수소화 반응이 진행되는 단계는 상기 탄소-금속 합금 유래 활성 탄소 원자와 수소 기체가 반응하여 탄화수소가 생성되는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the step of conducting the hydrogenation reaction may include generating hydrocarbons by reacting hydrogen gas with activated carbon atoms derived from the carbon-metal alloy.

일 구현예에 따르면, 본 명세서 내의 탄화수소는 메탄(CH4)일 수 있다. According to one embodiment, the hydrocarbon within this specification may be methane (CH 4 ).

일 구현예에 따르면, 상기 용기는 볼-밀 컨테이너(ball-mill container)일 수 있다.According to one embodiment, the container may be a ball-mill container.

다른 측면에 따르면, 상술한 탄화수소 제조 방법에 따라 제조된 탄화수소가 제공될 수 있다.According to another aspect, a hydrocarbon produced according to the hydrocarbon production method described above may be provided.

이하에서, 합성예 및 실시예를 들어, 본 발명의 일 구현예를 따르는 다중 복합 화합물에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, synthesis examples and examples will be described in more detail with respect to multiple complex compounds according to one embodiment of the present invention.

이하에서, 합성예 및 실시예를 들어, 본 발명의 일 구현예를 따르는 다중 복합 화합물에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, synthesis examples and examples will be described in more detail with respect to multiple complex compounds according to one embodiment of the present invention.

원료Raw material

Fe [99.9+% (metal basis), <10 μm], Co [99.8% (metals basis), spherical, -100+325 mesh], Ni [99.9% (metals basis), APS 2.2-3.0 μm], 그래파이트 [99.9995% (metals basis), -100 mesh] 및 카본 블랙 (99.9+%, acetylene, 100% compressed)는 Alfa Aesar에서 구입하였다. Cu [99%, +45 μm particle size (2% max)] 및 차콜 (untreated, granular, ≤5 mm)는 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. Fe [99.9+% (metals basis), <10 μm], Co [99.8% (metals basis), spherical, -100+325 mesh], Ni [99.9% (metals basis), APS 2.2-3.0 μm], graphite [99.9995% (metals basis), -100 mesh] and carbon black (99.9+%, acetylene, 100% compressed) were purchased from Alfa Aesar. Cu [99%, +45 μm particle size (2% max)] and charcoal (untreated, granular, ≤5 mm) were purchased from Sigma-Aldrich.

제조예 A: 탄화수소 생성 촉매의 활성화 단계Preparation Example A: Activation Step of Hydrocarbon Production Catalyst

아르곤 기체(99.999%, KOSEM Corp., Korea) 분위기 하의 글로브 박스에서 금속 촉매, 탄소계 재료 및 WC 볼(Φ = 5 mm, 1000 g)을 볼-밀 컨테이너(250ml)에 로딩하였다. 상기 볼-밀 컨테이너를 글로브 박스에서 꺼낸 후, 진공 펌프를 이용하여 컨테이너 내의 아르곤 기체를 순수 수소 기체(99.999%, Daesung Industrial Gases Co. LTD)로 치환하였다. 몇 번의 충전/ 방전 사이클을 거쳐서 컨테이너 내의 아르곤 기체를 완전히 제거하였다. 그 후, 8 bar의 수소 기체 분위기 하에서 300 r.p.m.의 회전 속도로 12시간 동안 볼-밀을 진행하여 금속 촉매 및 탄소계 재료를 활성화시켜 탄화수소 생성 촉매를 제조하였다. A metal catalyst, carbon-based material and WC balls (Φ = 5 mm, 1000 g) were loaded into a ball-mill container (250 ml) in a glove box under an argon gas (99.999%, KOSEM Corp., Korea) atmosphere. After taking the ball-mill container out of the glove box, argon gas in the container was replaced with pure hydrogen gas (99.999%, Daesung Industrial Gases Co. LTD) using a vacuum pump. After several charge/discharge cycles, the argon gas in the container was completely removed. Thereafter, a ball-mill was performed for 12 hours at a rotational speed of 300 r.p.m. under a hydrogen gas atmosphere of 8 bar to activate the metal catalyst and the carbon-based material to prepare a hydrocarbon generating catalyst.

제조예 1: 촉매 1-a 내지 1-d, 2-a 및 3-a의 제조Preparation Example 1: Preparation of Catalysts 1-a to 1-d, 2-a and 3-a

제조예 A에서 하기 표 1에 따른 금속 촉매 및 탄소계 재료로서 카본 블랙 3.0g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 A와 동일한 방법으로 금속 촉매 및 탄소계 재료를 활성화시켜 하기 촉매 1-a 내지 1-d, 2-a 및 3-a를 제조하였다. The following catalysts 1-a to 1- d, 2-a and 3-a were prepared.

금속 촉매/ 로딩량(g)Metal Catalyst/ Loading (g) 탄소계 촉매/ 로딩량(g)Carbon-based catalyst/loading amount (g) 촉매 1-aCatalyst 1-a Co/25.3Co/25.3 카본 블랙/3carbon black/3 촉매 1-bCatalyst 1-b Fe/24Fe/24 카본 블랙/3carbon black/3 촉매 1-cCatalyst 1-c Ni/25.2Ni/25.2 카본 블랙/3carbon black/3 촉매 1-dcatalyst 1-d Cu/27.3Cu/27.3 카본 블랙/3carbon black/3 촉매 2-aCatalyst 2-a Co/25.3Co/25.3 차콜/3Charcoal/3 촉매 3-aCatalyst 3-a Co/25.3Co/25.3 그래파이트/3graphite/3

[실시예][Example]

실시예 1-a 내지 1-d: 고상 혼합에 따른 탄화수소 제조 방법Examples 1-a to 1-d: Hydrocarbon production method according to solid phase mixing

상기 제조예 1에 따라 제조된 촉매 1-a 내지 1-d에 대하여, 각각 용기 내의 가스 생성물을 적어도 2시간 동안 완전히 배기시키고, 8 bar의 수소 기체 분위기 하에서 400 r.p.m.의 회전 속도로 5분 동안 볼-밀을 진행하며 탄화수소를 제조하였고, 각각 실시예 1-a 내지 1-d에 해당한다.For the catalysts 1-a to 1-d prepared according to Preparation Example 1, the gas product in each vessel was completely evacuated for at least 2 hours, and the ball was balled for 5 minutes at a rotational speed of 400 r.p.m. under a hydrogen gas atmosphere of 8 bar. - Hydrocarbons were prepared while milling, respectively, corresponding to Examples 1-a to 1-d.

