KR20240024007A - Catalyst for reverse water gas shift reaction comprising gas-permeable amorphous shell formed from copper-based strong metal-support interaction - Google Patents

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KR20240024007A
KR20240024007A KR1020230077934A KR20230077934A KR20240024007A KR 20240024007 A KR20240024007 A KR 20240024007A KR 1020230077934 A KR1020230077934 A KR 1020230077934A KR 20230077934 A KR20230077934 A KR 20230077934A KR 20240024007 A KR20240024007 A KR 20240024007A
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 구리 기반 강한 금속-지지체 인력에 의해 형성된 기체 투과성 비정질 쉘을 포함하는 역수성가스 반응용 촉매에 관한 것이다. 본 발명자들은 구리-세리아 고용체(copper-ceria solid solution) 합성 후, 고용체의 표면 결함자리를 조절함으로써, 증진된 표면 결함자리로 용출된 구리 입자 위에 비정질이고 가스 투과성인 쉘 구조가 형성된 촉매를 제조하였다. 본 발명에 따른 촉매 제조 방법을 이용하는 경우, 표면 쉘 안에 고정되어 있는 매우 작은 크기의 CuO 입자와 CeO2 격자구조에 삽입된 Cu 자리들로만 이루어진 구조를 포함하는 촉매를 합성할 수 있으며, 이를 RWGS 반응에서 사용하는 경우 기존 귀금속 촉매 대비 우수한 저온에서의 반응성, 높은 반응성 및 내구성을 나타낸다. 또한, 본 발명의 촉매를 monolith에 담지해 벤치 규모(bench scale)에서 RWGS 반응을 실시하는 경우에도 실험실 규모에서와 같은 높은 반응성, CO2 전환율 및 내구성을 나타내므로, 실공정에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.The present invention relates to a catalyst for reverse water gas reaction comprising a gas-permeable amorphous shell formed by strong copper-based metal-support attraction. The present inventors synthesized a copper-ceria solid solution and then adjusted the surface defect sites of the solid solution to prepare a catalyst in which an amorphous and gas-permeable shell structure was formed on copper particles eluted with enhanced surface defect sites. . When using the catalyst preparation method according to the present invention, it is possible to synthesize a catalyst containing a structure consisting only of very small-sized CuO particles fixed in the surface shell and Cu sites inserted into the CeO2 lattice structure, and use this in the RWGS reaction. When used, it exhibits superior reactivity at low temperatures, high reactivity, and durability compared to existing noble metal catalysts. In addition, even when the catalyst of the present invention is supported on a monolith and the RWGS reaction is performed at a bench scale, it shows the same high reactivity, CO 2 conversion rate, and durability as at the laboratory scale, so it is expected to be applicable to actual processes. It is expected.

Description

구리 기반 강한 금속-지지체 인력에 의해 형성된 기체 투과성 비정질 쉘을 포함하는 역수성가스 반응용 촉매{CATALYST FOR REVERSE WATER GAS SHIFT REACTION COMPRISING GAS-PERMEABLE AMORPHOUS SHELL FORMED FROM COPPER-BASED STRONG METAL-SUPPORT INTERACTION}Catalyst for reverse water gas reaction comprising a gas-permeable amorphous shell formed by copper-based strong metal-support attraction

본 발명은 구리 기반 강한 금속-지지체 인력에 의해 형성된 기체 투과성 비정질 쉘(amorphous shell)을 포함하는 역수성가스 반응용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for reverse water gas reaction comprising a gas-permeable amorphous shell formed by strong copper-based metal-support attraction.

역수성 가스 전환 반응 (RWGS reaction)의 경우 높은 이산화탄소 전환율 및 일산화탄소 선택도를 달성하기 위해서는 고온에서의 반응이 요구된다. 이산화탄소와 수소를 주입하여 일산화탄소 및 물을 생성하는 위 반응은 저온에서는 메탄으로의 부반응이 우세하게 일어나고 고온에서는 높은 환원분위기에서 반응자리가 무너진다. 따라서 높은 반응성 및 일산화탄소로의 높은 선택도를 동시에 달성하기 어려우며 따라서 실제 공정에서 사용되기 위해서는 반응자리의 고온 내구성 및 환원 분위기에서의 내구성을 구비하거나, 또는 저온에서 높은 반응성 및 선택도를 동시에 달성하는 반응이 일어나게 하는 것이 필수적이다.In the case of the reverse water gas shift reaction (RWGS reaction), reaction at high temperature is required to achieve high carbon dioxide conversion rate and carbon monoxide selectivity. In the above reaction, which produces carbon monoxide and water by injecting carbon dioxide and hydrogen, a side reaction to methane occurs predominantly at low temperatures, and the reaction site collapses in a high reducing atmosphere at high temperatures. Therefore, it is difficult to achieve high reactivity and high selectivity to carbon monoxide at the same time. Therefore, in order to be used in an actual process, the reaction site must have high temperature durability and durability in a reducing atmosphere, or a reaction that simultaneously achieves high reactivity and selectivity at low temperature. It is essential to make this happen.

다양한 표면 반응에서 효과가 우수한 불균일 촉매(heterogeneous catalysts)를 개발하기 위해, 금속 나노 입자와 산화물 지지체(oxide support) 사이의 계면을 제어하는 일이 활발히 연구되었다. 일반적으로 ≤10 nm 크기의 작은 나노 입자가 지지체에 분산되었지만 이러한 나노 입자는 반응 중에 더 큰 입자로 쉽게 소결되었다. 이러한 내구성 문제를 해결하기 위해 강한 금속-지지체 상호 작용(strong metal-support interaction, SMSI)은 금속 나노 입자 위에 종종 산화물 쉘을 형성하여 소결을 방지할 수 있기 때문에 많은 관심을 받았다.Controlling the interface between metal nanoparticles and oxide supports has been actively studied to develop heterogeneous catalysts that are effective in various surface reactions. Small nanoparticles, typically ≤10 nm in size, were dispersed in the support, but these nanoparticles easily sintered into larger particles during the reaction. To solve this durability problem, strong metal-support interaction (SMSI) has received much attention because it can often form an oxide shell on metal nanoparticles, preventing sintering.

산화물 쉘은 표면 산소 종이 활성화될 때 형성된다. 이동성 표면 산소 종(mobile surface oxygen species)을 추출한 후, 생성된 준화학량론적 금속 산화물 종(sub-stoichiometric metal oxide species)은 금속 나노입자로 이동하여 오버레이어를 형성한다. 일반적으로 이 과정은 고온의 환원 환경에서 이루어진다. 그러나 금속 나노입자는 쉘이 형성되기 전에 소결되는 경우가 많다. 또한, 쉘은 일반적으로 너무 결정성(crystalline)이어서 기체 투과성이 없어 촉매 활성을 잃는다. The oxide shell is formed when surface oxygen species are activated. After extracting mobile surface oxygen species, the resulting sub-stoichiometric metal oxide species migrate to the metal nanoparticles to form an overlayer. Typically, this process takes place in a high temperature reducing environment. However, metal nanoparticles are often sintered before the shell is formed. Additionally, the shell is generally so crystalline that it is not permeable to gases and thus loses catalytic activity.

그러나 작은 나노입자의 기체 투과성 쉘 구조는 귀금속 나노입자에서만 관찰되었는데, 이는 산소종이 귀금속 나노입자와 금속 산화물 지지체 사이의 계면에서만 효율적으로 활성화될 수 있기 때문일 수 있다. 비정질 쉘 구조를 갖는 비귀금속 촉매는 대규모 산업 공정에 특히 유망할 수 있으므로, 비정질 쉘 구조를 갖는 비금속 촉매 개발의 필요성이 제기되고 있다. However, the gas-permeable shell structure of small nanoparticles was observed only for noble metal nanoparticles, which may be because oxygen species can be efficiently activated only at the interface between noble metal nanoparticles and metal oxide support. Since non-noble metal catalysts with an amorphous shell structure may be particularly promising for large-scale industrial processes, there is a need to develop non-noble metal catalysts with an amorphous shell structure.

대한민국 등록특허 제10-1682117호 (등록일자 2016년 11월 28일)Republic of Korea Patent No. 10-1682117 (registration date: November 28, 2016)

본 발명자들은 대규모 산업공정에서도 사용이 가능한 비정질 쉘 구조를 갖는 비귀금속 촉매를 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과 Cu 도핑된 CeO2를 사용하면 CeO2에 증착시키는 Cu 나노입자가 소결되지 않고 기체 투과성의 가지는 비정질 쉘을 형성할 수 있으며, 이렇게 제조된 촉매가 역수 가스 전환반응에서 우수한 반응성 및 내구성을 가짐을 확인하고 본 발명을 완성하였다. The present inventors made extensive research efforts to develop a non-precious metal catalyst with an amorphous shell structure that can be used in large-scale industrial processes. As a result, when Cu-doped CeO 2 is used, the Cu nanoparticles deposited on CeO 2 can form an amorphous shell with gas permeability without sintering, and the catalyst prepared in this way has excellent reactivity and durability in the reverse gas shift reaction. was confirmed and the present invention was completed.

