KR20240016885A - Catalyst for producing cyclic carbonate from carbon dioxide and method for producing cyclic carbonate using the same - Google Patents

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KR20240016885A
KR20240016885A KR1020230090055A KR20230090055A KR20240016885A KR 20240016885 A KR20240016885 A KR 20240016885A KR 1020230090055 A KR1020230090055 A KR 1020230090055A KR 20230090055 A KR20230090055 A KR 20230090055A KR 20240016885 A KR20240016885 A KR 20240016885A
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김헌
라젠드라 무즈물레
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 금속산화물 촉매 및 이를 이용하여 이산화탄소로부터 고리형 카보네이트의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 금속산화물 촉매는 하기 화학식 1로 표시되며, 이를 촉매로 사용하여 이산화탄소와 다양한 구조의 알킬렌 옥사이드 화합물을 온화한 조건에서 용매 없이 선택적이고, 지속적으로 고리형 카보네이트를 합성할 수 있다:
[화학식 1]
XCo2O4
상기 식에서, X는 Zn이다.
The present invention relates to a metal oxide catalyst and a method for producing cyclic carbonate from carbon dioxide using the same. The metal oxide catalyst is represented by the following formula (1), and is used as a catalyst to mildly convert carbon dioxide and alkylene oxide compounds of various structures. Cyclic carbonates can be synthesized selectively and continuously without solvent under the following conditions:
[Formula 1]
XCo 2 O 4
In the above formula, X is Zn.

Description

이산화탄소로부터 고리형 카보네이트 제조를 위한 촉매 및 이를 이용한 고리형 카보네이트의 제조방법{CATALYST FOR PRODUCING CYCLIC CARBONATE FROM CARBON DIOXIDE AND METHOD FOR PRODUCING CYCLIC CARBONATE USING THE SAME}Catalyst for producing cyclic carbonate from carbon dioxide and method for producing cyclic carbonate using the same {CATALYST FOR PRODUCING CYCLIC CARBONATE FROM CARBON DIOXIDE AND METHOD FOR PRODUCING CYCLIC CARBONATE USING THE SAME}

본 발명은 이산화탄소로부터 고리형 카보네이트 제조를 위한 촉매 및 이를 이용한 고리형 카보네이트의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 금속산화물 촉매 및 이를 촉매로 이용하여 알킬렌 옥사이드 화합물과 이산화탄소를 반응시켜 고리형 카보네이트를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for producing cyclic carbonate from carbon dioxide and a method for producing cyclic carbonate using the same. Specifically, the present invention relates to a metal oxide catalyst and a metal oxide catalyst using the same as a catalyst to react an alkylene oxide compound with carbon dioxide to produce a cyclic carbonate. It is about manufacturing method.

대기 중의 이산화탄소 배출량 증가는 지구 기후 변화 및 해양 산성화와 같은 환경 문제를 해결하는데 있어 주요 관심사이다. 이에, 보호를 위해 이산화탄소를 부가가치 제품으로 변환하는 것에 대해 전세계 연구자들은 노력해 오고 있다. 현재까지 이산화탄소를 메탄올, 요소, 포름산, 고리형 카보네이트 및 폴리카보네이트와 같은 부가가치 화합물로 제조하기 위해 다양한 방법이 개발되고 있다. 그 중 이산화탄소와 에폭사이드의 고리형 카보네이트로의 고리화 첨가 반응(cyclicaddition reaction)은 원자 경제성(atom economy)의 관점에서 매력적이며 광범위한 응용 분야를 가지고 있다. 고리형 카보네이트는 화학산업의 원료, 배터리의 전해질, 유기 화합물의 합성에서 비양자성 극성 용매와 고분자 및 제약 산업의 합성에서 매개체로 사용될 수 있다. 포스겐 방법도 고리형 카보네이트 합성에 사용되었으나 독성이 강한 가스를 사용하고 부산물로 염화수소를 생성하는 등의 단점이 있다. 따라서 이산화탄소와 에폭사이드의 고리화 첨가 반응으로부터 고리형 카보네이트의 합성은 유망한 방법론이자 포스겐 방법의 대안 방법이다. 그러나 이산화탄소는 안정적이고 비활성 특성으로 인해 분자의 활성화가 어렵고 결합 분할에 높은 에너지가 필요하다. 또한 이산화탄소 분자를 활성화하려면 높은 온도와 압력이 필요하다. 따라서 이산화탄소의 효율적인 화학적 고정(chemical fixation)이 어렵기 때문에, 이를 해소하기 위한 촉매 시스템(또는 촉매계 또는 촉매)의 개발이 필요한 실정이다. Increasing carbon dioxide emissions in the atmosphere are a major concern in solving environmental problems such as global climate change and ocean acidification. Accordingly, researchers around the world have been working on converting carbon dioxide into value-added products for conservation. To date, various methods are being developed to produce carbon dioxide into value-added compounds such as methanol, urea, formic acid, cyclic carbonates and polycarbonates. Among them, the cyclic addition reaction of carbon dioxide and epoxide to cyclic carbonate is attractive from the perspective of atom economy and has a wide range of applications. Cyclic carbonates can be used as raw materials in the chemical industry, electrolytes in batteries, aprotic polar solvents in the synthesis of organic compounds, and as mediators in the synthesis of polymers and the pharmaceutical industry. The phosgene method has also been used to synthesize cyclic carbonates, but has disadvantages such as using highly toxic gases and producing hydrogen chloride as a by-product. Therefore, the synthesis of cyclic carbonates from the cycloaddition reaction of carbon dioxide and epoxide is a promising methodology and an alternative to the phosgene method. However, due to the stable and inert nature of carbon dioxide, it is difficult to activate the molecule and high energy is required for bond splitting. Also carbon dioxide High temperatures and pressures are needed to activate the molecules. Therefore, because efficient chemical fixation of carbon dioxide is difficult, the development of a catalyst system (or catalyst system or catalyst) to solve this problem is necessary.

이와 관련하여 고리화 첨가 반응을 위해 다양한 균일 및 불균일 촉매가 연구되고 있다. 특히, 이온성 액체, 금속 착물, 알칼리 금속 할로겐화물 및 유기 촉매와 같은 균질 촉매가 연구되고 있다. 그러나, 이와 같은 균질 촉매는 반응 시스템에서 쉽게 회수할 수 없어 후처리 비용이 증가하고 반응 조건이 가혹하다는 단점이 있다. In this regard, various homogeneous and heterogeneous catalysts are being studied for cycloaddition reactions. In particular, homogeneous catalysts such as ionic liquids, metal complexes, alkali metal halides, and organic catalysts are being studied. However, such a homogeneous catalyst has the disadvantage that it cannot be easily recovered from the reaction system, increasing post-treatment costs and harsh reaction conditions.

한편, 이러한 문제는 금속-유기 골격체, 금속 산화물, 그래프팅된 물질 및 유기-무기 하이브리드와 같은 불균일 촉매를 사용하여 해결할 수 있다. 그러나, 시간 소모적이고 복잡한 합성 절차와 함께 대부분의 불균일 촉매는 높은 압력과 온도를 필요로 한다. 따라서 여전히 이산화탄소의 화학적 고정을 위한 효율적인 촉매 시스템 개발이 필요한 실정이다. Meanwhile, this problem can be solved using heterogeneous catalysts such as metal-organic frameworks, metal oxides, grafted materials, and organic-inorganic hybrids. However, most heterogeneous catalysts require high pressure and temperature along with time-consuming and complex synthetic procedures. Therefore, there is still a need to develop an efficient catalyst system for chemical fixation of carbon dioxide.

이에, 본 발명은 높은 촉매 활성 및 비용 효율성을 가지며 CO2를 사용하는 온화한 조건 하에서 CO2 및 에폭사이드를 고리형 카보네이트로 화학적 고정화하기 위한 금속산화물 기반 촉매를 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention seeks to provide a metal oxide-based catalyst for chemically immobilizing CO 2 and epoxide into cyclic carbonate under mild conditions using CO 2 and having high catalytic activity and cost efficiency.

KRKR 10-2021-0057803 10-2021-0057803 AA

본 발명의 목적은 금속산화물 촉매 및 이를 이용하여 온화한 조건에서 이산화탄소 및 알킬렌 옥사이드를 반응시켜 고효율 및 선택적으로 고리형 카보네이트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a metal oxide catalyst and a method for producing cyclic carbonate with high efficiency and selectivity by reacting carbon dioxide and alkylene oxide under mild conditions using the same.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problem(s) mentioned above, and other problem(s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화탄소로부터 고리형 카보네이트 제조에 관여하는 금속산화물 촉매를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a metal oxide catalyst involved in producing cyclic carbonate from carbon dioxide.

상기 금속산화물 촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조(spinel structure)를 가지는 것일 수 있다.The metal oxide catalyst may have a spinel structure represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

XCo2O4 XCo 2 O 4

상기 식에서, X는 Zn이다.In the above formula, X is Zn.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 촉매로 하여 이산화탄소 및 알킬렌 옥사이드를 반응시켜 고리형 카보네이트를 제조하는 방법을 제공한다.Additionally, the present invention provides a method for producing cyclic carbonate by reacting carbon dioxide and alkylene oxide using the compound represented by Formula 1 as a catalyst.

상기 금속산화물 촉매는 플레이크(Flake) 또는 구(sphere) 형상을 가지는 것일 수 있다.The metal oxide catalyst may have a flake or sphere shape.

상기 금속산화물 촉매는 10 내지 60 m2g-1의 비표면적을 가지는 것일 수 있다.The metal oxide catalyst may have a specific surface area of 10 to 60 m 2 g -1 .

상기 알킬렌 옥사이드는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이며, 상기 고리형 카보네이트는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물인 것일 수 있다.The alkylene oxide may be a compound represented by Formula 2 below, and the cyclic carbonate may be a compound represented by Formula 3 below.

[화학식 2][Formula 2]

[화학식 3][Formula 3]

상기 식에서, R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로, 수소 원자, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 이상 10 이하의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 옥시기이다.In the above formula, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted oxy group.

상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2-1 내지 2-5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.The compound represented by Formula 2 may be any one selected from compounds represented by Formulas 2-1 to 2-5 below.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

[화학식 2-2][Formula 2-2]

[화학식 2-3][Formula 2-3]

[화학식 2-4][Formula 2-4]

[화학식 2-5][Formula 2-5]

상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 하기 화학식 3-1 내지 3-5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.The compound represented by Formula 3 may be any one selected from compounds represented by Formulas 3-1 to 3-5 below.

[화학식 3-1][Formula 3-1]

[화학식 3-2][Formula 3-2]

[화학식 3-3][Formula 3-3]

[화학식 3-4][Formula 3-4]

[화학식 3-5][Formula 3-5]

상기 금속산화물 촉매는 상기 알킬렌 옥사이드에 대해 0.01 내지 5 몰%로 사용되는 것일 수 있다.The metal oxide catalyst may be used in an amount of 0.01 to 5 mol% based on the alkylene oxide.

상기 고리형 카보네이트를 제조하는 방법은 무기염을 더 포함하여 고리형카보네이트를 제조하는 것일 수 있다.The method for producing the cyclic carbonate may be to produce the cyclic carbonate by further including an inorganic salt.

상기 무기염은 KI인 것일 수 있다.The inorganic salt may be KI.

상기 무기염은 상기 알킬렌 옥사이드에 대해 0.01 내지 7 몰%로 사용되는 것일 수 있다.The inorganic salt may be used in an amount of 0.01 to 7 mol% based on the alkylene oxide.

상기 반응 온도는 80 내지 140 ℃인 것일 수 있다.The reaction temperature may be 80 to 140 °C.

상기 반응 압력은 1 내지 5 MPa인 것일 수 있다.The reaction pressure may be 1 to 5 MPa.

상기 반응 시간은 1 내지 8 시간인 것일 수 있다.The reaction time may be 1 to 8 hours.