비교예 1: 열처리 방식에 따른 탄화수소 제조 방법Comparative Example 1: Hydrocarbon production method according to heat treatment method

아르곤 기체(99.999%, KOSEM Corp., Korea) 분위기 하의 글로브 박스에서 Co 25.3g 및 카본 블랙 3g을 석영 튜브(내경 6mm)에 로드하고, 로드된 석영 튜브를 글로브 박스에서 제거하기 전에 두 끝을 parafilm으로 밀봉하였다. 그 후, 석영 튜브를 아르곤 기체 분위기하에 고정층 반응기에 설치하고, 마지막으로 아르곤 기체를 수소 기체로 치환하고, 튜브에 남아있는 아르곤 기체를 10 SSCM(Standard Cubic centimeters per Minute)의 수소 기체 흐름으로 30분 동안 세척하였다. 고정층 반응기는 10 SSCM의 수소 기체 흐름에서 분당 2.48℃의 램프로 600℃까지 가열하여, 탄화수소를 생성하였다.Load 25.3 g of Co and 3 g of carbon black into a quartz tube (6 mm inner diameter) in a glove box under an argon gas (99.999%, KOSEM Corp., Korea) atmosphere, and parafilm the two ends before removing the loaded quartz tube from the glove box. sealed with. Thereafter, the quartz tube is installed in a fixed bed reactor under an argon gas atmosphere, and finally, the argon gas is replaced with hydrogen gas, and the argon gas remaining in the tube is heated for 30 minutes with a hydrogen gas flow of 10 SSCM (Standard Cubic Centimeters Per Minute). washed while. The fixed bed reactor was heated to 600° C. at a ramp of 2.48° C. per minute in a hydrogen gas flow of 10 SSCM to produce hydrocarbons.

대조군: 금속 촉매 없이 처리Control: treatment without metal catalyst

제조예 A에서 금속 촉매를 포함하지 않고, 탄소계 재료로 카본 블랙 3g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 A와 동일한 방법으로 탄화수소 생성 촉매를 제조하였다. 그 후, 아르곤 기체(99.999%, KOSEM Corp., Korea) 분위기 하의 글로브 박스에서 상기 활성화된 탄화수소 생성 촉매 3g을 석영 튜브(내경 6mm)에 로드하고, 로드된 석영 튜브를 글로브 박스에서 제거하기 전에 두 끝을 parafilm으로 밀봉하였다. 그 후, 석영 튜브를 아르곤 기체 분위기하에 고정층 반응기에 설치하고, 마지막으로 아르곤 기체를 수소 기체로 치환하고, 튜브에 남아있는 아르곤 기체를 10 SSCM(Standard Cubic centimeters per Minute)의 수소 기체 흐름으로 30분 동안 세척한 뒤, 고정층 반응기는 10 SSCM의 수소 기체 흐름에서 분당 2.48℃의 램프로 600℃까지 가열하여, 탄화수소를 생성하였다.A hydrocarbon generating catalyst was prepared in the same manner as in Preparation Example A, except that no metal catalyst was used in Preparation Example A and 3 g of carbon black was used as the carbon-based material. Then, in a glove box under an argon gas (99.999%, KOSEM Corp., Korea) atmosphere, 3 g of the activated hydrocarbon generating catalyst was loaded into a quartz tube (internal diameter of 6 mm), and the loaded quartz tube was removed from the glove box. The ends were sealed with parafilm. Thereafter, the quartz tube is installed in a fixed bed reactor under an argon gas atmosphere, and finally, the argon gas is replaced with hydrogen gas, and the argon gas remaining in the tube is heated for 30 minutes with a hydrogen gas flow of 10 SSCM (Standard Cubic Centimeters Per Minute). After washing for a while, the fixed bed reactor was heated to 600° C. at a ramp of 2.48° C. per minute in a hydrogen gas flow of 10 SSCM to produce hydrocarbons.

[평가예 1a: 반응 속도 비교][Evaluation Example 1a: Reaction Rate Comparison]

(평가 방법)(Assessment Methods)

실시예 1-a, 비교예 1 및 대조군에 대하여 온도에 따른 탄화수소(CH4)의 생성 속도를 측정하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다. For Example 1-a, Comparative Example 1, and the control group, the production rate of hydrocarbon (CH 4 ) according to temperature was measured, and the results are shown in FIG. 1 .

(평가 결과)(Evaluation results)

도 1을 통하여, 실시예 1-a은 낮은 온도 조건에서 비교예 1 및 대조군과 비교하여 현저하여 높은 생성 속도(40℃, 117,000 μl g-1 s-1)를 보임을 알 수 있으며, 이는 600℃에서의 비교예 1의 생성 속도인 5 μlg-1s-1와 비교하더라도 현저히 높은 반응 속도에 해당함을 알 수 있다. Through Figure 1, it can be seen that Example 1-a shows a remarkably high production rate (40 ℃, 117,000 μl g -1 s -1 ) compared to Comparative Example 1 and the control group under low temperature conditions, which is 600 It can be seen that this corresponds to a remarkably high reaction rate even when compared to the production rate of 5 μlg -1 s -1 of Comparative Example 1 at °C.

[평가예 1b: 선택성(selectivity) 비교][Evaluation Example 1b: Selectivity Comparison]

(평가 방법) (Assessment Methods)

실시예 1-a을 통하여 얻어진 기체 생성물은 가스 크로마토그래피(GC, 7890B, Agilent)를 사용하여 조성이 측정되었으며, 그 결과를 도 2a에 나타내었고, 이를 500배 확대한 것은 도 2b에 나타내었다. The composition of the gas product obtained in Example 1-a was measured using gas chromatography (GC, 7890B, Agilent), and the result is shown in FIG. 2a, and a magnification of 500 times is shown in FIG. 2b.

(평가 결과)(Evaluation results)

도 2a 및 도 2b를 통하여, 실시예 1-a에서 얻어진 기체 생성물은 99.8%의 CH4를 포함함을 확인할 수 있다. 이는 비교예 1에서 얻어진 기체 생성물이 80%의 CH4를 포함하는 것(600℃, 평형 상태, 미도시)과 비교하여 현저히 높은 값으로서, 실시예 1-a은 비교예 1에 비하여 뛰어난 선택성을 가진 탄화수소 제조방법임을 알 수 있다. 2a and 2b, it can be confirmed that the gaseous product obtained in Example 1-a contains 99.8% of CH 4 . This is a significantly higher value compared to that of the gaseous product obtained in Comparative Example 1 containing 80% of CH 4 (600° C., equilibrium state, not shown), and Example 1-a has excellent selectivity compared to Comparative Example 1. It can be seen that it is a hydrocarbon production method with

[평가예 1c: 안정성 테스트][Evaluation Example 1c: Stability Test]

(평가 방법)(Assessment Methods)

촉매 1-a를 적용한 실시예 1-a에 대하여, 넣어준 카본 블랙이 완전히 수소화된 후, 다시 카본 블랙 3g을 넣어주는 과정을 반복하여 한 사이클을 완성하고, 총 다섯 사이클 동안 각 사이클의 CH4 생성 속도 및 총 생성량을 확인하여 각각 도 3a 및 도 3b에 나타내었다.Regarding Example 1-a to which catalyst 1-a was applied, after the input carbon black was completely hydrogenated, the process of adding 3 g of carbon black was repeated to complete one cycle, and CH 4 of each cycle for a total of five cycles The production rate and total production amount were confirmed and shown in FIGS. 3a and 3b, respectively.