따라서, 본 발명의 목적은 CeO2와 같은 금속산화물 지지체 및 구리를 포함하는 복합 산화물 촉매를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명에 따르면 대규모 산업공정에서 유리한 온도 조건을 만족하면서도 높은 반응성과 선택성을 보이는 복합 산화물 촉매가 제공될 수 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a composite oxide catalyst containing a metal oxide support such as CeO 2 and copper. In particular, according to the present invention, a complex oxide catalyst that shows high reactivity and selectivity while satisfying favorable temperature conditions in large-scale industrial processes can be provided.

본 발명의 다른 목적은 상기 복합 산화물 촉매를 포함하는 촉매 잉크 조성물을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a catalyst ink composition containing the complex oxide catalyst.

본 발명의 또 다른 목적은 복합 산화물 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a complex oxide catalyst.

단, 본 발명의 목적은 상술한 내용에 한정되는 것이 아니며, 이하의 명세서에 기재된 내용에 의해 보다 명확해질 것이다.However, the purpose of the present invention is not limited to the above-described content, and will become clearer from the content described in the following specification.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 금속산화물 지지체 및 구리를 포함하는 복합 산화물 촉매를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, the present invention provides a complex oxide catalyst including a metal oxide support and copper.

이 경우, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속산화물은 TiO2, 또는 CeO2일 수 있다. In this case, in one embodiment of the present invention, the metal oxide may be TiO 2 or CeO 2 .

한편, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구리는 촉매의 표면에 입자로 존재한다.Meanwhile, in one embodiment of the present invention, the copper exists as particles on the surface of the catalyst.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입자는 나노 입자이다. In one embodiment of the present invention, the particles are nanoparticles.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입자는 1 내지 150 nm, 1 내지 100 nm, 1 내지 80 nm, 1 내지 50 nm, 1 내지 40 nm, 1 내지 30 nm, 1 내지 20 nm, 또는 1 내지 10 nm의 평균 입자 직경을 가지나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment of the invention, the particles have a size of 1 to 150 nm, 1 to 100 nm, 1 to 80 nm, 1 to 50 nm, 1 to 40 nm, 1 to 30 nm, 1 to 20 nm, or 1 to 20 nm. It has an average particle diameter of 10 nm, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입자의 구리는 산화구리를 포함한다. 상기 산화구리는 Cu2O, CuO, 또는 Cu2O3이다. In one embodiment of the present invention, the copper in the particles includes copper oxide. The copper oxide is Cu 2 O, CuO, or Cu 2 O 3 .

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입자는 상기 금속산화물 지지체로 이루어진 쉘로 캡슐화된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 쉘은 가스 투과성(gas permeability)을 나타낸다.In one embodiment of the present invention, the particles are encapsulated with a shell made of the metal oxide support. In one embodiment of the invention, the shell exhibits gas permeability.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구리는 CeO2 격자 구조 내에 존재할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the copper may exist in a CeO 2 lattice structure.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복합 산화물 역수성 가스 전환반응(Reverse Water Gas Shift, RWGS)용이나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the complex oxide is used for Reverse Water Gas Shift (RWGS), but is not limited thereto.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 상기 복합 산화물 촉매를 포함하는 촉매 조성물을 제공한다. According to another aspect of the present invention, the present invention provides a catalyst composition including the complex oxide catalyst.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매조성물은 안정화제, 촉진제, 또는 결합제를 추가로 포함한다.In one embodiment of the present invention, the catalyst composition further includes a stabilizer, an accelerator, or a binder.

상기 안정화제(stabilizer)는 PVP (polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinylalcohol) 또는 CTAB (cetyltrimethyl ammonium bromide)이고, 당업계에 공지된 촉매를 위한 안정화제라면 비-제한적으로 포함될 수 있다(Ott, L. S., & Finke, R. G. (2007). Transition-metal nanocluster stabilization for catalysis: a critical review of ranking methods and putative stabilizers. Coordination Chemistry Reviews, 251(9-10), 1075-1100. 참조).The stabilizer is polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylalcohol (PVA), or cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), and may be included without limitation as long as it is a stabilizer for a catalyst known in the art (Ott, L. S., & Finke , R. G. (2007). Transition-metal nanocluster stabilization for catalysis: a critical review of ranking methods and putative stabilizers. Coordination Chemistry Reviews, 251(9-10), 1075-1100.

상기 촉진제(promoter)는 환원할 수 있는 전이금속 산화물, 예컨대, La2O3, 또는 MoOx이거나; 친산소성 금속, 예컨대, Re (Rhenium)이거나; 또는 알칼리 금속, 예컨대, Li (Lithium), Na (Sodium), Na2O, K (Potassium), K2O, 또는 KOx일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The promoter is a reducible transition metal oxide, such as La 2 O 3 , or MoOx; an oxygen-friendly metal such as Re (Rhenium); Or it may be an alkali metal, such as Li (Lithium), Na (Sodium), Na 2 O, K (Potassium), K 2 O, or KO x , but is not necessarily limited thereto.

상기 결합제(binder)는 무기 바인더 또는 유기 바인더일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 무기 바인더는 점토, 물유리, 실리카, 티타니아, 또는 지르코니아일 수 있다. 다른 예를 들어, 유기 바인더는 폴리비닐알콜, 폴리우레탄, 아크릴수지, 멜라민수지, 또는 에폭시수지일 수 있다. 또 다른 예를 들어, 결합제는 실리카, 실록산 중합체, 실리콘 수지, 인산 알루미늄, 아크릴계 결합제, 제올라이트, 희토류산화물, 유리 미세 분말, 중합체일 수 있다. 상기 희토류는 Sc, Y, 또는 La일 수 있다.The binder may be an inorganic binder or an organic binder, but is not necessarily limited thereto. For example, the inorganic binder can be clay, water glass, silica, titania, or zirconia. As another example, the organic binder may be polyvinyl alcohol, polyurethane, acrylic resin, melamine resin, or epoxy resin. For another example, the binder may be silica, siloxane polymer, silicone resin, aluminum phosphate, acrylic binder, zeolite, rare earth oxide, glass fine powder, or polymer. The rare earth may be Sc, Y, or La.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매 조성물은 산화알루미늄 입자를 포함한다. 상기 산화알루미늄 입자는 바인더로 사용된다.In one embodiment of the present invention, the catalyst composition includes aluminum oxide particles. The aluminum oxide particles are used as a binder.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매 조성물은 산화알루미늄 입자는 산화알루미늄을 50 내지 80%(w/w), 60 내지 80%(w/w), 65 내지 80%(w/w), 70 내지 80%(w/w), 72 내지 80%(w/w), 또는 75 내지 80%(w/w)로 포함한다. 상기 산화알루미늄 입자는 평균 직경이 20 내지 50 μm이다. In one embodiment of the present invention, the catalyst composition contains aluminum oxide particles in an amount of 50 to 80% (w/w), 60 to 80% (w/w), 65 to 80% (w/w), 70 to 80% (w/w), 72 to 80% (w/w), or 75 to 80% (w/w). The aluminum oxide particles have an average diameter of 20 to 50 μm.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매 조성물은 산화나트륨을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the catalyst composition includes sodium oxide.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 촉매 조성물은 촉매 잉크 조성물일 수 있으며, 특정 물품을 코팅하여 촉매기능을 부여하는데 사용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the catalyst composition may be a catalyst ink composition and may be used to coat a specific article to provide a catalyst function.

본 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 일 실시예에 따른 촉매조성물을 이산화탄소 기체 및 수소 기체를 포함하는 혼합 기체에 접촉시키는 단계를 포함하는 역수성 가스 전환(Reverse Water Gas Shift, RWGS) 반응을 통한, 선택적 일산화탄소 생성방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a reverse water gas shift (RWGS) method comprising contacting the catalyst composition according to an embodiment with a mixed gas containing carbon dioxide gas and hydrogen gas. Provides a method for selectively producing carbon monoxide through reaction.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 혼합 기체는 질소 기체, 이산 화탄소 기체 및 수소 기체를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the mixed gas includes nitrogen gas, carbon dioxide gas, and hydrogen gas.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 기체 및 수소 기체의 부피비는 1:1 내지 1:4이다. In one embodiment of the present invention, the volume ratio of carbon dioxide gas and hydrogen gas is 1:1 to 1:4.