본 발명은 반응물인 이산화탄소 및 다양한 알킬렌 옥사이드 화합물과 생성물인 고리형 카보네이트에 용해되지 않는 불균일계 촉매로 금속산화물인 ZnCo2O4를 촉매로 이용하고, 상기 촉매와 무기염을 함께 이용하여 온화한 조건에서 용매 없이 높은 전환율 및 선택적으로 고리형 카보네이트를 제조할 수 있다.The present invention uses ZnCo 2 O 4 , a metal oxide, as a heterogeneous catalyst that is insoluble in carbon dioxide and various alkylene oxide compounds as reactants and cyclic carbonate as a product, and uses the catalyst and an inorganic salt together to produce a heterogeneous catalyst under mild conditions. Cyclic carbonates can be produced at high conversion rates and selectively without solvents.

또한, 본 발명의 촉매는 불균일계이므로, 반응 후 생성물과 촉매를 단순 침전 및 여과로 분리할 수 있고, 분리된 촉매를 별도의 처리과정 없이 재사용할 수 있다. In addition, since the catalyst of the present invention is a heterogeneous system, after reaction, the product and catalyst can be separated by simple precipitation and filtration, and the separated catalyst can be reused without a separate treatment process.

또한, 본 발명의 촉매를 이용하여 이산화탄소와 알킬렌 옥사이드 화합물의 반응 시, 촉매의 재사용에도 불구하고 여전히 우수한 전환율로 고리형 카보네이트를 제조할 수 있다.In addition, when using the catalyst of the present invention to react between carbon dioxide and an alkylene oxide compound, cyclic carbonate can still be produced with an excellent conversion rate despite reuse of the catalyst.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 이산화탄소로부터 고리형 카보네이트 제조를 위한 금속산화물 촉매 합성방법의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 촉매의 전구체에 대한 TGA 분석 결과를 나타낸 것으로서, 도 2a는 ZnCo-F의 전구체에 대한 TGA 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 2b는 ZnCo-S의 전구체에 대한 TGA 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 촉매의 조성을 확인하기 위한 XRD 분석 결과 및 최적화된 촉매의 원소와 산화 상태를 확인하기 위한 XPS 분석 결과를 나타낸 것으로서, 도 3a는 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매의 XRD 분석 결과이고, 도 3d 내지 도 3d는 ZnCo-F 촉매의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 ZnCo-F 촉매의 전체 XPS 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 ZnCo-F 촉매의 FE-SEM 분석 결과 및 EDX 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 ZnCo-S 촉매의 FE-SEM 분석 결과 및 EDX 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 촉매의 BET 분석 결과 및 TPD 분석 결과를 나타낸 것으로서, 도 7a는 ZnCo-F 촉매의 BET 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 7b는 ZnCo-S 촉매의 BET 분석 결과를 나타낸 것이며, 도 7c는 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매의 CO2 TPD 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 7d는 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매의 NH3 TPD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 촉매를 사용하여 프로필렌 옥사이드와 CO2의 고리화 첨가 반응에 대한 반응 파라미터(촉매 로딩, 압력, 온도 및 시간)의 효과를 확인한 결과로서, 도 8a는 촉매 로딩 효과를 확인한 결과이고, 도 8b는 고리화 첨가 반응에 대한 Co2 압력 효과를 확인한 결과이며, 도 8c는 반응 온도 변화에 따른 촉매의 성능 효과를 확인한 결과이고, 도 8d는 반응 시간에 따른 프로필렌 옥사이드 전환율의 변화 효과를 확인한 결과이다(여기서, 반응 조건: a) 120 ℃, 2.5 MPa, 3 h b) ZnCo-F/KI 0.25: 0.5, 120 ℃, 3 h c) ZnCo-F/KI 0.25: 0.5, 2 MPa, 3 h d) ZnCo-F/KI 0.25: 0.5, 120 ℃, 2 Mpa).
도 9a는 프로필렌 옥사이드에서 프로필렌 카보네이트로의 CO2의 화학적 고정을 위한 촉매의 재사용성을 확인한 결과를 나타낸 것이고, 도 9b는 새로운 ZnCo-F(fresh-ZnCo-F) 및 사용된 ZnCo-F(used-ZnCo-F) 촉매의 FT-IR 스펙트럼 분석 결과이며, 도 9c는 새로운 ZnCo-F 및 사용된 ZnCo-F의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다(여기서, 반응조건: a) 프로필렌 옥사이드(20g, 344.3mmol), 120 ℃, 2 MPa, 3시간).
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 ZnCo-F/KI 촉매를 사용하여 이산화탄소로부터 고리형 카보네이트 합성을 위한 가능한 반응 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 11은 다양한 온도(80, 100 및 120 ℃)에서 수행되는 본 발명의 고리화 첨가 반응에 대한 가스 크로마토그래피 분석 결과를 나타낸 것으로서, 여기서, PO는 Propylene oxide을 의미하고, PC는 Propylene carbonate을 의미한다.
Figure 1 shows a schematic diagram of the metal oxide catalyst synthesis method for producing cyclic carbonate from carbon dioxide according to the present invention.
Figure 2 shows the results of TGA analysis of the precursor of the catalyst prepared according to an embodiment of the present invention. Figure 2a shows the results of TGA analysis of the precursor of ZnCo-F, and Figure 2b shows the result of TGA analysis of the precursor of ZnCo-S. This shows the results of TGA analysis.
Figure 3 shows the results of XRD analysis to confirm the composition of the catalyst prepared according to an embodiment of the present invention and the results of XPS analysis to confirm the elements and oxidation state of the optimized catalyst. These are the XRD analysis results of the -S catalyst, and Figures 3d to 3d show the XPS analysis results of the ZnCo-F catalyst.
Figure 4 shows the results of overall XPS spectrum analysis of the ZnCo-F catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the FE-SEM analysis results and EDX analysis results of the ZnCo-F catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the FE-SEM analysis results and EDX analysis results of the ZnCo-S catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows the BET analysis results and TPD analysis results of the catalyst prepared according to an embodiment of the present invention. Figure 7a shows the BET analysis results of the ZnCo-F catalyst, and Figure 7b shows the BET analysis results of the ZnCo-S catalyst. The analysis results are shown, and Figure 7c shows the CO 2 TPD analysis results of the ZnCo-F and ZnCo-S catalysts, and Figure 7d shows the NH 3 TPD analysis results of the ZnCo-F and ZnCo-S catalysts.
Figure 8 shows the results of confirming the effect of reaction parameters (catalyst loading, pressure, temperature and time) on the cycloaddition reaction of propylene oxide and CO 2 using a catalyst prepared according to an embodiment of the present invention, Figure 8a is the result of confirming the effect of catalyst loading, Figure 8b is the result of confirming the effect of Co 2 pressure on the cycloaddition reaction, Figure 8c is the result of confirming the effect of catalyst performance according to reaction temperature change, and Figure 8d is the result of confirming the effect of catalyst performance on the reaction time. This is the result of confirming the effect of change in propylene oxide conversion rate (here, reaction conditions: a) 120 ℃, 2.5 MPa, 3 hb) ZnCo-F/KI 0.25: 0.5, 120 ℃, 3 hc) ZnCo-F/KI 0.25: 0.5, 2 MPa, 3 hd) ZnCo-F/KI 0.25: 0.5, 120 ℃, 2 Mpa).
Figure 9a shows the results of confirming the reusability of the catalyst for chemical fixation of CO 2 from propylene oxide to propylene carbonate, and Figure 9b shows the results of confirming the reusability of the catalyst for new ZnCo-F (fresh-ZnCo-F) and used ZnCo-F (used ZnCo-F). -ZnCo-F) This is the FT-IR spectrum analysis result of the catalyst, and Figure 9c shows the XRD analysis result of new ZnCo-F and used ZnCo-F (here, reaction conditions: a) propylene oxide (20 g, 344.3 mmol) ), 120 °C, 2 MPa, 3 hours).
Figure 10 shows a possible reaction mechanism for the synthesis of cyclic carbonate from carbon dioxide using the ZnCo-F/KI catalyst prepared according to an example of the present invention.
Figure 11 shows the results of gas chromatography analysis of the cycloaddition reaction of the present invention performed at various temperatures (80, 100, and 120 °C), where PO stands for Propylene oxide and PC stands for Propylene carbonate. do.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.It should be noted that in the following description, only the parts necessary to understand the embodiments of the present invention are described, and other parts of the description may be omitted as long as they do not distract from the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should use the concept of terminology appropriately to explain his/her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined clearly. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent the entire technical idea of the present invention, and therefore, various equivalents can be substituted for them at the time of filing the present application. It should be understood that there may be variations.

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

본 발명은 이산화탄소로부터 고리형 카보네이트 제조에 관여하는 금속산화물 촉매를 제공한다.The present invention provides a metal oxide catalyst involved in producing cyclic carbonate from carbon dioxide.

상기 금속산화물 촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조(spinel structure)를 가지는 것일 수 있다The metal oxide catalyst may have a spinel structure represented by the following formula (1):

[화학식 1][Formula 1]

XCo2O4 XCo 2 O 4

상기 식에서, X는 Zn이다.In the above formula, X is Zn.

상기 금속산화물 촉매는 플레이크(Flake) 또는 구(sphere) 형상을 포함하며, 10 내지 60 m2g-1의 비표면적을 가지는 것일 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 금속산화물 촉매는 표면적이 높아 촉매의 활성이 우수한 장점이 있다.The metal oxide catalyst may have a flake or sphere shape and have a specific surface area of 10 to 60 m 2 g -1 . In the present invention, the metal oxide catalyst has the advantage of excellent catalytic activity due to its high surface area.

본 발명에 있어서, 우수한 활성 및 넓은 표면적을 갖는 상기 금속산화물은 통상의 요소 보조 수열법(urea assisted hydrothermal method 또는 용매열법(solvothermal method)을 이용하여 제조될 수 있다.In the present invention, the metal oxide having excellent activity and a large surface area can be prepared using a conventional urea assisted hydrothermal method or solvothermal method.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 촉매로 하여 이산화탄소 및 알킬렌 옥사이드를 반응시켜 고리형 카보네이트를 제조하는 방법을 제공한다.Additionally, the present invention provides a method for producing cyclic carbonate by reacting carbon dioxide and alkylene oxide using the compound represented by Formula 1 as a catalyst.

상기 알킬렌 옥사이드는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이며, 상기 고리형 카보네이트는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물인 것일 수 있다.The alkylene oxide may be a compound represented by Formula 2 below, and the cyclic carbonate may be a compound represented by Formula 3 below.

[화학식 2][Formula 2]

[화학식 3][Formula 3]

상기 식에서, R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로, 수소 원자, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 이상 10 이하의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 옥시기이다.In the above formula, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted oxy group.

본 명세서에서, 치환 또는 비치환된은 중수소 원자, 할로겐 원자, 옥시기, 알킬기, 알케닐기 및 알키닐기로 이루어진 군에서 선택되는 1개 이상의 치환기로 치환 또는 비치환된 것을 의미할 수 있다. 또한, 상기 예시된 치환기 각각은 치환 또는 비치환된 것일 수 있다. 예를 들어, 바이페닐기는 아릴기로 해석될 수도 있고, 페닐기로 치환된 페닐기로 해석될 수도 있다.In the present specification, substituted or unsubstituted may mean substituted or unsubstituted with one or more substituents selected from the group consisting of a deuterium atom, a halogen atom, an oxy group, an alkyl group, an alkenyl group, and an alkynyl group. Additionally, each of the above-exemplified substituents may be substituted or unsubstituted. For example, a biphenyl group may be interpreted as an aryl group, or as a phenyl group substituted with a phenyl group.

본 명세서에서, 할로겐 원자의 예로는 불소 원자, 염소 원자, 브롬 원자 또는 요오드 원자가 있다.In this specification, examples of halogen atoms include fluorine atom, chlorine atom, bromine atom, or iodine atom.