(평가 결과)(Evaluation results)

도 3a 및 도 3b을 통하여, 촉매 1-a는 탄화수소 생성 사이클 수가 증가하더라도 CH4 생성 속도 및 생성량이 일정하게 유지됨을 알 수 있다.3a and 3b, it can be seen that the rate and amount of CH 4 produced in Catalyst 1-a are maintained constant even when the number of hydrocarbon production cycles increases.

[평가예 2: 금속 촉매에 따른 탄화수소 생성 속도 비교][Evaluation Example 2: Comparison of hydrocarbon production rates according to metal catalysts]

(평가 방법)(Assessment Methods)

상기 실시예 1-a 내지 1-d에 대하여, 40℃에서의 평균 탄화수소(CH4) 생성 속도를 측정하여 도 4에 나타내었다. For Examples 1-a to 1-d, average hydrocarbon (CH 4 ) production rates at 40° C. were measured and shown in FIG. 4 .

(평가 결과)(Evaluation results)

도 4를 통하여, 실시예 1-a 내지 1-d 모두 CH4가 생성됨을 확인할 수 있으며, 실시예 1-d (Cu) < 실시예 1-b (Fe) < 실시예 1-c (Ni) < 실시예 1-a (Co)의 순으로 CH4 생성 속도가 증가함을 확인할 수 있다. 이는 Ni이 가장 높은 반응 속도를 보이는 열처리 방식과 상이한 경향으로, 본원에 따른 탄화수소 제조 방법은 열처리 방식에 의한 탄화수소 제조 방법(비교예 1)과 상이한 반응 경로를 따름을 알 수 있다. 4, it can be confirmed that CH 4 is produced in all of Examples 1-a to 1-d, and Example 1-d (Cu) < Example 1-b (Fe) < Example 1-c (Ni) < It can be confirmed that the CH 4 production rate increases in the order of Example 1-a (Co). This is a tendency different from the heat treatment method in which Ni has the highest reaction rate, and it can be seen that the hydrocarbon production method according to the present application follows a different reaction path from the hydrocarbon production method (Comparative Example 1) by the heat treatment method.

실시예 1-a 내지 3-aExamples 1-a to 3-a

상기 제조예 1에 따라서 제조된 촉매 1-a 내지 3-a에 대하여, 각각 용기 내의 가스 생성물을 적어도 2시간 동안 완전히 배기시키고, 8 bar의 수소 기체 분위기 하에서 400 r.p.m.의 회전 속도로 5분 동안 볼-밀을 진행하여 탄화수소를 생성하였으며, 각각 실시예 1-a 내지 3-a에 해당한다.For the catalysts 1-a to 3-a prepared according to Preparation Example 1, the gas product in each vessel was completely evacuated for at least 2 hours, and the ball was balled for 5 minutes at a rotation speed of 400 r.p.m. under a hydrogen gas atmosphere of 8 bar. -Proceeding with the mill to produce hydrocarbons, corresponding to Examples 1-a to 3-a, respectively.

[평가예 3a: 탄소계 재료에 따른 탄화수소 생성 속도 비교] [Evaluation Example 3a: Comparison of hydrocarbon production rates according to carbon-based materials]

(평가 방법)(Assessment Methods)

상기 실시예 1-a 내지 3-a에 대하여 40℃에서의 평균 탄화수소(CH4) 생성 속도를 측정하여 도 5a에 나타내었다. For Examples 1-a to 3-a, average hydrocarbon (CH 4 ) production rates at 40° C. were measured and shown in FIG. 5A.

(평가 결과)(Evaluation results)

상기 도 5a를 통하여, 실시예 1-a 내지 3-a 모두 CH4가 생성됨을 확인할 수 있으며, 실시예 3-a (그래파이트) < 실시예 1-a (카본 블랙) < 실시예 2-a (차콜)의 순으로 CH4 생성 속도가 증가함을 확인할 수 있다. 5a, it can be confirmed that CH 4 is generated in all of Examples 1-a to 3-a, Example 3-a (graphite) < Example 1-a (carbon black) < Example 2-a ( It can be seen that the CH 4 production rate increases in the order of charcoal).

[평가예 3b: 탄소계 재료별 라만 분광법 측정][Evaluation Example 3b: Raman spectroscopy measurement for each carbon-based material]

(평가 방법)(Assessment Methods)

촉매 1-a 내지 3-a의 탄소계 재료로 사용된 카본 블랙, 차콜 및 그래파이트에 대한 라만 분광기(532nm의 레이저 파장의 WITec Alpha300R 장비)를 이용한 라만 분광 결과를 측정하여 도 5b에 나타내었다. The results of Raman spectroscopy (WITec Alpha300R equipment with a laser wavelength of 532 nm) were measured for carbon black, charcoal, and graphite used as the carbon-based materials of Catalysts 1-a to 3-a and are shown in FIG. 5B.

(평가 결과)(Evaluation results)

도 5b를 통하여, 차콜 < 카본 블랙 < 그래파이트의 순으로 결정도(crystrallinity, ID/IG 값은 결정도와 반비례)가 증가함을 확인할 수 있고, 이는 도 5a의 반응 속도 경향과 정반대되는 경향에 해당한다. 즉, 탄소계 재료의 결정도가 감소할수록 반응성이 더 증가하고, 이는 결정성이 떨어질수록 탄소계 재료에서 탄소의 해리가 더 유리하기 때문이라 볼 수 있다. 5b, it can be seen that the crystallinity (I D /I G value is inversely proportional to the crystallinity) increases in the order of charcoal < carbon black < graphite, which is opposite to the reaction rate trend of FIG. 5a. applicable That is, as the crystallinity of the carbon-based material decreases, the reactivity increases, and this can be seen because the dissociation of carbon in the carbon-based material is more advantageous as the crystallinity decreases.

제조예 2: 촉매 1-a-1 내지 1-a-5의 제조Preparation Example 2: Preparation of Catalysts 1-a-1 to 1-a-5

제조예 A에서 금속 촉매 및 탄소계 재료의 로딩비를 하기 표 2에 기재된 바와 같이 변경한 것을 제외하고는, 제조예 A와 동일한 방법으로 금속 촉매 및 탄소계 재료를 활성화 시켜 하기 촉매 1-a-1 내지 1-a-5를 제조하였다. Catalyst 1-a- 1 to 1-a-5 were prepared.