본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 기체 및 수소 기체의 부피비는 1:1, 1:2, 1:3, 또는 1:4이다. In another embodiment of the present invention, the volume ratio of carbon dioxide gas and hydrogen gas is 1:1, 1:2, 1:3, or 1:4.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 기체 및 수소 기체의 부피비는 1:3이다. In another embodiment of the present invention, the volume ratio of carbon dioxide gas and hydrogen gas is 1:3.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 기체 및 수소 기체의 부피비는 1:1이다.In another embodiment of the present invention, the volume ratio of carbon dioxide gas and hydrogen gas is 1:1.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음 단계를 포함하는 복합 산화물 촉매의 제조방법을 제공한다:According to another aspect of the present invention, the present invention provides a method for producing a complex oxide catalyst comprising the following steps:

(a) 금속 산화물 전구체 및 구리 산화물을 물에 용해시키는 단계;(a) dissolving the metal oxide precursor and copper oxide in water;

(b) 상기 용액의 pH를 8 내지 9로 조절하고 교반하여 침전시키는 단계;(b) adjusting the pH of the solution to 8 to 9 and stirring it to precipitate it;

(c) 상기 침전물을 건조하여 고용체를 제조하는 단계;(c) drying the precipitate to prepare a solid solution;

(d) 상기 고용체를 소성시키는 단계; 및(d) calcining the solid solution; and

(e) 상기 소성된 고용체를 수소 조건에서 환원시키는 단계. (e) reducing the calcined solid solution under hydrogen conditions.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (a) 및 (b) 단계는 공침(co-precipitation)이 이루어지는 단계이다.In one embodiment of the present invention, steps (a) and (b) are steps in which co-precipitation is performed.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 산화물은 세륨 산화물 또는 티타늄 산화물이다. 상기 세륨 산화물은 CeO2이다. 상기 티타늄 산화물은 TiO2이다. In one embodiment of the present invention, the metal oxide is cerium oxide or titanium oxide. The cerium oxide is CeO 2 . The titanium oxide is TiO 2 .

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구리 산화물은 물 90 mL를 기준으로 3mg 내지 31mg이 용해되는 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 구리 산화물은 물 90 mL를 기준으로 3 mg, 5 mg, 14 mg, 23 mg, 31 mg이 용해될 수 있거나, 상기 수치들의 사잇 값의 함량(mg)이 용해될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the copper oxide is dissolved in an amount of 3 mg to 31 mg based on 90 mL of water, but is not limited thereto. For example, the copper oxide may be dissolved in amounts of 3 mg, 5 mg, 14 mg, 23 mg, and 31 mg based on 90 mL of water, or the content (mg) between the above values may be dissolved.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계의 교반은 3 내지 10시간 동안 수행되는 것이다.In one embodiment of the present invention, the stirring in step (b) is performed for 3 to 10 hours.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계의 침전물은 건조 전에 여과되는 것이다.In one embodiment of the present invention, the precipitate in step (c) is filtered before drying.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계의 건조는 6시간 내지 12시간, 6시간 내지 10시간, 6시간 내지 8시간, 8시간 내지 12시간, 또는 8시간 내지 10시간 동안 수행되는 것이다.In one embodiment of the present invention, the drying in step (c) is performed for 6 hours to 12 hours, 6 hours to 10 hours, 6 hours to 8 hours, 8 hours to 12 hours, or 8 hours to 10 hours. will be.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (d)의 소성단계는 금속산화물 지지체 및 구리를 산화시키는 단계이다. In one embodiment of the present invention, the calcination step (d) is a step of oxidizing the metal oxide support and copper.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계의 소성은 400 내지 600℃, 400 내지 550℃, 400 내지 500℃, 450 내지 600℃, 450 내지 550℃, 450 내지 500℃, 500 내지 600℃, 또는 500 내지 550℃에서 수행되는 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the firing in step (d) is performed at 400 to 600°C, 400 to 550°C, 400 to 500°C, 450 to 600°C, 450 to 550°C, 450 to 500°C, 500 to 600°C. It is carried out at ℃, or 500 to 550 ℃, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계의 소성은 2시간 내지 6시간, 2시간 내지 5시간, 2시간 내지 4시간, 2시간 내지 3시간, 3시간 내지 6시간, 3시간 내지 5시간, 또는 3시간 내지 4시간 동안 수행되는 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the firing in step (d) is 2 hours to 6 hours, 2 hours to 5 hours, 2 hours to 4 hours, 2 hours to 3 hours, 3 hours to 6 hours, 3 hours to It is performed for 5 hours, or 3 to 4 hours, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 (e)의 환원 단계는 상기 금속산화물이 구리 입자의 표면에 쉘 구조를 형성하는 단계이다. In one embodiment of the present invention, the reduction step (e) is a step in which the metal oxide forms a shell structure on the surface of the copper particle.

상기 환원단계는 열처리와 함께 수행될 수 있다. The reduction step may be performed together with heat treatment.

상기 환원 열처리는 200℃ 내지 700℃, 200℃ 내지 600℃, 200℃내지 500℃, 200℃ 내지 400℃, 200℃ 내지 300℃, 300℃ 내지 700℃, 300℃ 내지 600℃, 300℃ 내지 500℃, 300℃ 내지 400℃, 400℃ 내지 700℃, 400℃ 내지 600℃, 400℃ 내지 500℃, 500℃ 내지 700℃ 500℃ 내지 600℃ 또는 600℃내지 700℃에서 수소 기체 및 비활성 기체 하에서 수행된다. The reduction heat treatment is 200°C to 700°C, 200°C to 600°C, 200°C to 500°C, 200°C to 400°C, 200°C to 300°C, 300°C to 700°C, 300°C to 600°C, 300°C to 500°C. °C, 300 °C to 400 °C, 400 °C to 700 °C, 400 °C to 600 °C, 400 °C to 500 °C, 500 °C to 700 °C Performed under hydrogen gas and inert gas at 500 °C to 600 °C or 600 °C to 700 °C do.

본 발명의 또 다른 일 구체예에 있어서, 상기 환원 열처리는 500℃에서 수소 기체 및 비활성 기체 하에서 수행된다.In another embodiment of the present invention, the reduction heat treatment is performed at 500°C under hydrogen gas and an inert gas.

본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 비활성 기체에 대한 상기 수소 기체의 부피 백분율은 5%(v/v) 내지 20%(v/v)이다.In one embodiment of the present invention, the volume percentage of the hydrogen gas relative to the inert gas is 5% (v/v) to 20% (v/v).

본 발명의 다른 일 구체예에 있어서, 상기 비활성 기체에 대한 상기 수소 기체의 부피 백분율은 5%(v/v) 내지 20%(v/v), 5%(v/v) 내지 15%(v/v), 5%(v/v) 내지 10%(v/v), 10%(v/v) 내지 20%(v/v), 10%(v/v) 내지 15%(v/v), 또는 15%(v/v) 내지 20%(v/v)이다.In another embodiment of the present invention, the volume percentage of the hydrogen gas relative to the inert gas is 5% (v/v) to 20% (v/v), 5% (v/v) to 15% (v) /v), 5% (v/v) to 10% (v/v), 10% (v/v) to 20% (v/v), 10% (v/v) to 15% (v/v) ), or 15% (v/v) to 20% (v/v).

본 발명의 구체적인 일 구체예에 있어서, 상기 비활성 기체에 대한 상기 수소 기체의 부피 백분율은 10%(v/v)이다.In one specific embodiment of the present invention, the volume percentage of the hydrogen gas relative to the inert gas is 10% (v/v).