본 명세서에서, 알킬기는 탄소 및 수소 원자만으로 구성된 1가의 직쇄 또는 분쇄 포화 탄화수소 라디 칼을 의미하는 것으로, 이러한 알킬 라디칼의 예는 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 부틸, 이소부틸, t-부틸, 펜틸, 헥실, 옥틸, 도데실 등을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.In this specification, an alkyl group refers to a monovalent straight-chain or branched saturated hydrocarbon radical composed of only carbon and hydrogen atoms. Examples of such alkyl radicals include methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, t-butyl, Includes, but is not limited to, pentyl, hexyl, octyl, dodecyl, etc.

본 명세서에서 알케닐기는, 탄소수 2이상의 알킬기의 중간 또는 말단에 하나 이상의 탄소 이중 결합을 포함한 탄화수소 그룹을 의미한다. 알케닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 이상 30 이하, 2 이상 20 이하 또는 2 이상 10 이하이다. 알케닐기의 예로는 비닐기, 1-부테닐기, 1-펜테닐기, 1,3-부타디에닐 아릴기, 스티레닐기, 스티릴비닐기 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.As used herein, an alkenyl group refers to a hydrocarbon group containing at least one carbon double bond at the middle or end of an alkyl group having 2 or more carbon atoms. Alkenyl groups can be straight or branched. The number of carbon atoms is not particularly limited, but is 2 to 30, 2 to 20, or 2 to 10. Examples of alkenyl groups include, but are not limited to, vinyl, 1-butenyl, 1-pentenyl, 1,3-butadienyl aryl, styrenyl, and styrylvinyl groups.

본 명세서에서 알키닐기는, 탄소수 2이상의 알킬기의 중간 또는 말단에 하나 이상의 탄소 삼중 결합을 포함한 탄화수소 그룹을 의미한다. 알키닐기는 직쇄 또는 분지쇄일 수 있다. 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 2 이상 30 이하, 2 이상 20 이하 또는 2 이상 10 이하이다. 알키닐기의 구체적인 예에는, 에티닐기, 프로피닐기, 등이 포함될 수 있으나, 이들에 한정되지 않는다.As used herein, an alkynyl group refers to a hydrocarbon group containing at least one carbon triple bond at the middle or end of an alkyl group having 2 or more carbon atoms. Alkynyl groups can be straight or branched. The number of carbon atoms is not particularly limited, but is 2 to 30, 2 to 20, or 2 to 10. Specific examples of alkynyl groups may include, but are not limited to, ethynyl groups, propynyl groups, etc.

본 명세서에서, 옥시기는 상기 정의된 알킬기에 산소 원자가 결합된 것을 의미할 수 있다. 옥시기는 알콕시기 및 아릴 옥시기를 포함할 수 있다. 알콕시기는 직쇄, 분지쇄 또는 고리쇄일 수 있다. 알콕시기의 탄소수는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 1 이상 20 이하 또는 1 이상 10 이하인 것일 수 있다. 옥시기의 예로는 메톡시, 에톡시, n-프로폭시, 이소프로폭시, 부톡시, 펜틸옥시, 헥실옥시, 옥틸옥시, 노닐옥시, 데실옥시, 벤질옥시 등이 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.In the present specification, an oxy group may mean an oxygen atom bonded to an alkyl group as defined above. Oxy groups may include alkoxy groups and aryloxy groups. Alkoxy groups may be straight chain, branched or cyclic. The number of carbon atoms of the alkoxy group is not particularly limited, but may be, for example, 1 to 20 or 1 to 10. Examples of oxy groups include methoxy, ethoxy, n-propoxy, isopropoxy, butoxy, pentyloxy, hexyloxy, octyloxy, nonyloxy, decyloxy, and benzyloxy, but are limited to these. That is not the case.

본 발명에 있어서, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2-1 내지 2-5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the compound represented by Formula 2 may be any one selected from compounds represented by Formulas 2-1 to 2-5, but is not limited thereto.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

[화학식 2-2][Formula 2-2]

[화학식 2-3][Formula 2-3]

[화학식 2-4][Formula 2-4]

[화학식 2-5][Formula 2-5]

본 발명에 있어서, 상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 하기 화학식 3-1 내지 3-5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the compound represented by Formula 3 may be any one selected from compounds represented by the following Formulas 3-1 to 3-5, but is not limited thereto.

[화학식 3-1][Formula 3-1]

[화학식 3-2][Formula 3-2]

[화학식 3-3][Formula 3-3]

[화학식 3-4][Formula 3-4]

[화학식 3-5][Formula 3-5]

본 발명에 있어서, 상기 금속산화물 촉매는 상기 알킬렌 옥사이드에 대해 바람직하게 0.01 내지 5 몰%, 더 바람직하게 0.1 내지 3 몰%, 보다 더 바람직하게 1 내지 2 몰% 로 사용되는 것이 바람직하며, 상기 금속산화물 촉매의 사용량이 최소 0.01 몰% 미만인 경우 반응속도가 너무 느려지고, 5 몰% 초과인 경우 더 이상 반응속도와 선택성이 향상되지 않아 촉매 사용의 경제적 효율성이 저하된다.In the present invention, the metal oxide catalyst is preferably used in an amount of 0.01 to 5 mol%, more preferably 0.1 to 3 mol%, and even more preferably 1 to 2 mol% relative to the alkylene oxide. If the amount of the metal oxide catalyst used is less than 0.01 mol%, the reaction rate is too slow, and if it is more than 5 mol%, the reaction rate and selectivity are no longer improved, reducing the economic efficiency of catalyst use.

본 발명에 있어서, 높은 전환율과 선택성을 위해 상기 금속산화물 촉매와 함께 무기염을 더 포함하여 고리형 카보네이트를 제조할 수 있으며, 상기 무기염은 바람직하게 KI인 것일 수 있다.In the present invention, a cyclic carbonate can be prepared by further including an inorganic salt along with the metal oxide catalyst for high conversion and selectivity, and the inorganic salt is preferably KI.

본 발명에 있어서, 상기 무기염은 상기 알킬렌 옥사이드에 대해 바람직하게 0.01 내지 7 몰%, 더 바람직하게 0.1 내지 4 몰%, 보다 더 바람직하게 1 내지 2 몰%로 사용되는 것이 바람직하며, 상기 무기염의 사용량이 최소 0.01 몰% 미만, 7 몰% 초과인 경우 반응 성능이 저하될 수 있다. In the present invention, the inorganic salt is preferably used in an amount of 0.01 to 7 mol%, more preferably 0.1 to 4 mol%, and even more preferably 1 to 2 mol% relative to the alkylene oxide, and the inorganic salt If the amount of salt used is less than 0.01 mol% or more than 7 mol%, reaction performance may deteriorate.

본 발명에 있어서, 무기염이 더 포함되는 경우 금속산화물 촉매: 무기염은 1: 1 내지 10, 바람직하게는 1: 1 내지 5, 보다 더 바람직하게는 1: 3의 몰비로 포함되는 것이 반응 성능 측면에서 바람직하다.In the present invention, when an inorganic salt is further included, the metal oxide catalyst and the inorganic salt are included in a molar ratio of 1:1 to 10, preferably 1:1 to 5, and more preferably 1:3 to improve reaction performance. It is desirable from this point of view.

본 발명에 있어서, 고리형 카보네이트의 제조는 통상의 고리화 첨가 반응을 통해 제조할 수 있으며, 상기 반응 온도는 80 내지 140 ℃, 바람직하게는 100 내지 130 ℃, 보다 더 바람직하게는 120 ℃일 수 있다. 이때, 반응온도가 너무 낮으면 반응속도가 느려지고, 반응온도가 너무 높으면 알킬렌 옥사이드가 분해되어 최종 수율이 저하될 수 있다.In the present invention, the cyclic carbonate can be prepared through a typical cycloaddition reaction, and the reaction temperature is 80 to 140 ° C, preferably 100 to 130 ° C, and more preferably 120 ° C. there is. At this time, if the reaction temperature is too low, the reaction rate may slow down, and if the reaction temperature is too high, alkylene oxide may decompose and the final yield may decrease.

또한, 상기 반응에서 이산화탄소는 1 내지 5 MPa, 바람직하게는 1 내지 3 MPa, 보다 더 바람직하게는 2 MPa의 압력으로 반응기에 공급될 수 있다. 반응 압력이 1 MPa 미만이면 반응속도가 현저히 느려지고, 5 MPa를 초과하면 반응속도의 증진 효과가 없으므로 비경제적인 문제가 있다.Additionally, in the above reaction, carbon dioxide may be supplied to the reactor at a pressure of 1 to 5 MPa, preferably 1 to 3 MPa, and more preferably 2 MPa. If the reaction pressure is less than 1 MPa, the reaction rate is significantly slow, and if it exceeds 5 MPa, there is no effect of increasing the reaction rate, which is uneconomical.

또한, 상기 반응 시간은 1 내지 8 시간, 바람직하게는 2 내지 5시간, 보다 더 바람직하게는 3시간 일 수 있다. 반응 시간이 1 시간 미만이면 반응속도가 현저히 느려지고, 알킬렌 옥사이드의 전환율이 저하될 수 있으며, 8 시간을 초과하면 반응속도의 증진 효과가 없으므로 비경제적인 문제가 있다.Additionally, the reaction time may be 1 to 8 hours, preferably 2 to 5 hours, and even more preferably 3 hours. If the reaction time is less than 1 hour, the reaction rate is significantly slow and the conversion rate of alkylene oxide may be reduced, and if the reaction time is longer than 8 hours, there is no effect of increasing the reaction rate, which is uneconomical.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현예를 이용하여 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The above description explains the technical idea of the present invention using one embodiment, and those skilled in the art will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but are for illustrative purposes, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of the present invention.

준비예Preparation example

질산아연 6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, [Zn(NO3)6H2O, (99%)]), 질산코발트 6수화물(Cobalt nitrate hexahydrate, [Co(NO3)2.6H2O, (99%)]), 요소(Urea, [CO(NH2)2, (98%)]), 아세트산아연 2수화물(Zinc acetate dihydrate, [Zn(CH3COO)22H2O, (99%)]), 아세트산코발트 4수화물(Cobalt acetate tetrahydrate, [Co(CH3COO)24H2O, (99%)]), 에틸렌글리콜(ethylene glycol, HOCH2CH2OH, A.R.]), 에탄올(ethanol, [C2H5OH]), 아세톤(acetone, [(CH3)2CO])는 Alfa Aesar에서 구입하여 사용하였다. 프로필렌 옥사이드(propylene oxide, C3H6O), 에피클로로히드린(Epichlorohydrin, C3H5ClO), 알릴 글리시딜 에테르(allyl glycidyl ether, C6H10O2), tert-부틸 글리시딜 에테르(tert-Butyl glycidyl ether, C7H14O2), 1,2 에폭시 부탄(1,2 Epoxy butane, C4H8O) 등의 반응물은 Sigma Aldrich에서 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다.Zinc nitrate hexahydrate, [Zn(NO 3 )6H 2 O, (99%)], Cobalt nitrate hexahydrate, [Co(NO 3 ) 2.6H 2 O, (99%) )]), Urea, [CO(NH 2 ) 2 , (98%)]), Zinc acetate dihydrate, [Zn(CH 3 COO) 2 2H 2 O, (99%)]) , Cobalt acetate tetrahydrate, [Co(CH 3 COO) 2 4H 2 O, (99%)], ethylene glycol (HOCH 2 CH 2 OH, AR]), ethanol, [ C 2 H 5 OH]) and acetone ([(CH 3 ) 2 CO]) were purchased from Alfa Aesar. Propylene oxide (C 3 H 6 O), Epichlorohydrin (C 3 H 5 ClO), allyl glycidyl ether (C 6 H 10 O 2 ), tert-butyl glycyrrhizate Reactants such as tert-Butyl glycidyl ether (C 7 H 14 O 2 ) and 1,2 Epoxy butane (C 4 H 8 O) were purchased from Sigma Aldrich and used without further purification.