Co의 로딩량(g)Loading amount of Co (g) 카본 블랙의 로딩량(g)Loading amount of carbon black (g) 촉매 1-a-1Catalyst 1-a-1 12.712.7 6.06.0 촉매 1-a-2Catalyst 1-a-2 16.916.9 5.05.0 촉매 1-a-3Catalyst 1-a-3 21.121.1 4.04.0 촉매 1-a-4Catalyst 1-a-4 25.325.3 3.03.0 촉매 1-a-5Catalyst 1-a-5 29.529.5 2.02.0

실시예 1-a-1 내지 1-a-5Examples 1-a-1 to 1-a-5

상기 제조예 2에 따라 제조된 촉매 1-a-1 내지 1-a-5에 대하여 각각 300r.p.m.의 회전 속도로 7분간 볼-밀을 진행하여 탄화수소를 생성하였으며, 각각 실시예 1-a-1 내지 실시예 1-a-5에 해당한다. The catalysts 1-a-1 to 1-a-5 prepared according to Preparation Example 2 were ball-milled for 7 minutes at a rotational speed of 300 r.p.m. to produce hydrocarbons, respectively. 1 to Examples 1-a-5.

[평가예 4: 로딩비에 따른 탄화수소 생성 속도 측정] [Evaluation Example 4: Measurement of hydrocarbon production rate according to loading ratio]

(평가 방법)(Assessment Methods)

실시예 1-a-1 내지 1-a-5에 따라 얻어진 CH4 생성량 및 생성 속도를 도 6에 나타내었다. The amount and rate of CH 4 produced according to Examples 1-a-1 to 1-a-5 are shown in FIG. 6 .

(평가 결과)(Evaluation results)

도 6를 통하여, 실시예 1-a-3에서 CH4 생성량이 가장 크고, 실시예 1-a-4에서 CH4 생성 속도가 가장 큰 것을 알 수 있다.It can be seen from FIG. 6 that Example 1-a-3 produced the largest amount of CH 4 and Example 1-a-4 produced the highest amount of CH 4 .

[평가예 5: DFT 계산] [Evaluation Example 5: DFT Calculation]

본원의 탄화수소 생성 방법의 반응 경로를 조사하기 위한 탄소 해리 과정에 대한 DFT(density functional theory) 계산을 위한 탄소 해리 모델 I 내지 III의 대략적인 요약은 도 7에 나타내었고, 탄소 해리 모델 I 내지 III의 초기 상태와 최종 상태는 도 8에 나타내었다. An approximate summary of the carbon dissociation models I to III for DFT (density functional theory) calculation of the carbon dissociation process for investigating the reaction pathway of the hydrocarbon production method of the present application is shown in FIG. 7, and the carbon dissociation models I to III The initial state and the final state are shown in FIG. 8 .

(도 7 및 8에 대한 설명)(Description of Figs. 7 and 8)

I, 촉매 없는 탄소 해리. I, carbon dissociation without catalyst.

II, 탄소가 Co 촉매와 접촉하지 않을 때 탄소 해리. II, carbon dissociation when the carbon is not in contact with the Co catalyst.

III, 탄소 파편이 Co 촉매와 밀접하게 접촉할 때 탄소 해리. III, carbon dissociation when carbon fragments are in close contact with the Co catalyst.

위 첨자 1과 2는 각각 무결함 모델(2개의 공액 C-C 결합을 끊음으로써 하나의 탄소 원자를 분리)과 결함 모델(가장자리에 하나의 Klein C-C 결합)을 나타낸다. Co 촉매가 존재할 때, 아래 첨자 1과 2는 각각 Co(111) 확장 표면 및 결함에 대하여 추가적으로 나타낸다. Superscripts 1 and 2 denote the defect-free model (separation of one carbon atom by breaking two conjugated C-C bonds) and defect model (one Klein C-C bond at the edge), respectively. When Co catalysts are present, subscripts 1 and 2 additionally denote Co(111) extended surfaces and defects, respectively.

(도 8에 대한 추가적인 설명)(Additional description of FIG. 8)

파란색: 코발트 원자blue: cobalt atoms

회색: 탄소 원자gray: carbon atoms

(계산 조건)(calculation condition)

상기 탄소 해리 모델 I 내지 III에 대한 모든 스핀 제한 없는 계산은 Vienna ab initio 시뮬레이션 패키지(VASP)를 사용하여 수행되었다. 전자-이온 상호작용은 Projector-Augmented Wave(PAW) 방법을 기반으로 기술되었고, 교환 및 상관 함수는 일반화된 기울기 방식(GGA)에서 Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) 함수에 의해 사용되었다. 400 eV의 차단 에너지가 평면파 기저 세트에 채택되었으며, 이는 원자당 1 meV보다 작은 총 에너지 수렴을 생성한다. 두 주기 단위 사이의 상호 작용을 피하기 위해 15Å의 진공 너비가 추가되었다. Climbing Image nudged Elastic band(CINEB) 방법은 전이 상태 탐색 및 에너지 장벽 결정에 사용되었다.All spin-free calculations for the carbon dissociation models I to III were performed using the Vienna ab initio simulation package (VASP). The electron-ion interaction was described based on the Projector-Augmented Wave (PAW) method, and the exchange and correlation functions were used by the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) function in the generalized gradient method (GGA). A cutoff energy of 400 eV was adopted for the plane wave basis set, which produces a total energy convergence of less than 1 meV per atom. A vacuum width of 15 Å was added to avoid interaction between the two periodic units. Climbing image nudged elastic band (CINEB) method was used for transition state search and energy barrier determination.

탄소 해리 모델carbon dissociation model

모든 탄소 해리 계산은 Co(111)에서 수행되었고, Co(111) 표면은 DFT 계산 전반에 걸쳐 4층의 Co 슬래브가 있는 p(3×3) 단위 셀을 통해 모델링되었다. 두 개의 하단 Co 층은 벌크 위치에 고정되었고, 상단 두 개의 Co 층은 완전히 이완되었다. K-point는 6×6×1로 설정하였고, Co(111) 표면에 흡착된 탄소 파편에 대해 더 큰 모델이 사용되었으며, 여기서 p(4×4) 단위 셀은 4×4×1의 K-point로 채택되었다. 그래핀 모델에서 K-point는 6×6×6으로 설정하고, 결함 모델에서 Co 공석(vacancy)은 Co(111) 상단에 배치되었다. 무결함 모델은 그래핀 지그재그(zigzag) 가장자리를 사용하고, 결함 모델에서는 Klein 가장자리를 사용하였으며, Klein 가장자리는 지그재그 가장자리에 탄소 원자가 추가적으로 결합된 가장자리를 의미한다. All carbon dissociation calculations were performed in Co(111), and the Co(111) surface was modeled through a p(3 × 3) unit cell with 4 layers of Co slabs throughout the DFT calculations. The bottom two Co layers were fixed in bulk position, and the top two Co layers were fully relaxed. The K-point was set to 6 × 6 × 1, and a larger model was used for carbon fragments adsorbed on the Co(111) surface, where the p(4 × 4) unit cell had a K-point of 4 × 4 × 1 was adopted as a point. In the graphene model, the K-point was set to 6 × 6 × 6, and Co vacancies were placed on top of Co (111) in the defect model. The defect-free model uses a graphene zigzag edge, and the defect model uses a Klein edge. The Klein edge means an edge in which carbon atoms are additionally bonded to the zigzag edge.