본 연구진들은 구리-세리아 고용체(copper-ceria solid solution) 합성 후, 고용체의 표면 결함자리를 조절함으로써, 증진된 표면 결함자리로 용출된 구리 입자 위에 비정질이고 가스 투과성인 쉘 구조가 형성된 촉매를 제조하였다. 본 발명에 따른 촉매 제조 방법을 이용하는 경우, 표면 쉘 안에 고정되어 있는 매우 작은 크기의 CuO 입자와 CeO2 격자구조에 삽입된 Cu 자리들로만 이루어진 구조를 포함하는 촉매를 합성할 수 있으며, 이를 RWGS 반응에서 사용하는 경우 기존 귀금속 촉매 대비 우수한 저온에서의 반응성, 높은 반응성 및 내구성을 나타낸다. 또한, 본 발명의 촉매를 monolith에 담지해 벤치 규모(bench scale)에서 RWGS 반응을 실시하는 경우에도 실험실 규모에서와 같은 높은 반응성, CO2 전환율 및 내구성을 나타내므로, 실공정에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.After synthesizing a copper-ceria solid solution, the researchers manufactured a catalyst in which an amorphous and gas-permeable shell structure was formed on copper particles eluted with enhanced surface defect sites by controlling the surface defect sites of the solid solution. . When using the catalyst preparation method according to the present invention, it is possible to synthesize a catalyst containing a structure consisting only of very small-sized CuO particles fixed in the surface shell and Cu sites inserted into the CeO 2 lattice structure, which can be used in the RWGS reaction. When used, it exhibits superior reactivity at low temperatures, high reactivity, and durability compared to existing noble metal catalysts. In addition, even when the catalyst of the present invention is supported on a monolith and the RWGS reaction is performed at a bench scale, it shows the same high reactivity, CO 2 conversion rate, and durability as at the laboratory scale, so it is expected to be applicable to actual processes. It is expected.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 산화물 촉매의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2의 수소화 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, Cu, Ni, Co, 및 Fe로 도핑된 세리아 쉘에서 표면 산소 이동도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. Cu 도핑 시 낮은 온도에서 큰 환원 피크가 나타났고, 이는 표면 산소종이 환원에 의해 쉽게 활성화될 수 있음을 나타낸다. 23CC, 23NiC, 23CoC 및 23FeC는 각각 Cu, Ni, Co, Fe 도핑된 CeO2의 23원자%를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 산화물 촉매를 합성하는 단계별로 X선 회절(XRD) 및 고해상도 X선 산란(HR-XRS)으로 조사한 결과와 쉘 구조의 모식도를 나타낸 것이다. (a)는 고체 용액 상태의 CC와 CeO2의 XRD 및 HR-XRS 결과. (b) 500℃에서 4시간 동안 공기 중에서 소성한 후 얻은 결과. (c) 500℃에서 2시간 동안 10% H2(balance N2)로 환원 후 얻은 결과. (d) 소성 및 추가 환원 후 23C/C의 XRD 및 HR-XRS 결과. 이 경우, 3CC, 5CC, 14CC, 23CC 및 31CC의 경우 각각 3, 5, 14, 23 및 31 at% (atomic weight percent)의 구리가 도핑(doping) 되었다는 것을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 산화물 촉매를 600℃에서 150 시간 동안 장기 내구성 테스트 결과를 나타낸 도이다. 23CC 및 23C/C의 반응은 CO2:H2 = 1:1 및 WHSV = 48000 mL/gcat·h의 가스 조성에서 수행되었다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 산화물 촉매에서 표면 산소 종의 특성을 나타낸 도이다. (a) H2-TPR 결과 및 (b) 환원 전에 얻은 라만 스펙트럼 및 (c) H2-TPR 결과 및 (d) CC 촉매, 23C/C 촉매 및 CeO2 지지체에 대한 환원 후 얻은 라만 스펙트럼이다.
도 7은 Cu 나노입자의 비정질 쉘을 보여주는 TEM 이미지를 나타낸 도이다. (a) 23CC의 TEM 이미지, (b) (a)에서 노란색 원으로 표시된 입자의 확대 TEM 이미지, (c) Cu 및 Ce의 해당 EDS 매핑. 이미지는 CO2:H2 = 1:1의 가스 조성에서 600℃에서 150시간 동안 내구성 테스트 후 수집되었다. 명시야(BF), 암시야(DF) 및 2차 전자(SE) 모드에 의해 동시에 획득되었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 활성을 나타낸 그래프이다. 특히, 도 8은 다양한 CO2:H2 비율에서 수행된 (a) 23CC 및 (b) 23C/C에 대한 CO2 전환 및 CO 선택성. (c) CC 촉매, (d) 23C/C, CeO2 및 CuO에 대한 CO2 전환 및 CO 선택성을 나타낸다. 이 경우, 반응은 CO2:H2:N2 = 1:1:2의 가스 조성에서 수행되었으며 WHSV = 48000 mL/gcat·h이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 23CC 및 23C/C의 표면 중간체 특성화를 나타낸 도면이다. (a) 및 (b)는 23CC 및 23C/C에 대해 CO2:H2 = 1:3의 가스 조성에서 수집된 현장 내 DRIFT 스펙트럼이다. 이 경우. 가스 주입은 25℃에서 시작하여 5℃/분으로 300℃까지 올린 후 300℃에서 30분 동안 유지했다. 스펙트럼은 매분마다 획득하였다. (c)는 23CC에 대한 가스 제어 시 수집된 현장 DRIFT 스펙트럼이다. 이 경우, 촉매를 100 % Ar에서 300℃까지 가열한 다음 가스를 10% CO2/Ar(회색)로 변경했다. 기체 CO2를 제거한 다음 가스를 10% H2/Ar(빨간색)로 변경했다. 그런 다음 온도가 400℃(파란색)로 증가했다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 23CC 및 23C/C의 표면 산소 종 특성화를 나타낸 그래프이다. 이 경우, (a)는 실온, 150℃, 250℃, 350℃, 450℃에서 얻은 23CC 및 23C/C에 대한 O 1초의 NAP-XPS 결과이고, 각 피크의 위치 및 면적 비율이 표시되어 있다. 총 압력은 1 Torr, 기체 조성은 CO2:H2 = 1:3이다. (b) 및 (c)는 각각 온도가 증가함에 따른 Oads 및 Ow의 산소 피크 비율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 23CC의 벤치 스케일 성능을 나타낸 도이다. (a)는 벌집형 모노리스(honeycomb monolith) 및 벤치 반응기의 이미지이고, 모노리스는 23CC 촉매로 코팅되었다. 벤치 반응기에서 반응은 왼쪽 퍼니스에서 발생했고 가스 주입구는 오른쪽 퍼니스에서 예열되었다. (b)는 3회의 반복 반응에 대한 벤치 반응기에서 23CC의 CO2 수소화 성능이고, (c)는 실험실 규모 원자로와 벤치 원자로에 대한 23CC의 CO 생산 속도 비교한 그래프이다. 범례의 숫자는 실험실 규모에서 WHSV를 나타낸다. 이 조건의 WHSV는 48507mL/gcat·h 로 추정되었으며, 이는 실험실 규모의 반응기(48000mL/gcat·h)에 사용된 조건과 유사하였다.
Figure 1 is a schematic diagram of a complex oxide catalyst according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram for explaining the hydrogenation mechanism of CO 2 according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the results of measuring surface oxygen mobility in a ceria shell doped with Cu, Ni, Co, and Fe. Upon Cu doping, a large reduction peak appeared at low temperature, indicating that surface oxygen species can be easily activated by reduction. 23CC, 23NiC, 23CoC, and 23FeC represent 23 atomic% of CeO 2 doped with Cu, Ni, Co, and Fe, respectively.
Figure 4 shows the results of X-ray diffraction (XRD) and high-resolution X-ray scattering (HR-XRS) in each step of synthesizing the complex oxide catalyst according to an embodiment of the present invention and a schematic diagram of the shell structure. (a) shows the XRD and HR-XRS results of CC and CeO 2 in solid solution state. (b) Results obtained after firing in air at 500°C for 4 hours. (c) Results obtained after reduction with 10% H 2 (balance N 2 ) for 2 hours at 500°C. (d) XRD and HR-XRS results at 23C/C after calcination and further reduction. In this case, 3CC, 5CC, 14CC, 23CC, and 31CC indicate that 3, 5, 14, 23, and 31 at% (atomic weight percent) of copper was doped, respectively.
Figure 5 is a diagram showing the results of a long-term durability test of a complex oxide catalyst according to an embodiment of the present invention at 600°C for 150 hours. The reactions of 23CC and 23C/C were carried out at a gas composition of CO 2 :H 2 = 1:1 and WHSV = 48000 mL/g cat ·h.
Figure 6 is a diagram showing the characteristics of surface oxygen species in a complex oxide catalyst according to an embodiment of the present invention. (a) H 2 -TPR results and (b) Raman spectra obtained before reduction, (c) H 2 -TPR results and (d) Raman spectra obtained after reduction for CC catalyst, 23C/C catalyst and CeO 2 support.
Figure 7 is a diagram showing a TEM image showing the amorphous shell of Cu nanoparticles. (a) TEM image of 23CC, (b) enlarged TEM image of the particle circled in yellow in (a), (c) corresponding EDS mapping of Cu and Ce. Images were collected after durability testing for 150 hours at 600°C in a gas composition of CO 2 :H 2 = 1:1. Acquired simultaneously by bright field (BF), dark field (DF) and secondary electron (SE) modes.
Figure 8 is a graph showing hydrogenation activity according to an embodiment of the present invention. In particular, Figure 8 shows CO 2 conversion and CO selectivity for (a) 23CC and (b) 23C/C performed at various CO 2 :H 2 ratios. (c) CC catalyst, (d) 23C/C, CO2 conversion and CO2 selectivity over CeO2 and CuO. In this case, the reaction was carried out at a gas composition of CO 2 :H 2 :N 2 = 1:1:2 and WHSV = 48000 mL/g cat ·h.
Figure 9 is a diagram showing the characterization of surface intermediates of 23CC and 23C/C according to an embodiment of the present invention. (a) and (b) are in situ DRIFT spectra collected at a gas composition of CO 2 :H 2 = 1:3 for 23CC and 23C/C. in this case. Gas injection started at 25°C, increased to 300°C at 5°C/min, and then maintained at 300°C for 30 minutes. Spectra were acquired every minute. (c) is the in situ DRIFT spectrum collected during gas control for 23CC. In this case, the catalyst was heated to 300°C in 100% Ar and then the gas was changed to 10% CO 2 /Ar (grey). Gaseous CO 2 was removed and then the gas was changed to 10% H 2 /Ar (red). The temperature was then increased to 400°C (blue).
Figure 10 is a graph showing surface oxygen species characterization of 23CC and 23C/C according to an embodiment of the present invention. In this case, (a) is the NAP-XPS result of O 1 second for 23CC and 23C/C obtained at room temperature, 150°C, 250°C, 350°C, and 450°C, and the position and area ratio of each peak are indicated. The total pressure is 1 Torr, and the gas composition is CO 2 :H 2 = 1:3. (b) and (c) are graphs showing changes in the oxygen peak ratio of O ads and O w as temperature increases, respectively.
Figure 11 is a diagram showing the bench scale performance of 23CC according to an embodiment of the present invention. (a) is an image of a honeycomb monolith and a bench reactor, and the monolith was coated with a 23CC catalyst. In the bench reactor, the reaction occurred in the left furnace and the gas inlet was preheated in the right furnace. (b) is the CO 2 hydrogenation performance of 23CC in a bench reactor for three repeated reactions, and (c) is a graph comparing the CO production rates of 23CC for a laboratory scale reactor and a bench reactor. Numbers in the legend represent WHSV at laboratory scale. The WHSV for these conditions was estimated to be 48507 mL/g cat ·h, which was similar to the conditions used in the laboratory scale reactor (48000 mL/g cat ·h).