실시예Example

실시예 1: ZnCoExample 1: ZnCo 22 OO 44 촉매의 합성 synthesis of catalysts

1-1. ZnCo2O4 플레이크의 합성1-1. Synthesis of ZnCo 2 O 4 flakes

ZnCo2O4 플레이크는 요소 보조 수열법(urea assisted hydrothermal method)을 사용하여 합성하였다. 구체적으로, 0.02M 질산아연 6수화물, 0.04M 질산코발트 6수화물 및 0.6M 요소를 실온에서 30분 동안 탈이온수 150ml에 용해시켜 분홍색 용액을 제조하였다. 그런 다음 분홍색 용액을 200ml 용량의 테프론 라이닝 스테인리스 스틸 오토클레이브(Teflon lined stainless steel autoclave)에 옮기고 120 ℃에서 8시간 동안 반응시켰다. 8시간 시간 후, 오토클레이브는 상온에서 자연 냉각되도록 하고 얻어진 침전물을 에탄올과 탈이온수로 여러 번 세척한 후 진공 오븐에서 80 ℃로 밤새 건조하였다. 건조 후, 얻어진 분말을 분당 3 ℃의 속도로 2시간 동안 400 ℃의 전기로에서 어닐링하여 ZnCo2O4 플레이크의 순수한 결정상을 얻었으며, 본 발명에서 ZnCo2O4 플레이크를 ZnCo-F로 명명하였다(도 1a).ZnCo 2 O 4 flakes were synthesized using a urea assisted hydrothermal method. Specifically, a pink solution was prepared by dissolving 0.02M zinc nitrate hexahydrate, 0.04M cobalt nitrate hexahydrate, and 0.6M urea in 150 ml of deionized water for 30 minutes at room temperature. Then, the pink solution was transferred to a 200 ml Teflon lined stainless steel autoclave and reacted at 120 °C for 8 hours. After 8 hours, the autoclave was allowed to cool naturally at room temperature, and the obtained precipitate was washed several times with ethanol and deionized water and dried in a vacuum oven at 80 °C overnight. After drying, the obtained powder was annealed in an electric furnace at 400 °C for 2 hours at a rate of 3 °C per minute to obtain a pure crystalline phase of ZnCo 2 O 4 flakes. In the present invention, the ZnCo 2 O 4 flakes were named ZnCo-F ( Figure 1a).

1-2. ZnCo2O4 고체 구체의 합성1-2. Synthesis of ZnCo 2 O 4 solid spheres

ZnCo2O4 고체 구체는 용매열법(solvothermal method)을 사용하여 합성하였다. 구체적으로, 0.02M 아세트산아연 2수화물과 0.04M 아세트산코발트 4수화물을 100ml의 에틸렌 글리콜에 30분간 녹여 분홍색 용액을 제조하였다. 균질하게 녹인 용액을 200ml 둥근 바닥 플라스크로 옮기고 170 ℃의 오일 수조에서 2시간 동안 반응시켰다. 반응 시간이 지남에 따라 초기 분홍색 용액은 보라색으로 변했다. 2시간 동안 반응시킨 후, 얻어진 용액을 상온으로 자연 냉각시켰다. 침전물을 아세톤과 탈이온수로 여러 번 세척한 후 진공 오븐에서 밤새 80 ℃에서 건조하였다. 건조 후, 얻어진 분말을 공기 중에서 분당 0.5 ℃의 승온 속도로 350 ℃의 전기로에서 5시간 동안 어닐링하여 결정질 ZnCo2O4 구체를 얻었으며, 본 발명에서 ZnCo2O4 구체를 ZnCo-S로 명명하였다(도 1b).ZnCo 2 O 4 solid spheres were synthesized using a solvothermal method. Specifically, 0.02M zinc acetate dihydrate and 0.04M cobalt acetate tetrahydrate were dissolved in 100ml of ethylene glycol for 30 minutes to prepare a pink solution. The homogeneously dissolved solution was transferred to a 200ml round bottom flask and reacted in an oil bath at 170°C for 2 hours. As the reaction time progressed, the initially pink solution turned purple. After reacting for 2 hours, the obtained solution was naturally cooled to room temperature. The precipitate was washed several times with acetone and deionized water and then dried at 80°C in a vacuum oven overnight. After drying, the obtained powder was annealed in air at a temperature increase rate of 0.5°C per minute in an electric furnace at 350°C for 5 hours to obtain crystalline ZnCo 2 O 4 spheres. In the present invention, the ZnCo 2 O 4 spheres were named ZnCo-S. (Figure 1b).

실시예 2: 고리형 카보네이트 합성Example 2: Cyclic Carbonate Synthesis

2-1. 화학식 3-1로 표시되는 화합물(4-methyl-1,3-dioxolan-2-one) 합성2-1. Synthesis of a compound (4-methyl-1,3-dioxolan-2-one) represented by Formula 3-1

하기 화학식 2-1로 표시되는 알킬렌 옥사이드(20g, 344.3mmol), 상기 실시예 1-1에서 제조된 ZnCo-F(0.25g, 0.29mol%) 및 무기염(KI)(0.5g, 0.87mol%)을 100ml 용량의 테프론 라이닝 스테인리스 스틸 오토클레이브에 첨가하였다. 오토클레이브 반응기 내부를 CO2로 3회 퍼지하여 공기를 제거한 후 반응기를 가압(2MPa)하였다. 120 ℃에서 3시간 동안 반응시켰다. 3시간 동안 반응시킨 후, 반응기를 상온으로 자연 냉각시키고, 반응기 내부에 남아 있는 CO2를 천천히 방출하였다. 이후, 원심분리법으로 촉매를 분리하고 가스크로마토그래피(1H NMR, 13C NMR)로 생성물(하기 화학식 3-1로 표시되는 화합물)을 확인하였으며, 생성물의 화학 구조는 다음과 같다.Alkylene oxide (20g, 344.3mmol) represented by the following formula 2-1, ZnCo-F (0.25g, 0.29mol%) prepared in Example 1-1, and inorganic salt (KI) (0.5g, 0.87mol) %) was added to a 100 ml Teflon-lined stainless steel autoclave. The inside of the autoclave reactor was purged three times with CO 2 to remove air, and then the reactor was pressurized (2 MPa). Reaction was performed at 120°C for 3 hours. After reacting for 3 hours, the reactor was naturally cooled to room temperature, and the CO 2 remaining inside the reactor was slowly released. Afterwards, the catalyst was separated by centrifugation, and the product (a compound represented by the following formula 3-1) was confirmed by gas chromatography ( 1 H NMR, 13 C NMR). The chemical structure of the product is as follows.

[화학식 3-1][Formula 3-1]

1 H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂4.94-4.86(1H, m), 4.59-4.55(1H, 16, t), 4.08-4.04(1H, m), 1.38-1.36 (3H, d) 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂4.94-4.86(1H, m), 4.59-4.55(1H, 16, t), 4.08-4.04(1H, m), 1.38-1.36 (3H, d)

13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂155.35, 74.21, 70.92, 19.20 13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂155.35, 74.21, 70.92, 19.20

2-2. 화학식 3-2로 표시되는 화합물(4-((allyloxy)methyl)-1,3-dioxolan-2-one) 합성2-2. Synthesis of a compound (4-((allyloxy)methyl)-1,3-dioxolan-2-one) represented by Formula 3-2

상기 실시예 2-1에서, 화학식 2-1로 표시되는 알킬렌 옥사이드 대신, 하기 화학식 2-2로 표시되는 알킬렌 옥사이드를 사용한 것을 제외하고는 동일한 물질 및 조건하에서 진행하여 하기 화학식 3-2로 표시되는 화합물을 합성하였다. In Example 2-1, the procedure was carried out under the same materials and conditions except that alkylene oxide represented by the following formula 2-2 was used instead of the alkylene oxide represented by the formula 2-1, and the result was obtained by the formula 3-2 below. The indicated compounds were synthesized.

[화학식 2-2][Formula 2-2]

[화학식 3-2][Formula 3-2]

1 H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂5.93-5.83(1H,m), 5.29-5.15(2H, m), 4.96-4.91(1H, m), 4.55-4.51(1H, 16, t), 4.29-4.26(1H, m), 4.02-4(2H, m), 3.68-3.56(2H, m) 1 H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂5.93-5.83(1H,m), 5.29-5.15(2H, m), 4.96-4.91(1H, m), 4.55-4.51(1H, 16, t) , 4.29-4.26(1H, m), 4.02-4(2H, m), 3.68-3.56(2H, m)

13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂154.98, 134.61, 116.74, 75.48, 71.38, 69.11, 66.10 13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂154.98, 134.61, 116.74, 75.48, 71.38, 69.11, 66.10

2-3. 화학식 3-3으로 표시되는 화합물(4-ethyl-1,3-dioxolan-2-one) 합성2-3. Synthesis of a compound (4-ethyl-1,3-dioxolan-2-one) represented by Formula 3-3

상기 실시예 2-1에서, 화학식 2-1로 표시되는 알킬렌 옥사이드 대신, 하기 화학식 2-3으로 표시되는 알킬렌 옥사이드를 사용한 것을 제외하고는 동일한 물질 및 조건하에서 진행하여 하기 화학식 3-3으로 표시되는 화합물을 합성하였다. In Example 2-1, the procedure was carried out under the same materials and conditions except that alkylene oxide represented by the following formula 2-3 was used instead of the alkylene oxide represented by the formula 2-1, and the result was obtained by the formula 3-3 below. The indicated compounds were synthesized.

[화학식 2-3][Formula 2-3]

[화학식 3-3][Formula 3-3]

1 H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂4.78-4.71(1H, m), 4.59-4.55(1H, 16, t), 4.17-4.13(1H, m), 1.75-1.68(2H, m), 0.94-0.90 (3H, t, 16) 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂4.78-4.71(1H, m), 4.59-4.55(1H, 16, t), 4.17-4.13(1H, m), 1.75-1.68(2H, m) , 0.94-0.90 (3H, t, 16)

13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂155.16, 78.17, 69.06, 26.19, 8.51 13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂155.16, 78.17, 69.06, 26.19, 8.51

2-4. 화학식 3-4로 표시되는 화합물(4-(chloromethyl)-1,3-dioxolan-2-one) 합성2-4. Synthesis of a compound (4-(chloromethyl)-1,3-dioxolan-2-one) represented by Chemical Formula 3-4

상기 실시예 2-1에서, 화학식 2-1로 표시되는 알킬렌 옥사이드 대신, 하기 화학식 2-4로 표시되는 알킬렌 옥사이드를 사용한 것을 제외하고는 동일한 물질 및 조건하에서 진행하여 하기 화학식 3-4로 표시되는 화합물을 합성하였다. In Example 2-1, the procedure was carried out under the same materials and conditions except that alkylene oxide represented by the following formula 2-4 was used instead of the alkylene oxide represented by the formula 2-1, and the result was obtained by the formula 3-4 below. The indicated compounds were synthesized.

[화학식 2-4][Formula 2-4]

[화학식 3-4][Formula 3-4]

1 H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂5.16-5.11(1H, m), 4.63-4.59(1H, t, 16), 4.31-4.28 (1H, m), 4.03-3.92(2H, m) 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂5.16-5.11(1H, m), 4.63-4.59(1H, t, 16), 4.31-4.28 (1H, m), 4.03-3.92(2H, m)

13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂154.95, 75.40, 67.33, 45.73 13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂154.95, 75.40, 67.33, 45.73

2-5. 화학식 3-5로 표시되는 화합물(4-(tert-butoxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one) 합성2-5. Synthesis of a compound (4-(tert-butoxymethyl)-1,3-dioxolan-2-one) represented by Formula 3-5

상기 실시예 2-1에서, 화학식 2-1로 표시되는 알킬렌 옥사이드 대신, 하기 화학식 2-5로 표시되는 알킬렌 옥사이드를 사용한 것을 제외하고는 동일한 물질 및 조건하에서 진행하여 하기 화학식 3-5로 표시되는 화합물을 합성하였다. In Example 2-1, except that alkylene oxide represented by Formula 2-5 was used instead of alkylene oxide represented by Formula 2-1, the procedure was performed under the same materials and conditions as Formula 3-5 below. The indicated compounds were synthesized.