(계산 결과)(Calculation result)

상술한 DFT 계산 방법에 의하여 계산된 탄소 해리 모델 I 내지 III의 탄소 해리 에너지 장벽(eV)은 하기 표 3 및 도 9와 같다.Carbon dissociation energy barriers (eV) of carbon dissociation models I to III calculated by the above-described DFT calculation method are shown in Table 3 and FIG. 9 below.

탄소 해리 모델carbon dissociation model 무결함 모델 (1)
(Zigzag 가장자리)
Defect Model (1)
(Zigzag edge)
결함 모델 (2)
(Klein 가장자리)
Defect Model (2)
(Klein edge)
모델 I
(Co가 존재하지 않을때)
model I
(when Co does not exist)
7.4 eV7.4eV 3.8 eV3.8eV
모델 II
(탄소가 Co와 접촉하지 않을 때)
Model II
(When carbon is not in contact with Co)
7.4 eV7.4eV 3.8 eV3.8eV
모델 III
(탄소가 Co (111) 확장 표면과 접촉할 때)
Model III
(when carbon is in contact with the Co (111) extended surface)
2.3 eV2.3eV 0.6 eV0.6eV

상기 표 3 및 도 9에서 확인할 수 있듯이, 탄소 해리 모델 중 탄소가 Co (111) 확장 표면과 접촉하면서, 결함을 가진 경우(모델 III2)에 탄소 해리에 대한 에너지 장벽 값은 0.6eV로서 수소화 반응의 에너지 장벽 값인 0.9 eV보다 낮음을 알 수 있다. 상기 결과는 상온에서도 높은 반응 속도를 갖는 본원의 탄화수소 제조 방법이 탄소와 Co (111) 확장 표면이 접촉한 결함이 존재하는 탄소-금속 합금의 중간체를 거쳐 진행됨을 뒷받침한다.As can be seen in Table 3 and FIG. 9, in the carbon dissociation model, when carbon is in contact with the Co (111) extended surface and has defects (model III 2 ), the energy barrier value for carbon dissociation is 0.6 eV for the hydrogenation reaction. It can be seen that it is lower than the energy barrier value of 0.9 eV. The above results support that the hydrocarbon production method of the present invention, which has a high reaction rate even at room temperature, proceeds through an intermediate of a carbon-metal alloy in which defects in contact between carbon and Co (111) extended surfaces exist.

[평가예 6: 중간체 분석][Evaluation Example 6: Intermediate Analysis]

제조예 3:Preparation Example 3: 중간체 분석용for intermediate analysis 샘플의 제조preparation of samples

아르곤 기체(99.999%, KOSEM Corp., Korea) 분위기 하의 글로브 박스에서 Co 과립 25.3 g, 그래파이트 3g 및 ZrO2 볼(Φ = 5mm, 423g)을 볼-밀 컨테이너(250ml)에 로딩하였다. 상기 볼-밀 컨테이너를 글로브 박스에서 꺼낸 후, 진공 펌프를 이용하여 컨테이너 내의 아르곤 기체를 8 bar의 순수 수소 기체(99.999%, Daesung Industrial Gases Co. LTD)로 치환하였다. 그 후, 8 bar의 수소 기체 분위기 하에서 400 r.p.m.의 회전 속도로 15시간 동안 볼-밀을 진행하여 금속 촉매 및 탄소계 재료를 활성화시킨 후, 8 bar의 수소 기체에서 15시간 동안 400 r.p.m의 회전 속도로 추가로 탄화수소를 생성하였다. 그 후, 볼-밀 컨테이너 내의 샘플을 글로브박스에서 꺼내 중간체 분석용 샘플을 제조하였다. In a glove box under an argon gas (99.999%, KOSEM Corp., Korea) atmosphere, 25.3 g of Co granules, 3 g of graphite, and ZrO 2 balls (Φ = 5 mm, 423 g) were loaded into a ball-mill container (250 ml). After taking the ball-mill container out of the glove box, argon gas in the container was replaced with 8 bar pure hydrogen gas (99.999%, Daesung Industrial Gases Co. LTD) using a vacuum pump. Thereafter, a ball-mill was performed for 15 hours at a rotation speed of 400 rpm under a hydrogen gas atmosphere of 8 bar to activate the metal catalyst and carbon-based material, and then a rotation speed of 400 rpm for 15 hours in a hydrogen gas atmosphere of 8 bar. produced additional hydrocarbons. Thereafter, the sample in the ball-mill container was taken out of the glove box to prepare a sample for intermediate analysis.

EXAFS-derived radical distribution function (RDF)EXAFS-derived radical distribution function (RDF)

(평가 방법)(Assessment Methods)

EXAFS 측정을 위한 상기 제조예 3에 의해 제조된 중간체 분석용 샘플의 샘플링은 글로브박스에서 수행되었으며, 샘플은 산화를 방지하기 위해 테이프로 밀봉되었고, 글로브박스에서 꺼낸 후 즉시 샘플을 측정했다. EXAFS는 대한민국 포항 가속기 연구소(PAL)에서 전송 모드로 6D 빔라인에 기록되었다. RDF 데이터는 Athena 소프트웨어를 사용하여 분석하였으며, 그 결과는 도 10에 나타내었다.Sampling of the intermediate analysis sample prepared by Preparation Example 3 for EXAFS measurement was performed in a glove box, the sample was sealed with a tape to prevent oxidation, and the sample was measured immediately after taking it out of the glove box. EXAFS was recorded on a 6D beamline in transmission mode at the Pohang Accelerator Laboratory (PAL), South Korea. RDF data was analyzed using Athena software, and the results are shown in FIG. 10 .

(평가 결과)(Evaluation results)

도 10의 EXAFS-derived RDF를 통하여, Co-C 결합이 1.3Å 에 존재함을 알 수 있다.Through the EXAFS-derived RDF of FIG. 10, it can be seen that the Co-C bond exists at 1.3 Å.