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms. The examples below make the disclosure of the present invention complete, and provide those of ordinary skill in the art with the scope of the invention. It is provided to provide complete information. Additionally, for convenience of explanation, the sizes of components may be exaggerated or reduced in the drawings.

그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are provided to enable those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is limited to the examples described below. It doesn't work.

한편, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Meanwhile, throughout the specification, when a part is said to “include” a certain component, this means that it does not exclude other components but may further include other components, unless specifically stated to the contrary.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.The above-mentioned purpose, features and advantages will become clearer through the following detailed description in relation to the attached drawings, and accordingly, those skilled in the art in the technical field to which the invention pertains will be able to easily implement the technical idea of the invention. .

본 명세서에서는 지지체 및 지지체 상에 부분 또는 전체에 증착된 촉매량의 금속을 포함하는 복합체는 "촉매 복합체(catalytic complex)"라는 용어도 사용될 수 있다. 상기 용어 촉매 복합체는 촉매와 상호교환적으로 사용될 수 있다. 상기 촉매 복합체는 담지된 금속 촉매일 수 있다. In this specification, the term “catalytic complex” may also be used for a complex comprising a support and a catalytic amount of metal partially or fully deposited on the support. The term catalyst complex may be used interchangeably with catalyst. The catalyst complex may be a supported metal catalyst.

또한, 본 명세서에서 용어 "금속-지지체 상호작용(metal-support interaction)"은 담지한 금속의 화학흡착 및 촉매성질에 미치는 지지체의 직접적인 영향을 의미한다. 본 발명의 금속-지지체 상호작용은 구체적으로 SMSI이다.Additionally, in this specification, the term “metal-support interaction” refers to the direct influence of the support on the chemisorption and catalytic properties of the supported metal. The metal-support interaction of the present invention is specifically SMSI.

또한, 본 명세서에서 용어 "SMSI(strong metal-support interaction, 강한 금속-지지체 상호 작용)"는 높은 온도에서 지지체 담지한 금속을 환원처리할 때 나타나는 화학흡착성질 및 촉매작용의 변화를 포괄하는 의미이다. 구체적으로 본 발 명에서 SMSI는 부분적으로 환원된 산화물 종(oxide species)의 가역적인 표면 이동 현상을 포함하는 의미를 갖는다.In addition, the term "SMSI (strong metal-support interaction)" in this specification is meant to encompass changes in chemical adsorption properties and catalytic activity that occur when reducing metal supported on a support at high temperature. . Specifically, in the present invention, SMSI is meant to include the reversible surface migration phenomenon of partially reduced oxide species.

본 명세서에서 용어 "고용체(solid solution)"는 어떤 용매 안에 있는 하나 이상의 용질이 섞여 고체 상태로 존재하는 용액을 의미한다. 구체적으로, 본 발명에서 고용체는 세리아 용매 안에 구리 용질이 존재하는 용매일 수 있다.As used herein, the term “solid solution” refers to a solution in which one or more solutes in a solvent are mixed and exist in a solid state. Specifically, in the present invention, the solid solution may be a solvent in which a copper solute exists in a ceria solvent.

본 명세서에서 용어 "역수성 가스 전환(Reverse Water Gas Shift, RWGS) 반응"은 이산화탄소(CO2) 및 수소(H2)를 반응물로 하여, 일산화탄소(CO) 및 물 (H2O)을 생성물로 얻거나, 또는 일산화탄소, 물 및 메탄을 생성물로 얻는 흡열 반응을 의미한다. 열역학적 평형에 따라 생성물이 선택될 수 있다. 역수성 가스 전환 반응의 주반응은 CO2(g) + H2(g) ↔ CO(g) + H2O (g)과 같고, 이의 부반응으로 메탄화(methanation) 반응이 일어난다. In this specification, the term "Reverse Water Gas Shift (RWGS) reaction" refers to carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) as reactants, and carbon monoxide (CO) and water (H 2 O) as products. refers to an endothermic reaction that produces carbon monoxide, water, and methane as products. Products may be selected depending on thermodynamic equilibrium. The main reaction of the reverse water gas conversion reaction is CO 2 (g) + H 2 (g) ↔ CO (g) + H 2 O (g), and a methanation reaction occurs as a side reaction.

본 명세서에서 용어 "소성(calcination)"은 공기 또는 산소 중에서 고온으로 가열되는(heating to high temperatures in air or oxygen) 것을 의미한다. 본 발명에서는 고온에서 공기를 통해 촉매를 산화시키기 위해 열처리 즉, 소성 처리하였다.As used herein, the term “calcination” means heating to high temperatures in air or oxygen. In the present invention, heat treatment, that is, calcination, was performed to oxidize the catalyst through air at high temperature.

본 발명의 발명자들은 CuCeOx 고용체의 표면에 Cu 나노 입자들이 균일하게 존재하게 되는 경우에는, CO2의 수소화 시 Cu 나노 입자 상에 비정질 쉘이 형성될 수 있음을 발견하였다. 반면, Bare CeO2에 증착된 나노 입자들은 이러한 비정질 쉘을 형성하지 않았다. 또한, 일반적인 기존의 Cu/CeO2 촉매는 열화학적으로 가능한 CO2의 전환 한계에 도달하는 온도가 ~ 600℃ 근방에서 형성되지만, 상술한 바와 같은 비정질 쉘이 형성된 촉매는 CO2 활성화 및 H2의 유출이 강화되어 훨씬 낮은 온도인 ~350℃ 근방에서 CO2의 전환 한계에 도달한다는 것을 알 수 있었다. 본 발명의 비정질 쉘은 Cu 나노입자를 보존하면서 높은 반응성을 유지했다. 또한, 이러한 비귀금속 촉매는 대규모 공정에서도 활용 가능하다는 것을 알 수 있었다. The inventors of the present invention discovered that when Cu nanoparticles are uniformly present on the surface of the CuCeO x solid solution, an amorphous shell can be formed on the Cu nanoparticles upon hydrogenation of CO 2 . On the other hand, nanoparticles deposited on bare CeO 2 did not form such an amorphous shell. In addition, the conventional Cu/CeO 2 catalyst is formed at a temperature near ~600°C, which reaches the thermochemically possible conversion limit of CO 2 , but the catalyst with the amorphous shell formed as described above is capable of CO 2 activation and H 2 It was found that the outflow was intensified and the CO2 conversion limit was reached at a much lower temperature, around ~350°C. The amorphous shell of the present invention maintained high reactivity while preserving Cu nanoparticles. Additionally, it was found that these non-precious metal catalysts can be used in large-scale processes.