[화학식 2-5][Formula 2-5]

[화학식 3-5][Formula 3-5]

1 H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂4.90-4.85(1H, m), 4.53-4.49(1H, t, 16), 4.25-4.22(1H, m), 3.62-3.58(1H, m), 3.50-3.48(1H, m), 1.15(9H, s) 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6): ∂4.90-4.85(1H, m), 4.53-4.49(1H, t, 16), 4.25-4.22(1H, m), 3.62-3.58(1H, m) , 3.50-3.48(1H, m), 1.15(9H, s)

13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂155.03, 75.63, 72.99, 66.15, 61.34, 27.11 13 C NMR (100 MHz, DMSO-d6): ∂155.03, 75.63, 72.99, 66.15, 61.34, 27.11

실험예Experiment example

실험예 1: 촉매 특성 확인Experimental Example 1: Confirmation of catalyst characteristics

1-1. TGA 분석1-1. TGA analysis

실시예 1-1 및 실시예 1-2에서 제조된 ZnCo-F 및 ZnCo-S의 순수 상(pure phase) 형성 온도는 TGA 분석을 통해 확인하였다(도 2). 실시예 1-1 및 실시예1-2에서 제조된 ZnCo-F 및 ZnCo-S의 어닐링 전 분말(이하 "전구체")에 대해 각각 26.50 및 51.48%의 총 중량 손실이 관찰되었다. 도 2의 TGA 곡선에서 관찰된 바와 같이 전구체를 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매로 전환하기 위해 각각 400 및 350 ℃온도가 사용된 것을 확인할 수 있다. The pure phase formation temperature of ZnCo-F and ZnCo-S prepared in Examples 1-1 and 1-2 was confirmed through TGA analysis (FIG. 2). A total weight loss of 26.50 and 51.48% was observed for the pre-annealed powders (hereinafter “precursors”) of ZnCo-F and ZnCo-S prepared in Examples 1-1 and 1-2, respectively. As observed from the TGA curve in Figure 2, it can be seen that temperatures of 400 and 350 °C were used to convert the precursors into ZnCo-F and ZnCo-S catalysts, respectively.

1-2. XRD 분석1-2. XRD analysis

어닐링 후 제조된 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매의 상 순도 및 결정 구조는 5-80°의 스캔 범위에서 XRD 분석(Malvern Panalytical AERIES 600, CuKα 방사선, λ = 0.15406 nm)을 통해 확인하였다(도 3a). 도 3a에서 확인할 수 있듯이, ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매는 면심 입방 정정석 ZnCo2O4 구조(JCPDS No. 23-1390)의 표준 데이터에 잘 할당될 수 있는 9개의 높은 강도의 회절 피크를 나타냅니다. 18.98, 31.28, 36.86, 38.61, 44.8, 55.73, 59.33, 65.31 및 77.08°의 2θ 값에서 피크는 (111), (220), (311), (222), (400), (422), (511), (440) 및 (533)로 각각 인덱싱될 수 있다. 여분의 피크가 없다는 것은 합성된 물질의 상 순도를 명확하게 나타낸다. The phase purity and crystal structure of the ZnCo-F and ZnCo-S catalysts prepared after annealing were confirmed through ). As can be seen in Figure 3a, the ZnCo-F and ZnCo-S catalysts exhibit nine high intensity diffraction peaks that can be well assigned to the standard data of the face-centered cubic orthogonal ZnCo 2 O 4 structure (JCPDS No. 23-1390). Pay it. At 2θ values of 18.98, 31.28, 36.86, 38.61, 44.8, 55.73, 59.33, 65.31 and 77.08°, the peaks are (111), (220), (311), (222), (400), (422), (511) ), (440), and (533), respectively. The absence of extra peaks clearly indicates phase purity of the synthesized material.

1-3. XPS 분석1-3. XPS analysis

XPS 분석(Thermo Fisher, USA, Al Kα(1486.6 eV) X-선 소스가 장착된 ESCALAB MLII 분광기)을 통해 ZnCo-F 촉매 내의 원소와 산화 상태를 확인하였다. 도 4를 참고하면, ZnCo-F 촉매의 전체 XPS 스펙트럼은 Zn, Co, O 및 C 원소의 존재를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, Zn, Co 및 O 원소의 피크를 Gaussian fitting 방법으로 피팅하였다. 도 3b는 Zn 2p의 deconvoluted XPS 스펙트럼을 보여주며, 각각 Zn 2p1/2 및 Zn 2p3/2에 기인한 1043.2 및 1020.1 eV에서 두 개의 피크를 나타낸다. 이는 ZnCo-F 촉매에 Zn2+가 존재함을 나타낸다. 또한, Co 2p3/2 및 Co 2p1/2에 대한 두 개의 주요 피크를 나타내는 도 3c에 표시된 Co 2p의 deconvoluted XPS 스펙트럼과 각 피크는 두 개의 하위 피크에 맞춰질 수 있다. 779.16 및 794.13 eV에 맞춰진 피크는 Co3+를 나타내고 780.54 및 795.7 eV는 Co2+를 나낸다. Co3+ 피크의 적분 면적은 Co2+ 피크보다 크며, 이는 Co3+가 ZnCo-F 촉매의 주요 산화 상태임을 나타낸다. 또한 도 3c에서 788.8 eV 및 804.0 eV에서 위성 피크("Sat."로 표시)의 존재를 확인할 수 있으며, 이는 +3 산화 상태에서 Co 양이온의 증거 존재를 입증한다. 도 3d는 세 개의 피크에 맞출 수 있는 O 1s의 고해상도 스캔 스펙트럼을 나타낸다. 529.0eV(O2)의 피크는 금속-산소 결합에 해당하는 반면, 528.1(O1) 및 530.7eV(O3)의 피크는 표면에서 약한 배위의 산소 이온에 해당한다.The elements and oxidation states in the ZnCo-F catalyst were confirmed through XPS analysis (Thermo Fisher, USA, ESCALAB MLII spectrometer equipped with Al Kα (1486.6 eV) X-ray source). Referring to Figure 4, it can be seen that the entire XPS spectrum of the ZnCo-F catalyst indicates the presence of Zn, Co, O, and C elements. Additionally, the peaks of Zn, Co, and O elements were fitted using the Gaussian fitting method. Figure 3b shows the deconvoluted XPS spectrum of Zn 2p, showing two peaks at 1043.2 and 1020.1 eV attributed to Zn 2p 1/2 and Zn 2p 3/2 , respectively. This indicates that Zn 2+ exists in the ZnCo-F catalyst. Additionally , the deconvoluted Peaks tuned to 779.16 and 794.13 eV represent Co 3+ and 780.54 and 795.7 eV represent Co 2+ . The integrated area of the Co 3+ peak is larger than that of the Co 2+ peak, indicating that Co 3+ is the main oxidation state of the ZnCo-F catalyst. It can also be seen in Figure 3c the presence of satellite peaks (marked “Sat.”) at 788.8 eV and 804.0 eV, which evidence the presence of Co cations in the +3 oxidation state. Figure 3d shows a high-resolution scan spectrum of O 1s that can be fit to three peaks. The peak at 529.0 eV (O2) corresponds to the metal-oxygen bond, while the peaks at 528.1 (O1) and 530.7 eV (O3) correspond to weakly coordinated oxygen ions at the surface.

1-4. FE-SEM 분석1-4. FE-SEM analysis

합성된 ZnCo2O4 촉매의 형태를 FE-SEM 분석을 통해 확인하였으며, 그 결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 도 5는 ZnCo-F 촉매의 FE-SEM 이미지와 EDX 색상 매핑 결과를 나타낸 것이다. 도 5a 내지 도 5c는 서로 다른 배율에서 ZnCo-F 촉매 구조와 같은 계층적 플레이크를 나타낸 이미지이다. 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 플레이크 크기는 평균 두께가 60 nm이고 4-6 μm 범위임을 알 수 있다. 또한, EDX 색상 매핑을 수행하여 플레이크형 구조 내 원소 조성 및 분포를 확인했다(도 5d). 도 5d를 참조하면, 원소 색상 매핑은 플레이크의 스캔 영역 내에서 Zn, Co 및 O 원소의 균일한 분포를 확인할 수 있다. 또한 EDX 분석에서 얻은 ZnCo-F 촉매의 Zn, Co 및 O 원소의 원자 백분율을 아래 표 1에 나타내었다.The shape of the synthesized ZnCo 2 O 4 catalyst was confirmed through FE-SEM analysis, and the results are shown in Figures 5 and 6. Figure 5 shows the FE-SEM image and EDX color mapping results of the ZnCo-F catalyst. Figures 5a to 5c are images showing the hierarchical flake like ZnCo-F catalyst structure at different magnifications. Referring to Figures 5A-5C, it can be seen that the flake size ranges from 4-6 μm with an average thickness of 60 nm. Additionally, EDX color mapping was performed to confirm the elemental composition and distribution within the flake-like structure (Figure 5d). Referring to Figure 5d, elemental color mapping can confirm the uniform distribution of Zn, Co, and O elements within the scanned area of the flake. Additionally, the atomic percentages of Zn, Co, and O elements in the ZnCo-F catalyst obtained from EDX analysis are shown in Table 1 below.

성분ingredient 라인타입Line type 겉보기 농도apparent concentration k 비율k ratio 중량%weight% 중량 표준편차%Weight standard deviation% 원자%atom% OO K seriesK series 27.3827.38 0.092150.09215 30.6530.65 0.260.26 62.6862.68 CoCo K seriesK series 35.0435.04 0.350360.35036 47.6147.61 0.330.33 26.4326.43 ZnZn L seriesL series 4.414.41 0.044140.04414 21.7421.74 0.320.32 10.8810.88 Total:Total: -- -- -- 100.00100.00 -- 100.00100.00

한편, 도 6은 ZnCo-S 촉매의 FE-SEM 이미지와 EDX 색상 매핑 결과를 나타낸 것이다. 도 6a 내지 도 6c는 서로 다른 배율에서 평균 직경이 0.7μm인 ZnCo-S 촉매의 고체 구체 확인할 수 있다. 상기 고체 구체 내 Zn, Co 및 O 원소의 균일한 분포를 EDX 분석으로 확인하였다(도 6d). 또한, ZnCo-S에서 관찰된 Zn, Co 및 O 원소의 원소 조성은 표 2에 나타내었다.Meanwhile, Figure 6 shows the FE-SEM image and EDX color mapping results of the ZnCo-S catalyst. Figures 6a to 6c show solid spheres of the ZnCo-S catalyst with an average diameter of 0.7 μm at different magnifications. Uniform distribution of Zn, Co, and O elements in the solid sphere was confirmed by EDX analysis (FIG. 6d). Additionally, the elemental compositions of Zn, Co, and O elements observed in ZnCo-S are shown in Table 2.

성분ingredient 라인타입Line type 겉보기 농도apparent concentration K 비율K ratio 중량%weight% 중량 표준편차%Weight standard deviation% 원자%atom% OO K seriesK series 27.1027.10 0.091200.09120 30.7930.79 0.220.22 63.2963.29 CoCo K seriesK series 26.1926.19 0.261920.26192 34.4034.40 0.270.27 19.2019.20 ZnZn L seriesL series 8.878.87 0.088670.08867 34.8034.80 0.280.28 17.5117.51 Total:Total: 100.00100.00 100.00100.00

1-5. BET 분석1-5. BET Analysis

BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석을 통해 촉매의 표면적, 기공 부피 및 기공 크기 분포를 확인하였으며, 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.The surface area, pore volume, and pore size distribution of the catalyst were confirmed through BET (Brunauer-Emmett-Teller) analysis, and the results are shown in Table 3 below.