Photoemission spectroscopy (PES) 및 X-ray absorption near edge structure (XANES)Photoemission spectroscopy (PES) and X-ray absorption near edge structure (XANES)

(평가 방법)(Assessment Methods)

화학적 상태를 연구하기 위한 PES 및 XANES는 4D PES 빔라인, Pohang Light Source(PLS), Pohang Accelerator Laboratory(PAL), 한국에서 수행되었다. 제조예 3에 의하여 생성된 중간체 분석용 샘플은 전체 프로세스 동안 공기에 노출되지 않고, 불활성 샘플 전달 기술을 통해 진공 챔버에 로드되었다. 준비된 샘플을 먼저 글로브박스의 진공 밀봉된 용기에 포장한 후, 로드록 챔버에 직접 연결된 N2 오버플로우 글로브 튜브에서 용기의 포장을 푼 뒤, 분석은 광방출 전자 분석기(R3000, Scienta Omicron, Sweden)와 4×10-10 Torr 이상의 압력으로 실온에서 X선 흡수 분광 검출기로 기록되었다. PES 스펙트럼은 싱크로트론 방사선 소스에서 hv = 350 eV에서 가져왔으며, XANES 스펙트럼은 총 전자 수율(TEY) 모드에서 얻었다. 모든 스펙트럼은 입사 광자 플럭스로 정규화되었다. PES 스펙트럼의 결과는 도 11에 나타내었으며, XANES 스펙트럼 결과는 도 12에 나타내었다.PES and XANES to study the chemical state were performed at the 4D PES beamline, Pohang Light Source (PLS), Pohang Accelerator Laboratory (PAL), Korea. The sample for analysis of the intermediate produced by Preparation Example 3 was not exposed to air during the entire process and was loaded into a vacuum chamber through an inert sample transfer technique. The prepared sample is first packed in a vacuum-sealed container in a glove box, then the container is unpacked in an N 2 overflow glove tube directly connected to the load lock chamber, and the analysis is performed using a light emission electron analyzer (R3000, Scienta Omicron, Sweden) and was recorded with an X-ray absorption spectroscopy detector at room temperature at a pressure of 4 × 10 -10 Torr or higher. PES spectra were taken at hv = 350 eV from a synchrotron radiation source, and XANES spectra were obtained in total electron yield (TEY) mode. All spectra were normalized to the incident photon flux. The results of the PES spectrum are shown in FIG. 11 and the XANES spectrum results are shown in FIG. 12 .

(평가 결과)(Evaluation results)

도 11의 C1s 코어 레벨 스펙트럼 및 도 12의 C K-edge XANES를 통하여, 코발트 탄화물(Cobalt carbide)가 존재함을 알 수 있다.It can be seen from the C1s core level spectrum of FIG. 11 and the C K-edge XANES of FIG. 12 that cobalt carbide is present.

X-ray powder diffraction (XRD)X-ray powder diffraction (XRD)

(평가 방법)(Assessment Methods)

XRD 측정을 위한 제조예 3에 의하여 생성된 중간체 관측용 샘플의 샘플링은 글로브박스에서 수행되었으며, 샘플은 산화를 방지하기 위해 테이프로 밀봉되었고, 글로브박스에서 꺼낸 후 즉시 샘플을 측정하였으며, 그 결과는 도 13에 나타내었다.Sampling of the sample for observation of the intermediate produced by Preparation Example 3 for XRD measurement was performed in a glove box, the sample was sealed with a tape to prevent oxidation, and the sample was measured immediately after taking it out of the glove box. 13.

(평가 결과)(Evaluation results)

도 13를 통하여, 일부 Co3C 탄화물이 탄화수소 제조과정에 관여하였다는 것을 확인할 수 있으며, 넓고 약한 피크는 결함이 발생하여 결정성이 좋지 않음을 알 수 있다.Through FIG. 13, it can be confirmed that some Co 3 C carbides were involved in the hydrocarbon production process, and it can be seen that the broad and weak peaks have poor crystallinity due to the occurrence of defects.

제조예 4: IF-NMR 분석용Preparation Example 4: For IF-NMR analysis 13 13 C 표지 샘플의 제조Preparation of C-labeled samples

아르곤 기체(99.999%, KOSEM Corp., Korea) 분위기 하의 글로브 박스에서 Co 과립 12.7g, 13C(99 at.% 13C, Sigma-Aldrich) 1g 및 ZrO2 볼(Φ = 5mm, 423g)을 볼-밀 컨테이너(250ml)에 로딩하였다. 상기 볼-밀 컨테이너를 글로브 박스에서 꺼낸 후, 진공 펌프를 이용하여 컨테이너 내의 아르곤 기체를 4 bar의 순수 수소 기체(99.999%, Daesung Industrial Gases Co. LTD)로 치환하였다. 그 후, 8 bar의 수소 기체 분위기 하에서 350 r.p.m.의 회전 속도로 12시간 동안 볼-밀을 진행하여 금속 촉매 및 탄소계 재료를 활성화시킨 후, 3 bar의 수소 기체에서 15분 동안 350 r.p.m의 회전 속도로 추가로 탄화수소를 생성하였다. Co granules 12.7 g, 13 C (99 at.% 13 C, Sigma-Aldrich) 1 g, and ZrO 2 balls (Φ = 5 mm, 423 g) were balled in a glove box under an argon gas (99.999%, KOSEM Corp., Korea) atmosphere. - Loaded into a mill container (250ml). After the ball-mill container was taken out of the glove box, argon gas in the container was replaced with 4 bar pure hydrogen gas (99.999%, Daesung Industrial Gases Co. LTD) using a vacuum pump. Thereafter, a ball-mill was performed for 12 hours at a rotation speed of 350 rpm under a hydrogen gas atmosphere of 8 bar to activate the metal catalyst and carbon-based material, and then a rotation speed of 350 rpm for 15 minutes under a hydrogen gas atmosphere of 3 bar. produced additional hydrocarbons.

마지막으로, 볼-밀 컨테이너 내의 가스 혼합물을 모두 비워내고, 그 안에 들어 있는 13C 라벨이 붙은 샘플을 글로브박스에서 꺼내 13C 표지 샘플을 제조하였다. Finally, the gas mixture in the ball-mill container was emptied, and the 13 C labeled sample contained therein was taken out of the glove box to prepare a 13 C labeled sample.

Internal field nuclear magnetic resonance (IF-NMR)Internal field nuclear magnetic resonance (IF-NMR)

(평가 방법)(Assessment Methods)

IF-NMR 분석에 앞서, 상기 제조예 4에 의하여 준비된 샘플을 먼저 아르곤 기체로 보호된 글로브박스의 5mm NMR 유리관에 넣은 다음, 실리콘 튜브가 있는 NMR 튜브에 밀봉하고 글로브박스에서 꺼냈다. 마지막으로 NMR 튜브는 아르곤 기체를 비운 뒤, 블로우 토치로 밀봉하였다. Prior to IF-NMR analysis, the sample prepared in Preparation Example 4 was first placed in a 5 mm NMR glass tube of a glove box protected with argon gas, then sealed in an NMR tube with a silicon tube and taken out of the glove box. Finally, the NMR tube was evacuated with argon gas and sealed with a blow torch.