이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 산화물 촉매에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 1, a complex oxide catalyst according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 산화물 촉매는 금속 산화물 지지체(100) 및 구리를 포함하는 금속 산화물 고용체로서, 상기 구리는 상기 금속 산화물 지지체의 표면 상의 구리 나노 입자(200)를 가지며, 이러한 금속 산화물 고용체는 산소 결함 자리(300, Ov)를 가지며, 상기 구리 나노 입자의 표면 상에 비정질 쉘(400)이 형성되어 상기 구리 나노 입자의 표면을 캡슐화할 수 있다. Referring to FIG. 1, the complex oxide catalyst according to an embodiment of the present invention is a metal oxide solid solution containing a metal oxide support 100 and copper, wherein the copper is formed as copper nanoparticles 200 on the surface of the metal oxide support. This metal oxide solid solution has oxygen defect sites (300, O v ), and an amorphous shell 400 is formed on the surface of the copper nanoparticles to encapsulate the surface of the copper nanoparticles.

금속 산화물 지지체(100)는 세륨 산화물 또는 티타늄 산화물 일 수 있으며, 상기 표면 상의 구리 나노 입자(200)는 바람직하게는 크기가 10nm 이하일 수 있다. The metal oxide support 100 may be cerium oxide or titanium oxide, and the copper nanoparticles 200 on the surface may preferably have a size of 10 nm or less.

비정질 쉘(400)은 바람직하게는 금속 산화물 지지체가 표면 상의 구리 나노 입자를 캡슐화한 것으로, 역수성 가스 전환 반응의 중간체인 포름산염에 의해 유도된 것일 수 있다. 또한, 비정질 쉘(400)은 가스 투과성(gas permeability)을 나타낼 수 있다. The amorphous shell 400 is preferably a metal oxide support encapsulating copper nanoparticles on the surface, and may be induced by formate, an intermediate in the reverse water gas shift reaction. Additionally, the amorphous shell 400 may exhibit gas permeability.

또한, 구리 나노 입자(200)는 상기 금속 산화물 지지체의 격자 구조 내에 존재할 수 있다.Additionally, copper nanoparticles 200 may exist within the lattice structure of the metal oxide support.

이하에서는 도 2를 참조하여, 본원 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소의 수소화 메커니즘에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 2, the hydrogenation mechanism of carbon dioxide according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 도 2의 (a)에서는 금속 산화물 지지체, 예컨대, 세륨 산화물이나 티타늄 산화물의 산소 결함자리(Ov)에 이산화탄소가 흡착되면, 도 2의 (b)와 같이 인접한 표면의 OH와 반응하여 중탄산염(Bicarbonate)이 금속 산화물 지지체 표면 상에 형성되게 된다. 이 경우, H2 분자가 금속 산화물 지지체(100)의 표면의 구리 나노 입자(200) 상에서 확산 및 해리(dissociated)된다. 이 때, 해리된 H 원자는 비정질 쉘(400) 상을 이동하게 된다. (도 2의 (c))First, in Figure 2 (a), when carbon dioxide is adsorbed to the oxygen defect site (O v ) of a metal oxide support, for example, cerium oxide or titanium oxide, it reacts with OH on the adjacent surface as shown in Figure 2 (b) to form bicarbonate. (Bicarbonate) is formed on the surface of the metal oxide support. In this case, H 2 molecules diffuse and dissociate on the copper nanoparticles 200 on the surface of the metal oxide support 100. At this time, the dissociated H atoms move on the amorphous shell 400. (Figure 2(c))

그 후, 도 2의 (d)를 참조하면, 비정질 쉘(400)을 통해 이동하여 공급된 해리된 수소 원자에 의하여 포름산염(Formates)이 형성되고, 도 2의 (e)와 같이 포름산염이 일산화탄소로 변하여 금속 산화물 지지체와 분리되게 된다. 마지막으로 일산화탄소가 분리된 자리에 OH에 다시 수소가 공급되어 물이 형성되면서 상기 금속 산화물 지지체를 벗어나게 되어 다시 산소 결함자리(Ov)가 형성되게 된다.Afterwards, referring to (d) of FIG. 2, formates are formed by the dissociated hydrogen atoms supplied by moving through the amorphous shell 400, and as shown in (e) of FIG. 2, formates are formed. It is converted to carbon monoxide and separated from the metal oxide support. Finally, hydrogen is supplied again to OH at the site where carbon monoxide was separated, forming water, which leaves the metal oxide support and forms an oxygen defect site (O v ) again.

이러한 도 2의 (a)내지 (f)의 사이클의 반복을 통하여 역수성 가스 전환 반응이 계속하여 발생하게 된다. Through repetition of the cycle of (a) to (f) of FIG. 2, the reverse water gas conversion reaction continues to occur.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 산화물 촉매의 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, an example of a complex oxide catalyst according to an embodiment of the present invention will be described.

실시예Example

본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도를 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량)%, 고체/액체는 (중량/부피)%, 그리고 액체/액체는 (부피/부피)%를 의미할 수 있다. Throughout this specification, “%” used to indicate the concentration of a specific substance means (weight/volume)% for solid/solid, (weight/volume)% for solid/liquid, and Liquid/liquid may mean (volume/volume)%.

실험재료 및 실험방법Experimental materials and experimental methods

촉매 합성(Catalyst Syntheses) Catalyst Syntheses

xCC(x는 Cu의 원자%를 나타냄)로 표시되는 Cu에 의해 도핑된 CeO2 촉매(Cu-doped CeO2 catalyst)는 공침법(co-precipitation method)으로 합성되었다. Ce(NO3)3·6H2O(99.99%, Kanto chemical) 4.5g과 적당량의 Cu(NO3)2·3H2O(≥98%, Sigma-Aldrich)를 90mL의 탈이온수에 용해시켰다. 이 용액을 30분간 교반하고 암모니아수(30%, 덕산)를 pH가 8.5가 될 때까지 적가하였다. 용액을 4시간 이상 교반한 후 색이 짙은 녹색으로 변하였다. 이 녹색 슬러리를 여과하고 탈이온수로 세척하고 80℃에서 밤새 건조시켰다. 건조된 시료를 잘게 분쇄하여 미세한 분말로 만든 다음 공기 중에서 500℃에서 4시간 동안 소성하였다. Ni, Co 및 Fe 도핑된 CeO2 촉매도 Ni(NO3)2·6H2O, Co(NO3)2·6H2O 및 Fe(NO3)3·9H2O(≥99%, Sigma-Aldrich )를 금속 전구체로 사용하여 같은 방법으로 합성되었다. Cu-doped CeO 2 catalyst, denoted as xCC (x represents atomic percent of Cu), was synthesized by the co- precipitation method. 4.5 g of Ce(NO 3 ) 3 ·6H 2 O (99.99%, Kanto chemical) and an appropriate amount of Cu(NO 3 ) 2 ·3H 2 O (≥98%, Sigma-Aldrich) were dissolved in 90 mL of deionized water. This solution was stirred for 30 minutes, and ammonia water (30%, Deoksan) was added dropwise until the pH reached 8.5. After stirring the solution for more than 4 hours, the color changed to dark green. This green slurry was filtered, washed with deionized water and dried at 80°C overnight. The dried sample was finely ground to make a fine powder and then calcined in air at 500°C for 4 hours. Ni, Co and Fe-doped CeO 2 catalysts also produced Ni(NO 3 ) 2 ·6H 2 O, Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O and Fe(NO 3 ) 3 ·9H 2 O (≥99%, Sigma- Aldrich) was synthesized using the same method as a metal precursor.

대조 시료로는, 23C/C로 표시되는 Cu가 23원자%인 Cu/CeO2를 습식 함침법(wet-impregnation method)으로 합성하였다. bare CeO2 지지체는 Cu 전구체를 사용하지 않고 동일한 방법을 사용하여 합성되었다. CeO2를 탈이온수에 분산시키고, 적정량의 CuCl2(≥99.99 %, Sigma-Aldrich)가 포함된 수용액을 적가하였다. 최종 용액을 격렬하게 교반하고 80℃에서 밤새 건조시키고 잘 분쇄한 다음 퍼니스(furnace)에서 500℃에서 4시간 동안 공기 중에서 열처리(소성, calcined)를 진행시켰다. As a control sample, Cu/CeO 2 containing 23 atomic% Cu, expressed as 23C/C, was synthesized by a wet-impregnation method. The bare CeO 2 support was synthesized using the same method without using Cu precursor. CeO 2 was dispersed in deionized water, and an aqueous solution containing an appropriate amount of CuCl 2 (≥99.99%, Sigma-Aldrich) was added dropwise. The final solution was vigorously stirred, dried at 80°C overnight, ground well, and then heat-treated (calcined) in air at 500°C for 4 hours in a furnace.