촉매catalyst 표면적surface area
(m(m 22 gg -1-One ))
기공 부피pore volume
(cm(cm 33 gg -1-One ))
기공 크기pore size
(nm)(nm)
ZnCo-FZnCo-F 40.8940.89 0.210.21 20.5820.58 ZnCo-SZnCo-S 25.7025.70 0.100.10 16.3616.36

상기 표 3을 참조하면, 본 발명의 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매의 표면적이 높아 촉매 활성이 우수할 수 있다.Referring to Table 3 above, the ZnCo-F and ZnCo-S catalysts of the present invention may have excellent catalytic activity due to their high surface area.

또한, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, ZnCo-F와 ZnCo-S 촉매의 질소 흡착-탈착 등온선은 자연계에 메조기공이 존재하는 H3 유형 히스테리시스 루프를 갖는 유형 IV 루프의 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매는 각각 40.89 및 25.70m2g-1의 BET 비표면적을 나타낸다. ZnCo-F 촉매의 총 기공 부피와 평균 기공 직경은 각각 0.21cm3g-1과 20.58nm로 관찰되었다. 반면 ZnCo-S 촉매는 총 기공 부피가 0.10 cm3g-1, 평균 기공 직경이 16.36 nm로 관찰되었다.In addition, referring to Figures 7a and 7b, it can be seen that the nitrogen adsorption-desorption isotherms of ZnCo-F and ZnCo-S catalysts show the characteristics of a type IV loop with an H3 type hysteresis loop where mesopores exist in nature. . The ZnCo-F and ZnCo-S catalysts exhibit BET specific surface areas of 40.89 and 25.70 m 2 g -1 , respectively. The total pore volume and average pore diameter of the ZnCo-F catalyst were observed to be 0.21 cm 3 g -1 and 20.58 nm, respectively. On the other hand, the ZnCo-S catalyst was observed to have a total pore volume of 0.10 cm 3 g -1 and an average pore diameter of 16.36 nm.

1-6.TPD 분석1-6.TPD analysis

NH3 온도 프로그램 탈착(NH3-TPD) 및 CO2 온도 프로그램 탈착(CO2-TPD)을 통해 촉매의 산성 및 염기성 특성을 각각 확인하였다. 촉매의 산성 및 염기성 특성은 고리화 첨가 반응(cycloaddition reactions)에서 우수한 전환율과 선택성을 달성하는데 중요한 역할을 한다. 따라서, 본 발명의 촉매에 대한 산성 및 염기성 특성을 각각 NH3 및 CO2 TPD로 분석하였으며, 그 결과를 도 7c, 도 7d및 하기 표 4에 나타내었다. The acidic and basic properties of the catalyst were confirmed through NH 3 temperature-programmed desorption (NH 3 -TPD) and CO 2 temperature-programmed desorption (CO 2 -TPD), respectively. The acidic and basic properties of the catalyst play an important role in achieving excellent conversion and selectivity in cycloaddition reactions. Therefore, the acidic and basic properties of the catalyst of the present invention were analyzed using NH 3 and CO 2 TPD, respectively, and the results are shown in Figures 7c, 7d and Table 4 below.

a) ZnCo-F 및 ZnCo-S의 CO2 TPD 분석a) CO2 TPD analysis of ZnCo-F and ZnCo-S 촉매catalyst 약한
(<200 ℃)
weak
(<200℃)
중간
(200-450 ℃)
middle
(200-450℃)
강한
(>450 ℃)
strong
(>450℃)
총진화
CO2 (mmol g-1)
total evolution
CO 2 (mmol g -1 )
ZnCo-FZnCo-F 0.41 (73)0.41 (73) 0.53 (208)0.53 (208) 0.80(502),17.76(860)0.80(502),17.76(860) 19.519.5 ZnCo-SZnCo-S 0.67(73)0.67(73) 0.87(209)0.87(209) 22.24(854)22.24(854) 23.7823.78 b) ZnCo-F 및 ZnCo-S의 NH3 TPD 분석b) NH 3 TPD analysis of ZnCo-F and ZnCo-S 촉매catalyst 약한
(<200 ℃)
weak
(<200℃)
중간
(200-450 ℃)
middle
(200-450℃)
강한
(>450 ℃)
strong
(>450℃)
총진화
NH3 (mmol g-1)
total evolution
NH 3 (mmol g -1 )
ZnCo-FZnCo-F 0.40(98)0.40(98) 0.55(212)0.55(212) 0.92(516),16.91(860)0.92(516),16.91(860) 18.7818.78 ZnCo-SZnCo-S 0.58 (102)0.58 (102) -- 18.75(861)18.75(861) 19.3319.33

탈착량은 < 200 ℃(약한 영역), 200~400 ℃(중간 영역) 및 >400 ℃(강한 영역)와 같은 다양한 온도 영역에서 기록되었다. 상기 표 4의 a)를 참조하면, 두 촉매 모두에 대해 모든 영역에서 CO2 탈착이 기록되었다. 본 발명의 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매는 강한 염기성 사이트(도 7c)의 존재로 인해 강한 영역(>450 ℃)에서 주요 피크를 나타내는 것을 확인할 수 있다. ZnCo-F와 ZnCo-S 촉매의 총 염기도는 각각 19.5와 23.78mmol g-1로 계산되었다. The amount of desorption was recorded in various temperature regimes: <200 °C (weak region), 200–400 °C (moderate region), and >400 °C (strong region). Referring to a) of Table 4 above, CO 2 desorption was recorded in all regions for both catalysts. It can be seen that the ZnCo-F and ZnCo-S catalysts of the present invention exhibit a major peak in the strong region (>450 °C) due to the presence of a strong basic site (Figure 7c). The total basicity of ZnCo-F and ZnCo-S catalysts was calculated to be 19.5 and 23.78 mmol g -1 , respectively.

한편, 상기 표 4의 b)를 참조하면, ZnCo-F 촉매에 대해 전체 영역에서 NH3 탈착을 보이는 것을 확인할 수 있다. 그러나 ZnCo-S 촉매는 약하고 강한 영역에서만 NH3 탈착을 보이는 것을 확인할 수 있다. 도 7d를 참조하면, 강한 영역에서 두 촉매에 모두에서 관찰된 주요 집중 피크를 통해 강산성 사이트의 존재를 확인할 수 있다. ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매의 총 산도는 각각 18.78 및 19.33 mmol g-1로 계산되었다. 합성된 촉매에 산성 및 염기성 부위가 모두 존재하면 이중 기능 촉매로 작용할 수 있는데, 따라서 본 발명의 촉매는 표면적이 우수하고 산-염기성이 우수하여 CO2 활용 반응을 가속화하는데 효과적이다.Meanwhile, referring to b) of Table 4, it can be seen that NH 3 desorption is observed in the entire region for the ZnCo-F catalyst. However, it can be confirmed that the ZnCo-S catalyst shows NH 3 desorption only in weak and strong regions. Referring to Figure 7d, the presence of strongly acidic sites can be confirmed through the main concentrated peak observed for both catalysts in the strong region. The total acidity of ZnCo-F and ZnCo-S catalysts was calculated to be 18.78 and 19.33 mmol g -1 , respectively. If both acidic and basic sites are present in the synthesized catalyst, it can act as a dual-function catalyst. Therefore, the catalyst of the present invention has an excellent surface area and excellent acid-base properties, making it effective in accelerating the CO 2 utilization reaction.

실험예 2: COExperimental Example 2: CO 22 의 화학적 고정을 위한 촉매 성능 확인Confirmation of catalyst performance for chemical fixation of

CO2 활용을 위한 지속 가능한 불균일 촉매로 본 발명의 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매를 사용했다. 프로필렌 카보네이트(화학식 3-1)를 제조하기 위한 고리화 첨가 반응을 위해 모델 기질로서 프로필렌 옥사이드(화학식 2-1)와 CO2를 무기염과 함께 촉매 상에서 반응을 수행되었습니다. 무기 염과 함께 ZnCo2O4의 강력한 루이스 산도, 염기도 및 높은 표면적의 존재는 CO2 활용에 효율일 수 있다. 하기 표 5(CO2의 화학적 고정을 위한 촉매의 촉매 성능)를 참조하면, CO2와 프로필렌 옥사이드의 프로필렌 카보네이트로의 고리화 첨가 반응은 처음에 촉매 없이 수행되어 촉매 성능을 나타내지 않았다(표 5의 항목 1). The ZnCo-F and ZnCo-S catalysts of the present invention were used as sustainable heterogeneous catalysts for CO 2 utilization. For the cycloaddition reaction to prepare propylene carbonate (Formula 3-1), the reaction was performed on a catalyst using propylene oxide (Formula 2-1) and CO 2 as model substrates along with an inorganic salt. The presence of strong Lewis acidity, basicity and high surface area of ZnCo 2 O 4 along with inorganic salts may be efficient for CO 2 utilization. Referring to Table 5 below (catalytic performance of the catalyst for chemical fixation of CO 2 ), the cycloaddition reaction of CO 2 and propylene oxide to propylene carbonate was initially performed without a catalyst and did not show catalytic performance (Table 5 Item 1).

항목item 촉매catalyst 전환율 (%)Conversion Rate (%) 선택성 (%)Selectivity (%) 1One -- -- -- 22 KClKCl 0.50.5 ≥ 99≥ 99 33 KBrKBr 1.711.71 ≥ 99≥ 99 44 KIKI 19.619.6 ≥ 99≥ 99 55 ZnCo-SZnCo-S TraceTrace -- 66 ZnCo-FZnCo-F TraceTrace -- 77 ZnCo-F/KIZnCo-F/KI 99.999.9 ≥ 99≥ 99 88 ZnCo-F/KClZnCo-F/KCl 10.210.2 ≥ 99≥ 99 99 ZnCo-F/KBrZnCo-F/KBr 17.117.1 ≥ 99≥ 99 1010 ZnCo-S/KIZnCo-S/KI 9595 ≥ 99≥ 99

그런 다음 KCl, KBr 및 KI(표 5의 항목 2, 3 및 4)와 같은 무기염에 대한 고리화 첨가 반응을 수행했다. 이는 프로필렌 옥사이드의 얕은 전환을 보였으며, 친핵성 및 할로겐화 음이온의 이탈 능력, KCl < KBr < KI 순으로 증가했다. 놀랍게도, (보조 촉매가 없는) 단독 ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매는 활성도가 높지 않고, 미량의 촉매 활성을 보였다(표 5의 항목 5 및 6). 따라서, ZnCo-F 및 ZnCo-S 촉매는 고리화 첨가 반응을 위해 무기염과 함께 사용했다. ZnCo-F/KI는 온화한 반응 조건(표 5의 항목 7)에서 프로필렌 카보네이트의 우수한 선택성(≥99%)으로 프로필렌 옥사이드의 우수한 전환율(99.9%)을 입증했다. 이 결과로부터 촉매의 존재가 중요하다는 것을 확인할 수 있었다. 한편, ZnCo-F 촉매를 KCl 및 KBr과 함께 사용하여 프로필렌 옥사이드 및 CO2의 고리화 첨가 반응을 수행하는 경우 촉매 성능이 좋지 않았다(표 5의 항목 8 및 9). 그러나, ZnCo-F는 KI의 강한 친핵성과 우수한 이탈 능력으로 인해 KCl 및 KBr에 비해 KI의 존재 하에서 우수한 촉매 성능을 보였다. 또한 ZnCo-S/KI에 대한 고리화 첨가 반응이 수행되었으며, 이는 프로필렌 카보네이트의 우수한 선택성(≥99%)(표 5의 항목 10)과 함께 프로필렌 옥사이드(95%)의 우수한 전환율을 입증했다. Then, cycloaddition reactions were performed for inorganic salts such as KCl, KBr, and KI (entries 2, 3, and 4 in Table 5). This showed a shallow conversion of propylene oxide, and the nucleophilic and halogenated anion escape abilities increased in the order of KCl < KBr < KI. Surprisingly, the ZnCo-F and ZnCo-S catalysts alone (without cocatalyst) were not highly active and showed only trace catalytic activity (entries 5 and 6 in Table 5). Therefore, ZnCo-F and ZnCo-S catalysts were used together with inorganic salts for the cycloaddition reaction. ZnCo-F/KI demonstrated excellent conversion of propylene oxide (99.9%) with good selectivity of propylene carbonate (≥99%) under mild reaction conditions (entry 7 in Table 5). From these results, it was confirmed that the presence of a catalyst is important. On the other hand, when the ZnCo-F catalyst was used with KCl and KBr to perform the cycloaddition reaction of propylene oxide and CO 2 , the catalyst performance was poor (entries 8 and 9 in Table 5). However, ZnCo-F showed superior catalytic performance in the presence of KI compared to KCl and KBr due to the strong nucleophilic nature of KI and excellent escape ability. Cycloaddition reactions were also performed on ZnCo-S/KI, which demonstrated good conversion of propylene oxide (95%) along with good selectivity (≥99%) of propylene carbonate (entry 10 in Table 5).