IF-NMR은 0.5~2MHz 사이의 주파수 단계로 점 별로 측정되었으며, 각 주파수에서 스펙트럼 강도는 스핀 에코 신호의 적분에 해당한다. 스핀 에코 시퀀스는 100Hz의 반복 속도로 8μs의 펄스 간 지연과 1μs의 두 개의 동일한 무선 주파수(RF) 펄스로 구성되고, 실험은 스펙트럼의 매우 넓은 특성으로 인해 두 개의 다른 분광계(TECMAG Scout 및 Bruker Avance III)와 다른 프로브를 사용하여 주변 온도(20℃)에서 수행되었다. 정량적 스펙트럼을 얻기 위해 최적의 여기 전력에서 강도를 얻고 고전적인 1/ω^2 인자와 T2 스핀-스핀 이완 시간에 대해 보정하였다. 59Co IF-NMR 결과는 도 14에 나타내었으며, 13C IF-NMR 결과는 도 15에 나타내었다.IF-NMR was measured point by point with frequency steps between 0.5 and 2 MHz, and the spectral intensity at each frequency corresponds to the integral of the spin echo signal. The spin-echo sequence consisted of two identical radio frequency (RF) pulses of 1 μs with an inter-pulse delay of 8 μs at a repetition rate of 100 Hz, and the experiment was performed using two different spectrometers (TECMAG Scout and Bruker Avance III) due to the very broad nature of the spectra. ) and at ambient temperature (20 °C) using different probes. To obtain quantitative spectra, intensities were obtained at optimal excitation powers and corrected for the classical 1/ω^ 2 factor and the T2 spin-spin relaxation time. 59 Co IF-NMR results are shown in FIG. 14, and 13 C IF-NMR results are shown in FIG. 15.

(평가 결과)(Evaluation results)

도 14을 통하여, 59Co IF-NMR은 214MHz 피크는 금속 Co가 fcc 구조(22)를 특징으로 함을 보여주며, 넓어진 fcc Co 피크는 탄화수소 제조 촉매가 고밀도 결함으로 인해 나노 크기 또는 대체로 비정질화되었음을 알 수 있으며, 이는 도 10의 XRD 패턴의 경향과도 일치한다. 또한, 75MHz의 피크를 통하여 탄화물은 대부분 Co3C로 구성되어 있음을 알 수 있으며, 탄소 원자 중 일부는 fcc Co[Co(C) 고용체, 약 180MHz] 격자에 용해되어 존재하는 것을 알 수 있다. 14, the 59 Co IF-NMR 214 MHz peak shows that metallic Co is characterized by the fcc structure (22), and the broadened fcc Co peak indicates that the hydrocarbon production catalyst is nano-sized or largely amorphous due to high-density defects. As can be seen, this coincides with the trend of the XRD pattern of FIG. 10. In addition, it can be seen through the peak at 75 MHz that the carbide is mostly composed of Co 3 C, and some of the carbon atoms are present dissolved in the fcc Co [Co (C ) solid solution, about 180 MHz] lattice.

도 15를 통하여, 6.5MHz 부근에서 강한 신호가 관찰됨을 확인할 수 있으며, 이는 Co3C에 대응되는 피크에 해당한다. 따라서, Co3C이 본원의 탄화수소 제조방법의 주요한 중간체로 존재함을 알 수 있다. Through FIG. 15, it can be confirmed that a strong signal is observed around 6.5 MHz, which corresponds to a peak corresponding to Co 3 C. Therefore, it can be seen that Co 3 C exists as a major intermediate in the hydrocarbon production method of the present application.

결론적으로, 전술한 실시예 및 비교예에 따르면, 본원의 탄화수소 제조 방법은 기존의 열처리 방식에 따른 비교예 1의 탄화수소 제조방법과 비교하여, 낮은 온도 조건에서도 높은 탄화수소(CH4) 생성 속도 (40℃, 117,000 μl g-1 s-1)를 보임을 확인하였으며, 상기 제조방법에 의하여 얻어진 기체 생성물은 99.8%의 CH4를 포함함을 확인함으로서, 뛰어난 선택성(selectivity)을 가짐도 알 수 있다. 또한, 사이클이 반복되더라도 동일한 탄화수소(CH4) 생성 속도 및 생성량을 가짐을 확인함으로서 본원의 탄화수소 생성 촉매의 안정성 역시 확인하였다. 따라서, 본원의 탄화수소 제조방법은 높은 반응 속도, 선택성 및 안정성을 함께 보여주는 제조방법에 해당한다. In conclusion, according to the above-described Examples and Comparative Examples, the hydrocarbon production method of the present application has a high hydrocarbon (CH 4 ) production rate (40 ℃, 117,000 μl g -1 s -1 ), and it was confirmed that the gas product obtained by the above preparation method contained 99.8% of CH 4 , indicating that it had excellent selectivity. In addition, even if the cycle is repeated, the stability of the hydrocarbon production catalyst of the present application was also confirmed by confirming that it had the same hydrocarbon (CH 4 ) production rate and production amount. Therefore, the hydrocarbon production method of the present application corresponds to a production method showing high reaction rate, selectivity, and stability.

또한, 다양한 금속 촉매 및 탄소계 재료를 다양한 로딩비로 적용하더라도 탄화수소(CH4)가 생성됨을 확인할 수 있으며, 기존의 열처리 방식에 의한 탄화수소 제조 방법과는 다른 경향성을 보인다는 사실을 통하여 상이한 반응 경로를 통하여 반응이 진행됨을 알 수 있다. 이와 관련하여, DFT 계산, EXAFS-derived RDF, PES, XANES, XRD 및 IF-NMR을 통하여, 본원의 제조 방법은 금속 촉매 및 탄소계 재료가 고상 혼합(예를 들어, 볼-밀)을 하는 과정에서 탄소-금속 합금의 중간체(Co3C)를 포함함으로서, 앞서 언급한 바와 같이 탄화수소 생성 관련 반응 속도 및 선택성이 향상됨을 알 수 있다.In addition, it can be confirmed that hydrocarbons (CH 4 ) are generated even when various metal catalysts and carbon-based materials are applied at various loading ratios, and different reaction pathways are obtained through the fact that they show a different tendency from hydrocarbon production methods by conventional heat treatment methods. It can be seen that the reaction proceeds through In this regard, through DFT calculation, EXAFS-derived RDF, PES, XANES, XRD and IF-NMR, the preparation method of the present application is a process in which a metal catalyst and a carbon-based material are mixed in a solid phase (eg, ball-mill) It can be seen that by including the intermediate (Co 3 C) of the carbon-metal alloy in, as mentioned above, the reaction rate and selectivity related to hydrocarbon production are improved.