COC.O. 22 수소화 (CO Hydrogenation (CO 22 Hydrogenation) Hydrogenation)

CO2 수소화는 50mg의 촉매가 로딩된 U자형 석영 유리 고정층 반응기(U-shaped quartz glass fixed-bed reactor)에서 수행되었다. 환원 전처리(Reduction pre-treatment)는 500℃에서 2시간 동안 10% H2 (N2 균형)에서 수행되었다. 모든 반응은 다양한 CO2:H2 비율로 대기압에서 수행되었다. N2는 20 sccm의 유량으로 보정 가스로 함께 흘렀다. 총 유속은 40 sccm이었고 중량 시간당 공간 속도(weight hourly space velocity, WHSV)는 48,000 mL/gcat·h였다. 가스 생성물은 패킹된 카르복센 1000 컬럼과 열전도도 검출기(thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 온라인 가스 크로마토그래피(Younglin GC 6500)를 사용하여 분석되었다. 벤치 규모 반응을 위해 23CC 30g을 볼 밀링한 후 촉매 35중량%, 바인더 3중량%(Disperal P2, Sasol) 및 나머지 탈이온수로 구성된 촉매 잉크를 제조하였다. 이 잉크를 사용하여 23CC 촉매를 125g/L의 촉매량으로 벌집형 모노리스(honeycomb monolith) (직경 1인치, 높이 1인치)에 코팅했다. 모노리스를 120℃의 컨벡션 오븐에서 4시간 동안 건조시키고 공기 중에서 500℃에서 4시간 동안 어닐링하였다. 이 모노리스를 반응기에 넣은 다음 가스(CO2 325sccm, H2 325sccm, N2 650 sccm)를 반응기에 주입했다. 인입 가스(inlet gas)는 온도 강하를 피하기 위해 예열된 퍼니스를 통해 주입되었다.CO 2 hydrogenation was performed in a U-shaped quartz glass fixed-bed reactor loaded with 50 mg of catalyst. Reduction pre-treatment was performed in 10% H 2 (N 2 balance) at 500°C for 2 hours. All reactions were carried out at atmospheric pressure with various CO 2 :H 2 ratios. N 2 flowed with the calibration gas at a flow rate of 20 sccm. The total flow rate was 40 sccm and the weight hourly space velocity (WHSV) was 48,000 mL/gcat·h. The gaseous products were analyzed using an online gas chromatograph (Younglin GC 6500) equipped with a packed Carboxen 1000 column and a thermal conductivity detector (TCD). For the bench-scale reaction, a catalyst ink consisting of 35% by weight of catalyst, 3% by weight of binder (Disperal P2, Sasol), and the balance of deionized water was prepared after ball milling 30g of 23CC. Using this ink, 23CC catalyst was coated on a honeycomb monolith (1 inch in diameter, 1 inch in height) at a catalyst dosage of 125 g/L. The monolith was dried in a convection oven at 120°C for 4 hours and annealed at 500°C for 4 hours in air. This monolith was placed in the reactor, and then gases (CO 2 325 sccm, H 2 325 sccm, N 2 650 sccm) were injected into the reactor. The inlet gas was introduced through a preheated furnace to avoid temperature drop.

본 명세서에서 합성 방법 중 80℃에서 8시간 건조만 하고 열처리를 진행하기 전 상태의 촉매는 Dry, 열처리 이후 및 환원처리 전 상태의 촉매는 Oxi 또는 Oxide, 그리고 환원처리 후 상태의 촉매는 Red, 또는 Reduced로 표기하였다.In the present specification, in the synthesis method, the catalyst in the state after drying at 80°C for 8 hours and before heat treatment is Dry, the catalyst in the state after heat treatment and before reduction treatment is Oxi or Oxide, and the catalyst in the state after reduction treatment is Red, or It is marked as Reduced.

특성 확인 (Characterizations)Characterizations

200kV에서 촉매의 정확한 형태를 조사하기 위해 BF, DF 및 SE 모드의 TEM(Hitachi HF 5000) 이미지를 얻었다. EDS 매핑 이미지도 동일한 장비로 얻었다. 분말 XRD (SmartLab, RIGAKU)를 사용하여 촉매의 결정 구조를 조사하였다. XRD 패턴의 피크 이동은 포항 광원(Pohang Light Source, PLS) 8D 빔라인에서 HR-XRS로 모니터링되었다. H2-TPR은 TCD가 장착된 BELCAT II (MicrotracBEL)에서 수행되었다. 샘플을 Ar로 150℃에서 1시간 동안 전처리한 다음 온도를 10℃/min의 램핑 속도로 800℃로 증가시켰다. DRIFTS(Nicolet iS-50, Thermo Scientific)는 ZnSe window로 수행되었다. 2시간 동안 500℃에서 환원된 20mg의 촉매를 180mg의 KBr 분말과 잘 혼합하고 DRIFTS 샘플 컵에 넣었다. 100℃에서 30분 동안 Ar로 전처리한 후, 가스 혼합물(4% CO2, 12% H2, balance Ar)을 흘렸고 온도는 5℃/min의 램프 속도로 300 ℃까지 증가시키고 30분 동안 300℃에서 유지되었다. TPSR은 질량 분석기(BELMASS; MicrotracBEL)를 사용하여 BELCAT II에서 수행되었다. 500℃에서 2시간 동안 환원된 촉매 50 mg을 150℃에서 1시간 동안 Ar로 전처리한 후, 가스 혼합물(4% CO2, 4% H2, balance Ar)이 10℃/min의 램핑 속도로 600℃까지 흘려주었다. 라만 스펙트럼은 514 nm에서 빔을 사용하여 FT-라만 분광계(Bruker)에 의해 수집되었다. 20℃/min의 램핑 속도로 기체 혼합물(4% CO2, 4% H2, balance Ar)을 사용하여 동일한 장비로 현장 라만 스펙트럼을 얻었다. TEM (Hitachi HF 5000) images in BF, DF, and SE modes were obtained to investigate the exact morphology of the catalyst at 200 kV. EDS mapping images were also obtained with the same equipment. The crystal structure of the catalyst was investigated using powder XRD (SmartLab, RIGAKU). The peak shift of the XRD pattern was monitored by HR-XRS at the 8D beamline at Pohang Light Source (PLS). H 2 -TPR was performed on a BELCAT II (MicrotracBEL) equipped with a TCD. Samples were pretreated with Ar at 150 °C for 1 h and then the temperature was increased to 800 °C at a ramping rate of 10 °C/min. DRIFTS (Nicolet iS-50, Thermo Scientific) was performed with a ZnSe window. 20 mg of catalyst reduced at 500°C for 2 hours was mixed well with 180 mg of KBr powder and placed in a DRIFTS sample cup. After pretreatment with Ar at 100°C for 30 min, a gas mixture (4% CO 2 , 12% H2, balance Ar) was flowed and the temperature was increased to 300°C at a ramp rate of 5°C/min and maintained at 300°C for 30 min. maintained. TPSR was performed on a BELCAT II using a mass spectrometer (BELMASS; MicrotracBEL). 50 mg of the catalyst reduced at 500°C for 2 hours was pretreated with Ar at 150°C for 1 hour, and then the gas mixture (4% CO 2 , 4% H 2 , balance Ar) was heated to 600°C at a ramping rate of 10°C/min. Flowed to ℃. Raman spectra were collected by a FT-Raman spectrometer (Bruker) using a beam at 514 nm. In situ Raman spectra were obtained with the same equipment using a gas mixture (4% CO 2 , 4% H 2 , balance Ar) at a ramping rate of 20°C/min.

실시예 1: Cu 나노 입자의 비정질 쉘 형성Example 1: Formation of amorphous shell of Cu nanoparticles

CeO2 및 TiO2와 같은 환원 가능한 금속 산화물의 경우 헤테로 원자를 도핑하면 표면 산소 이동도(surface oxygen mobility)가 향상될 수 있다. Ni, Co 및 Fe와 같은 전이 금속이 도핑한 결과, 표면 산소 전달이 개선되었다. 여기에서 전이 금속에 의해 도핑된 CeO2는 상기 실험방법에서 설명한 공침법에 의해 준비되었다. 표면 산화 환원 특성은 H2 온도-프로그램 환원 (temperature-programmed reduction) (H2-TPR)에 의해 조사되었다. In the case of reducible metal oxides such as CeO 2 and TiO 2 , surface oxygen mobility can be improved by doping heteroatoms. Doping with transition metals such as Ni, Co and Fe resulted in improved surface oxygen transport. Here, CeO 2 doped with a transition metal was prepared by the coprecipitation method described in the experimental method above. Surface redox properties were investigated by H 2 temperature-programmed reduction (H 2 -TPR).