이후, 높은 전환율(99.9%)과 선택성(≥99%)을 가지는 ZnCo-F/KI 촉매 시스템을 사용하여 프로필렌 옥사이드와 CO2의 고리화 첨가 반응에 대한 반응 파라미터(촉매 로딩, 압력, 온도 및 시간 등)의 효과를 조사했다. 우선, 촉매 로딩 효과는 ZnCo-F와 KI 비율의 변화를 통해 조사하였다. 서로 다른 중량(0.1, 0.25, 0.5g)의 ZnCo-F 촉매를 서로 다른 KI 중량(0.1, 0.25, 0.5g)으로 스크리닝했다. 도 8a를 참조하면, KI의 중량이 증가함에 따라 프로필렌 옥사이드의 전환율이 증가함을 보여준다. 프로필렌 옥사이드가 프로필렌 카보네이트로 완전히 전환되는 것은 ZnCo-F/KI의 0.25/0.5 촉매 비율에서 관찰되었다. 촉매 농도(>0.25g)의 추가 증가는 반응에 영향을 미치지 않았다. 또한, 고리 첨가 반응에 대한 CO2 압력 효과를 조사하기 위해 ZnCo-F/KI 촉매의 비율(0.25/0.5g)을 일정하게 유지했다(도 8b). 도 8b를 참조하면, CO2 압력이 1에서 2.5 MPa로 증가함에 따라 우수한 선택성(≥99%)을 갖는 프로필렌 옥사이드 전환율의 증가가 관찰되었다. 촉매(ZnCo-F/KI)는 2 MPa의 압력 값에서 프로필렌 옥사이드(99.9%)의 우수한 전환율을 나타냈다. 이는 액상에서 CO2 압력이 증가함에 따라 CO2의 용해도가 증가하여 촉매 성능이 향상된 것으로 파악했다. 또한, CO2 압력의 증가는 촉매 성능에 영향을 미치지 않는 것을 확인했다.Then, the reaction parameters (catalyst loading, pressure, temperature and time) for the cycloaddition reaction of propylene oxide and CO 2 were determined using a ZnCo-F/KI catalyst system with high conversion (99.9%) and selectivity (≥99%). etc.) was investigated. First, the catalyst loading effect was investigated through changes in the ratio of ZnCo-F and KI. Different weights (0.1, 0.25, and 0.5 g) of ZnCo-F catalyst were screened with different KI weights (0.1, 0.25, and 0.5 g). Referring to Figure 8a, it shows that the conversion rate of propylene oxide increases as the weight of KI increases. Complete conversion of propylene oxide to propylene carbonate was observed at a catalytic ratio of 0.25/0.5 of ZnCo-F/KI. Further increase in catalyst concentration (>0.25 g) did not affect the reaction. Additionally, the ratio of ZnCo-F/KI catalyst (0.25/0.5 g) was kept constant to investigate the effect of CO 2 pressure on the cycloaddition reaction (Figure 8b). Referring to Figure 8b, an increase in propylene oxide conversion with excellent selectivity (≥99%) was observed as the CO 2 pressure increased from 1 to 2.5 MPa. The catalyst (ZnCo-F/KI) showed excellent conversion of propylene oxide (99.9%) at a pressure value of 2 MPa. It was found that as the pressure of CO 2 increased in the liquid phase, the solubility of CO 2 increased, thereby improving catalyst performance. Additionally, it was confirmed that increasing CO 2 pressure did not affect catalyst performance.

이후 다양한 반응 온도에서 반응을 진행하여 온도가 촉매 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 도 8c를 참조하면, 상기 반응이 온도에 민감한 것을 확인할 수 있다. 촉매 성능은 60 ℃에서 100 ℃로 점차 증가했고, 촉매는 120 ℃에서 우수한 프로필렌 옥사이드 전환율(99.9%)을 나타냈다. 반응 온도를 100 ℃에서 120 ℃로 올리면 전환율이 34.8%에서 99.9%로 증가했다. 이는 아마도 낮은 반응 온도가 고정된 시간 내에 CO2의 화학적 고정을 촉진하기에 충분한 에너지를 제공할 수 없어 낮은 반응 온도에서의 전환율이 높지 않은 것으로 확인하였다. 한편, 반응 시간이 고리화 첨가 반응의 촉매 성능에 미치는 영향을 연구하기 위해 시간 변화에 따른 반응을 수행했다. 도 8d에 반응 시간에 따른 프로필렌 옥사이드 전환율의 변화 경향을 나타내었다. 본 발명의 실시예에 따라 제조된 촉매를 사용하는 경우, 반응 시간이 1시간에서 3시간으로 증가함에 따라 프로필렌 옥사이드의 전환율이 31.1%에서 99.9%로 증가함을 확인하였다. 위의 모든 결과는 CO2를 프로필렌 카보네이트로 화학적으로 고정하기 위한 ZnCo-F/KI 촉매 시스템의 잠재적인 적용 가능성을 확인할 수 있으며, 이는 온화한 조건(3h, 120 ℃, 2 MPa)에서 프로필렌 카보네이트의 우수한 선택성과 함께 프로필렌 옥사이드(99.9%)의 우수한 전환율을 나타낸다.Afterwards, the reaction was performed at various reaction temperatures to examine the effect of temperature on catalyst performance. Referring to Figure 8c, it can be seen that the reaction is sensitive to temperature. The catalyst performance gradually increased from 60 °C to 100 °C, and the catalyst showed excellent propylene oxide conversion (99.9%) at 120 °C. Increasing the reaction temperature from 100 °C to 120 °C increased the conversion rate from 34.8% to 99.9%. This confirmed that the conversion rate at low reaction temperature was not high, possibly because the low reaction temperature could not provide sufficient energy to promote chemical fixation of CO 2 within a fixed time. Meanwhile, to study the effect of reaction time on the catalytic performance of the cycloaddition reaction, the reaction was performed with time variations. Figure 8d shows the change trend of propylene oxide conversion rate according to reaction time. When using the catalyst prepared according to an example of the present invention, it was confirmed that the conversion rate of propylene oxide increased from 31.1% to 99.9% as the reaction time increased from 1 hour to 3 hours. All the above results can confirm the potential application of ZnCo-F/KI catalyst system for chemical fixation of CO 2 to propylene carbonate, which shows the excellent It shows excellent conversion rate of propylene oxide (99.9%) along with selectivity.

한편, 본 발명의 ZnCo-F/KI 촉매의 촉매 적용 가능성을 확인하기 위해 CO2와 함께 다양한 에폭사이드를 조사하였다. 전자 공여 및 전자 흡인을 갖는 모든 말단 에폭사이드의 ZnCo-F/KI에 대한 CO2 활용도를 조사하였으며, 이는 우수한 촉매 성능을 나타냈습니다(표 6: 고리화 첨가 반응을 위한 ZnCo-F/KI의 기질 범위, 반응조건: 에폭사이드(20g, 344.3mmol), ZnCo-F/KI 0.25:0.5, 120 ℃, 2.0 Mpa).Meanwhile, in order to confirm the catalytic applicability of the ZnCo-F/KI catalyst of the present invention, various epoxides were investigated along with CO 2 . The CO2 utilization of all terminal epoxides with electron donating and electron withdrawing was investigated on ZnCo-F/KI, which showed excellent catalytic performance (Table 6: Substrates of ZnCo-F/KI for cycloaddition reactions Range, reaction conditions: epoxide (20g, 344.3mmol), ZnCo-F/KI 0.25:0.5, 120 ℃, 2.0 Mpa).

항목item 반응물reactant 생성물product 시간
(h)
hour
(h)
전환율
(%)
conversion rate
(%)
선택성
(%)
selectivity
(%)
1One 33 99.999.9 ≥ 99≥ 99 22 22 99.999.9 ≥ 99≥ 99 33 55 9898 ≥ 99≥ 99 44 55 8181 ≥ 99≥ 99 55 55 99.999.9 ≥ 99≥ 99

본 발명의 촉매는 3시간 이내에 우수한 선택성(≥99%)으로 프로필렌 옥사이드(99.9%)를 완전히 전환했다(표 6의 항목 1). 또한, 2시간 이내에 알릴 글리시딜 에테르(99.9%)의 우수한 전환율을 나타냈으며, 이는 반응을 촉진하는 기질의 말단 알릴 작용기의 존재 때문일 수 있다(표 6의 항목 2). 또한, 전자 공여 및 흡인 그룹에 대한 촉매 성능 효과를 확인했다. 높은 반응 수율을 얻기 위해서는 3시간보다 약간 더 긴 반응 시간이 필요한 것을 확인했다. 본 발명의 촉매는 5시간 이내에 1,2 에폭시 부탄 98% 및 에피클로로히드린 81%의 전환율을 나타냈다(표 6의 항목 3 및 4). 또한 입체 장애 효과로 인해 tert-부틸 글리시딜 에테르(99.9%)를 완전히 전환시키기 위해서는 5시간이 필요한 것을 확인했다(표 6의 항목 5). 또한 본 발명의 촉매를 최근 발표된 금속 산화물 기반 촉매 시스템과 비교한 결과, 에폭사이드와 함께 CO2를 고리형 카보네이트로 화학적으로 고정하는데 매우 효율적임을 확인했다(표 7: 에폭사이드와 CO2의 고리화 첨가 반응를 위한 다양한 금속 산화물의 비교).The catalyst of the present invention completely converted propylene oxide (99.9%) with excellent selectivity (≥99%) within 3 hours (entry 1 in Table 6). Additionally, it showed excellent conversion of allyl glycidyl ether (99.9%) within 2 h, which may be due to the presence of the terminal allyl functional group of the substrate, which promotes the reaction (entry 2 in Table 6). Additionally, the catalyst performance effects for electron donating and withdrawing groups were confirmed. It was confirmed that a reaction time slightly longer than 3 hours was required to obtain high reaction yield. The catalyst of the present invention achieved conversion rates of 98% for 1,2 epoxy butane and 81% for epichlorohydrin in 5 hours (entries 3 and 4 of Table 6). Additionally, it was confirmed that 5 hours were required to completely convert tert-butyl glycidyl ether (99.9%) due to the steric hindrance effect (entry 5 in Table 6). Additionally, as a result of comparing the catalyst of the present invention with a recently published metal oxide-based catalyst system, it was confirmed that it is very efficient in chemically fixing CO 2 with epoxide into a cyclic carbonate (Table 7: Ring of epoxide and CO 2 Comparison of various metal oxides for chemical addition reactions).