그러므로, 본원의 탄화수소 제조방법은 낮은 온도에서도 높은 반응 속도, 선택성 및 안정성을 가지는 제조 방법으로서, 산업 응용 분야에 즉시 사용 가능한 탄소 관련된 다양한 산업에 사용될 수 있음을 보여준다.Therefore, the hydrocarbon production method of the present application is a production method having high reaction rate, selectivity, and stability even at low temperatures, and shows that it can be used in various industries related to carbon that can be immediately used in industrial applications.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.In the above, preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to drawings and embodiments, but this is only exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other implementations therefrom. will be able to understand Therefore, the scope of protection of the present invention should be defined by the appended claims.

Claims (27)

용기를 준비하는 단계; 및
상기 용기 내에 탄소계 재료 및 금속 촉매를 수소 기체 분위기 하에서 고상 혼합하여 탄소-금속 합금을 형성하는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
Preparing a container; and
Forming a carbon-metal alloy by solid-phase mixing a carbon-based material and a metal catalyst in a hydrogen gas atmosphere in the container.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 525℃ 이하에서 수행되는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein the step of forming the carbon-metal alloy is performed at 525° C. or less.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 10℃ 이상 100℃ 이하에서 수행되는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The step of forming the carbon-metal alloy is carried out at 10 ° C. or more and 100 ° C. or less, hydrocarbon production method.
제1항에 있어서,
상기 고상 혼합은 1시간 이상 30시간 이하 동안 수행되는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The solid phase mixing is performed for 1 hour or more and 30 hours or less, hydrocarbon production method.
제1항에 있어서,
상기 고상 혼합은 볼-밀링(ball-milling)을 통하여 수행되는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The solid-state mixing is performed through ball-milling, hydrocarbon production method.
제5항에 있어서,
상기 볼-밀링은 200 r.p.m. 이상 550 r.p.m 이하의 회전 속도로 수행되는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 5,
The ball-milling is performed at a rotational speed of 200 rpm or more and 550 rpm or less.
제5항에 있어서,
상기 볼-밀링 중 볼의 속도는 0.1 m/s 이상 20 m/s 이하인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 5,
The speed of the ball during the ball-milling is 0.1 m / s or more and 20 m / s or less, hydrocarbon production method.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료는 차콜(Charcoal), 카본 블랙(carbon black), 흑연(Graphite), 그래핀(Graphine) 또는 이의 임의의 조합인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The carbon-based material is charcoal, carbon black, graphite, graphene, or any combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료의 ID/IG 값이 0 초과인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The hydrocarbon production method, wherein the I D /I G value of the carbon-based material is greater than zero.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료의 I2D/IG 값이 0 초과 1 미만인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The hydrocarbon production method, wherein the carbon-based material has an I 2D /I G value greater than 0 and less than 1.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료는 클라인 탄소-탄소 결합(Klein C-C bond)을 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The carbon-based material includes a Klein carbon-carbon bond (Klein CC bond).
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 Fe, Co, Ni, Cu, 또는 이의 임의의 조합인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein the metal catalyst is Fe, Co, Ni, Cu, or any combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 Co인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The metal catalyst is Co, hydrocarbon production method.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 Co(111) 원자를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein the metal catalyst comprises Co (111) atoms.
제1항에 있어서,
상기 금속 촉매는 결함(defect)을 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The method of claim 1, wherein the metal catalyst comprises a defect.
제1항에 있어서,
상기 탄소계 재료의 함량은 상기 탄소계 재료 및 금속 촉매의 총 100 중량부 대비 5 중량부 이상 20 중량부 이하인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The content of the carbon-based material is 5 parts by weight or more and 20 parts by weight or less, based on a total of 100 parts by weight of the carbon-based material and the metal catalyst.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금은 코발트-탄화물(Cobalt-carbide)을 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein the carbon-metal alloy comprises cobalt-carbide.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금은 Co3C를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The method of claim 1, wherein the carbon-metal alloy comprises Co 3 C.
제1항에 있어서,
상기 용기 내 수소 기체의 압력은 1 bar 이상 10 bar 이하인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The pressure of hydrogen gas in the vessel is 1 bar or more and 10 bar or less, hydrocarbon production method.
제1항에 있어서,
상기 탄화수소는 메탄(CH4)인, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The hydrocarbon is methane (CH 4 ), hydrocarbon production method.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 상기 탄소계 재료 및 상기 금속 촉매를 불활성 분위기에서 준비하는 단계 및 상기 불활성 분위기를 수소 기체 분위기로 치환하는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The step of forming the carbon-metal alloy comprises preparing the carbon-based material and the metal catalyst in an inert atmosphere, and replacing the inert atmosphere with a hydrogen gas atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 상기 탄소계 재료에서 탄소가 해리되는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein the step of forming the carbon-metal alloy comprises dissociating carbon from the carbon-based material.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 상기 탄소계 재료 유래 탄소와 상기 금속 촉매가 공유 결합을 형성하는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
The step of forming the carbon-metal alloy comprises forming a covalent bond between carbon derived from the carbon-based material and the metal catalyst.
제1항에 있어서,
상기 탄소-금속 합금을 형성하는 단계는 수소화 반응이 진행되는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 1,
Wherein the step of forming the carbon-metal alloy comprises a step in which a hydrogenation reaction proceeds.
제24항에 있어서,
상기 수소화 반응이 진행되는 단계는 상기 탄소-금속 합금에서 활성 탄소 원자가 해리되는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
According to claim 24,
Wherein the hydrogenation reaction proceeds comprises dissociating active carbon atoms from the carbon-metal alloy.
제24항에 있어서,
상기 수소화 반응이 진행되는 단계는 상기 탄소-금속 합금 유래 활성 탄소 원자와 수소 기체가 반응하여 탄화수소가 생성되는 단계를 포함하는, 탄화수소 제조 방법.
The method of claim 24,
Wherein the step of conducting the hydrogenation reaction comprises generating a hydrocarbon by reacting an activated carbon atom derived from the carbon-metal alloy with hydrogen gas.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항의 탄화수소 제조 방법에 의하여 제조된 탄화수소.

A hydrocarbon produced by the hydrocarbon production method according to any one of claims 1 to 26.

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CN106947559A (en) * 2017-04-06 2017-07-14 中国科学院山西煤炭化学研究所 A kind of method of coal catalytic hydrogenation gasification production methane and tar light oil
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