촉매catalyst 기질temperament 촉매량Catalytic amount 압력
(MPa)
enter
(MPa)
시간
(h)
hour
(h)
온도
(℃)
temperature
(℃)
전환율
(%)
conversion rate
(%)
선택도
(%)
selectivity
(%)
수율
(%)
transference number
(%)
[Zn(II)NMeTPyP]4+[I]4@PCN-224
(Sharma et al., 2019)
[Zn(II)NMeTPyP] 4+ [I] 4 @PCN-224
(Sharma et al., 2019)
10 mmol10 mmol 50 mg50mg 0.8 MPa0.8 MPa 2424 9090 >99>99 -- >99>99
M-BTC MOF (M= Mn, Co, Ni)
(Wu et al., 2018)
M-BTC MOF (M=Mn, Co, Ni)
(Wu et al., 2018)
344.3 mmol
(20 g)
344.3 mmol
(20 g)
1.5 wt%1.5wt% 3.0 MPa3.0 MPa 99 105105 94.5494.54 95.3495.34 90.1390.13
(Dai et al., 2010)(Dai et al., 2010) 28.6 mmol28.6 mmol 0.5 g0.5g 2.5 MPa2.5 MPa 1212 140140 -- 97.797.7 76.876.8 CuCo2O4
(Prasad et al., 2019)
CuCo2O4 _
(Prasad et al., 2019)
17.21 mmol
(1000 mg)
17.21 mmol
(1000 mg)
5 wt%5wt% 2.0 MPa2.0 MPa 33 8080 9898 9292 9090
Mg-Al
mixed oxides
(Yamaguchi et al., 1999)
Mg-Al
mixed oxides
(Yamaguchi et al., 1999)
4 mmol
(3 ml DMF 용매 사용)
4 mmol
(using 3 ml DMF solvent)
-- 5 atm.5 atm. 2424 120120 9696 -- 8888
Mn-Ba(Kulal et al., 2019)Mn-Ba (Kulal et al., 2019) 30.1 mmol
(11 ml DMF 용매사용)
30.1 mmol
(using 11 ml DMF solvent)
20 wt%20wt% 2.5 MPa
 
2.5 MPa
6
 
6
160
 
160
98.1
 
98.1
-
 
-
96
 
96
Sn-Ni(Kulal et al., 2019)Sn-Ni (Kulal et al., 2019) 30.1 mmol
(11 ml DMF 용매 사용)
30.1 mmol
(using 11 ml DMF solvent)
20 wt%20wt% 2.5 MPa
 
2.5 MPa
88 160160 96.996.9 -- 90.290.2
 ZnCo2O4
 
ZnCo2O4 _
344.3 mmol
(20 g)
무용매
344.3 mmol
(20 g)
Solvent-free
0.29 mol% (1.25 wt%)0.29 mol% (1.25 wt%) 2.0 MPa2.0 MPa 33 120120 99.9 99.9 ≥ 99≥ 99 99.999.9

안정성은 지속 가능한 촉매 및 실제 적용을 위한 필수 요소이다. 본 발명의 반응은 최적화된 반응 조건에서 CO2와 프로필렌 옥사이드의 고리화 첨가 반응을 위한 본 발명 ZnCo-F 촉매의 재사용 가능성을 조사하기 위해 수행되었다. 반응 종결 후, 간단한 원심분리 방법으로 ZnCo-F 촉매를 분리하였다. 물로 세척한 후 에탄올로 세척하고 60 ℃의 진공 오븐에서 8시간 동안 건조시킨 후, 고리화 첨가 반응에 사용했다. Stability is an essential factor for sustainable catalysts and practical applications. The reaction of the present invention was carried out to investigate the reusability of the ZnCo-F catalyst of the present invention for the cycloaddition reaction of CO 2 and propylene oxide under optimized reaction conditions. After completion of the reaction, the ZnCo-F catalyst was separated using a simple centrifugation method. It was washed with water and then with ethanol, dried in a vacuum oven at 60°C for 8 hours, and then used in a cycloaddition reaction.

도 9a를 참조하면, ZnCo-F 촉매가 촉매 성능의 큰 변화 없이 성공적으로 4번 사용되었음을 보여준다. 또한 도 9b 및 도9c에서 새로운 촉매와 사용된 촉매의 FT-IR 및 XRD 스펙트럼이 큰 변화를 나타내지 않았으며, ZnCo-F 촉매의 구조적 안정성이 높다는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 9a, it shows that the ZnCo-F catalyst was successfully used four times without significant change in catalyst performance. In addition, in Figures 9b and 9c, the FT-IR and XRD spectra of the new catalyst and the used catalyst did not show significant changes, and it can be seen that the structural stability of the ZnCo-F catalyst is high.

본 발명의 실시예에 따라 제조된 ZnCo-F/KI 촉매를 사용하여 고리형 카보네이트 합성을 위한 가능한 반응 메커니즘을 도 10에 나타내었다. 본 발명에 있어서, 물리화학적 결과는 ZnCo-F 촉매가 좋은 표면적을 가지고 있고 강한 루이스 산과 강한 루이스 염기 사이트가 모두 존재하기 때문에, CO2와 에폭사이드를 활성화할 수 있음을 보여준다. ZnCo-F와 KI 사이의 시너지 효과는 CO2와 에폭사이드의 고리 첨가 반응을 효율적으로 촉진할 수 있다. 처음에 CO2는 ZnCo-F 촉매의 루이스 염기성 사이트(O2 -)에 의해 활성화되어 음이온 카르복실레이트 종을 형성한다. 동시에, 루이스 산성 금속 중심은 에폭사이드(I)를 활성화시켰고, 이는 루이스 산도와 촉매의 염기도가 고리화 첨가 반응에서 중요한 역할을 한다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 동시에 KI의 요오드화물 음이온의 친핵성 공격에 의해 활성화된 에폭사이드의 덜 입체적으로 방해되는 탄소 원자에 대한 에폭사이드의 고리 열림이 요오도-알콕사이드 중간체(II)를 생성한다. 이어서 생성된 요오드-알콕사이드 중간체는 카르복실레이트와 상호작용하여 알킬 카보네이트(III)를 형성한다. 마지막으로, 촉매(IV)의 분자내 고리화 및 재생으로 인해 고리형 카보네이트 생성물이 생성되는 것을 확인할 수 있었다.A possible reaction mechanism for the synthesis of cyclic carbonate using the ZnCo-F/KI catalyst prepared according to an example of the present invention is shown in Figure 10. In the present invention, the physicochemical results show that the ZnCo-F catalyst can activate CO 2 and epoxide because it has a good surface area and both strong Lewis acid and strong Lewis base sites exist. The synergistic effect between ZnCo-F and KI can efficiently promote the cycloaddition reaction of CO 2 and epoxide. Initially, CO 2 is activated by the Lewis basic site (O 2 - ) of the ZnCo-F catalyst to form anionic carboxylate species. At the same time, the Lewis acidic metal center activated epoxide (I), confirming that Lewis acidity and basicity of the catalyst play an important role in the cycloaddition reaction. Additionally, ring opening of the epoxide to the less sterically hindered carbon atom of the epoxide activated simultaneously by the nucleophilic attack of the iodide anion of KI generates the iodo-alkoxide intermediate (II). The resulting iodine-alkoxide intermediate then interacts with the carboxylate to form alkyl carbonate (III). Finally, it was confirmed that a cyclic carbonate product was generated due to intramolecular cyclization and regeneration of catalyst (IV).

Claims (16)

이산화탄소로부터 고리형 카보네이트 제조에 관여하는 금속산화물 촉매에 있어서, 상기 금속산화물 촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 스피넬 구조(spinel structure)를 가지는 것인, 금속산화물 촉매:
[화학식 1]
XCo2O4
상기 식에서,
X는 Zn이다.
In the metal oxide catalyst involved in producing cyclic carbonate from carbon dioxide, the metal oxide catalyst has a spinel structure represented by the following formula (1):
[Formula 1]
XCo 2 O 4
In the above equation,
X is Zn.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물 촉매는 플레이크(Flake) 또는 구(sphere) 형상을 가지는 것인, 촉매.
According to paragraph 1,
The metal oxide catalyst is a catalyst having a flake or sphere shape.
제1항에 있어서,
상기 금속산화물 촉매는 10 내지 60 m2g-1의 비표면적을 가지는 것인, 촉매.
According to paragraph 1,
The metal oxide catalyst has a specific surface area of 10 to 60 m 2 g -1 .
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 촉매로 하여 이산화탄소 및 알킬렌 옥사이드를 반응시켜 고리형 카보네이트를 제조하는 방법:
[화학식 1]
XCo2O4
상기 식에서,
X는 Zn이다.
Method for producing cyclic carbonate by reacting carbon dioxide and alkylene oxide using a compound represented by the following formula (1) as a catalyst:
[Formula 1]
XCo 2 O 4
In the above equation,
X is Zn.
제4항에 있어서,
상기 알킬렌 옥사이드는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이며, 상기 고리형 카보네이트는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물인 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법:
[화학식 2]

[화학식 3]

상기 식에서, R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로, 수소 원자, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 이상 10 이하의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 옥시기이다.
According to paragraph 4,
A method of producing a cyclic carbonate, wherein the alkylene oxide is a compound represented by the following formula (2), and the cyclic carbonate is a compound represented by the following formula (3):
[Formula 2]

[Formula 3]

In the above formula, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted oxy group.
제4항에 있어서,
상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 하기 화학식 2-1 내지 2-5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법:
[화학식 2-1]

[화학식 2-2]

[화학식 2-3]

[화학식 2-4]

[화학식 2-5]
According to paragraph 4,
A method of producing a cyclic carbonate, wherein the compound represented by Formula 2 is any one selected from the compounds represented by Formulas 2-1 to 2-5:
[Formula 2-1]

[Formula 2-2]

[Formula 2-3]

[Formula 2-4]

[Formula 2-5]
제4항에 있어서,
상기 화학식 3으로 표시되는 화합물은 하기 화학식 3-1 내지 3-5로 표시되는 화합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법:
[화학식 3-1]

[화학식 3-2]

[화학식 3-3]

[화학식 3-4]

[화학식 3-5]
According to paragraph 4,
A method of producing a cyclic carbonate, wherein the compound represented by Formula 3 is any one selected from compounds represented by the following Formulas 3-1 to 3-5:
[Formula 3-1]

[Formula 3-2]

[Formula 3-3]

[Formula 3-4]

[Formula 3-5]
제4항에 있어서,
상기 금속산화물 촉매는 상기 알킬렌 옥사이드에 대해 0.01 내지 5 몰%로 사용되는 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a cyclic carbonate, wherein the metal oxide catalyst is used in an amount of 0.01 to 5 mol% based on the alkylene oxide.
제4항에 있어서,
상기 방법은 무기염을 더 포함하여 고리형카보네이트를 제조하는 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to paragraph 4,
The method of producing a cyclic carbonate further includes an inorganic salt.
제9항에 있어서,
상기 무기염은 KI인 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to clause 9,
A method for producing a cyclic carbonate, wherein the inorganic salt is KI.
제9항에 있어서,
상기 무기염은 상기 알킬렌 옥사이드에 대해 0.01 내지 7 몰%로 사용되는 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to clause 9,
A method for producing a cyclic carbonate, wherein the inorganic salt is used in an amount of 0.01 to 7 mol% based on the alkylene oxide.
제4항에 있어서,
상기 반응 온도는 80 내지 140 ℃인 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a cyclic carbonate, wherein the reaction temperature is 80 to 140 °C.
제4항에 있어서,
상기 반응 압력은 1 내지 5 MPa인 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 벙법.
According to paragraph 4,
A method for producing a cyclic carbonate, wherein the reaction pressure is 1 to 5 MPa.
제4항에 있어서,
상기 반응 시간은 1 내지 8 시간인 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a cyclic carbonate, wherein the reaction time is 1 to 8 hours.
제4항에 있어서,
상기 금속산화물 촉매는 플레이크(Flake) 또는 구(sphere) 형상을 가지는 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a cyclic carbonate, wherein the metal oxide catalyst has a flake or sphere shape.
제4항에 있어서,
금속산화물 촉매는 10 내지 60 m2g-1의 비표면적을 가지는 것인, 고리형 카보네이트를 제조하는 방법.
According to paragraph 4,
A method of producing a cyclic carbonate, wherein the metal oxide catalyst has a specific surface area of 10 to 60 m 2 g -1 .
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