도 3에 나타낸 결과와 같이, Cu, Ni, Co, 및 Fe 중 Cu 도핑 시 가장 낮은 온도에서 큰 환원 피크가 나타났고, 이는 표면 산소종이 환원에 의해 쉽게 활성화될 수 있음을 나타낸다. As shown in Figure 3, a large reduction peak appeared at the lowest temperature when doped with Cu among Cu, Ni, Co, and Fe, indicating that surface oxygen species can be easily activated by reduction.

이러한 Cu가 도핑된 CeO2는 다양한 Cu 함량의 고용체로 제조되었으며 xCC(x: 3, 5, 14, 23, 31)로 표시되며, 여기서 x는 Cu의 원자 %를 나타낸다. 결과는 도 4에 나타내었다.This Cu-doped CeO 2 was prepared as a solid solution with various Cu contents and was expressed as xCC (x: 3, 5, 14, 23, 31), where x represents the atomic percent of Cu. The results are shown in Figure 4.

도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 이들 CC 물질을 소성(Calcination)이나 환원(Reduction)없이 X선 회절(XRD) 및 고해상도 X선 산란(HR-XRS)으로 조사했을 때, 세리아(CeO2)의 피크만 관찰되는 것을 볼 수 있다. Cu 함량이 증가함에 따라, 피크 이동은 더 커졌다. 31 원자%의 Cu라도 CeO2 결정 구조를 갖는 고용체를 형성할 수 있었다. As shown in Figure 4 (a), when these CC materials were examined by X-ray diffraction (XRD) and high-resolution X-ray scattering (HR-XRS) without calcination or reduction, ceria (CeO 2 It can be seen that only the peak of ) is observed. As Cu content increased, the peak shift became larger. Even 31 atomic% of Cu was able to form a solid solution with a CeO 2 crystal structure.

이러한 CC 재료는 공기 중에서 소성(calcined)된 다음 500ºC의 H2에서 환원되었다. 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 소성된 후에는 Cu 함량이 증가하더라도, CeO2(111) 피크는 원래 위치로 다시 이동했다. These CC materials were calcined in air and then reduced in H 2 at 500ºC. As shown in Figure 4 (b), even though the Cu content increased after firing, the CeO 2 (111) peak moved back to its original position.

환원된 후에는 비정질 쉘(400)이 형성되면서 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이, 40CC에서는 작은 CuO 또는 Cu 피크가 나타났지만, Cu 함량이 23CC인 경우에는 Cu 피크를 나타내지 않았다. After reduction, as the amorphous shell 400 was formed, as shown in (c) of FIG. 4, a small CuO or Cu peak appeared at 40 CC, but no Cu peak appeared when the Cu content was 23 CC.

반면에, bare CeO2가 먼저 준비된 다음, 습식 함침 방법에 의해 Cu(23 원자%)가 CeO2에 증착되었다. 이 물질은 23C/C로 표시되었다. On the other hand, bare CeO 2 was first prepared, and then Cu (23 atomic%) was deposited on CeO 2 by a wet impregnation method. This material was labeled 23C/C.

도 4의 (d)에서 나타낸 바와 같이, 23C/C를 동일한 조건에서 소성 및 환원하면 XRD에서 매우 큰 날카로운 CuO피크가 나타났다. 이를 환원하였을 때 매우 큰 Cu 피크가 나타났고, 이는 표면에 크기가 큰 벌크 Cu 입자가 형성되었음을 의미한다.As shown in Figure 4 (d), when 23C/C was calcined and reduced under the same conditions, a very large and sharp CuO peak appeared in XRD. When this was reduced, a very large Cu peak appeared, meaning that large bulk Cu particles were formed on the surface.

즉, 본 발명의 촉매의 경우 구리 입자가 굉장히 균일하게 CeO2 와 섞인 것을 위 XRD를 통하여 확인할 수 있다. 도 4의 (a)를 살펴보면, 구리에 대한 피크가 하나도 보이지 않는데, 이는 구리가 주로 CeO2 격자구조 안으로 잘 섞여 들어가 있다는 것을 의미한다. 이는 Dry XRD 결과에서 Ce (111) 피크의 shift 로도 설명된다. 도 4의 (b)를 살펴보면, 500℃에서 4 시간 동안 공기 중에서 소성을 진행한 경우, 작은 구리입자들이 segregation 되어 표면으로 분리되어 나오고, 이 과정에서 CeO2(111) 피크가 다시 이동한다. 31CC의 경우 큰 구리 입자가 표면에 드러났기 때문에 XRD 에서 피크가 관찰되었다. 도 4의 (c)를 살펴보면, 환원 이후에도 23CC의 경우 피크가 드러나지 않았고 31CC의 경우 구리 산화물에 대한 피크가 구리의 피크로 변하였다. 즉, 23CC 근방에서 가장Cu 나노 입자가 균일하게 존재하고 있다는 점을 알 수 있다. 즉 실험에 따르면 14CC 이상 31 CC 이하, 바람직하게는 23CC에서 Cu 나노 입자가 가장 균일하게 존재함을 알 수 있었다. That is, in the case of the catalyst of the present invention, it can be confirmed through the above XRD that copper particles are very uniformly mixed with CeO 2 . Looking at (a) of Figure 4, no peak for copper is visible, which means that copper is mainly well mixed into the CeO 2 lattice structure. This is also explained by the shift of the Ce (111) peak in the dry XRD results. Looking at (b) of FIG. 4, when firing was performed in air at 500°C for 4 hours, small copper particles were separated and separated to the surface, and in this process, the CeO 2 (111) peak moved again. In the case of 31CC, a peak was observed in XRD because large copper particles were exposed on the surface. Looking at (c) of Figure 4, in the case of 23CC, the peak was not revealed even after reduction, and in the case of 31CC, the peak for copper oxide changed to a peak for copper. In other words, it can be seen that the Cu nanoparticles are uniformly present in the vicinity of 23CC. That is, according to the experiment, it was found that Cu nanoparticles existed most uniformly at 14 CC or more and 31 CC or less, preferably 23 CC.

모든 촉매들에서 본 연구진이 합성한 촉매는 굉장히 작은 구리 입자에 대한 피크만 나타났다. 반면, 기존 연구들과 비슷하게 합성한 대조군 C/C 촉매 (합성 방법: CeO2 위에 구리를 담지함)의 경우 같은 구리 양을 사용했음에도 굉장히 크게 나타났다. 본 연구진의 경우 굉장히 작은 구리 입자를 표면에 용출시키는 방법으로 합성하였기 때문에 위와 같이 균일하게 작은 입자를 갖는 촉매를 합성할 수 있다.Among all catalysts, the catalyst synthesized by our research team showed only peaks for very small copper particles. On the other hand, in the case of the control C/C catalyst synthesized similarly to previous studies (synthesis method: copper supported on CeO 2 ), the concentration was very large even though the same amount of copper was used. In the case of this research team, it was possible to synthesize a catalyst with uniformly small particles as shown above because it was synthesized by a method of eluting very small copper particles on the surface.

도 5는 90시간 동안 600ºC에서 23CC 및 23C/C를 사용하여 CO2 수소화를 진행한 결과이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 23CC는 23C/C보다 더 높은 CO2 전환율과 더 나은 내구성을 나타냈다. Figure 5 shows the results of CO 2 hydrogenation using 23CC and 23C/C at 600ºC for 90 hours. As shown in Figure 5, 23CC showed higher CO 2 conversion rate and better durability than 23C/C.

표면 환원성(surface reducibility)은 500ºC에서 소성 후 다양한 Cu 함량에 대한 H2-TPR로 조사되었다.Surface reducibility was investigated by H 2 -TPR for various Cu contents after calcination at 500ºC.

결과는 도 6에 나타내었다.The results are shown in Figure 6.

도 6 (a)에 나타낸 바와 같이, H2-TPR 결과에서 3개의 감소 피크(α,β 및 γ)가 나타났다. ~190ºC에서 피크 α는 작은 CuOx 클러스터의 환원에 할당되고, ~210ºC에서 피크 β는 Cu-Ce 고용체에서 Cu 사이트 옆의 표면 격자 산소(surface lattice oxygen) 환원에 할당되며, 피크 γ는 ≥ 400ºC에서 벌크 CuOx 종 환원에 할당된다. 23C/C 촉매는 피크 γ를 나타내는 반면, CC 촉매는 피크 α와 β 만 가지고 있다. Cu 함량에 따라, 피크 위치와 면적이 다양했다; 23CC는 많은 양의 H2 소모와 함께 최저 온도에서 감소 피크를 나타냈다. As shown in Figure 6 (a), three reduction peaks (α, β and γ) appeared in the H 2 -TPR results. Peak α at ~190ºC is assigned to the reduction of small CuOx clusters, peak β at ~210ºC is assigned to the reduction of surface lattice oxygen next to Cu sites in Cu-Ce solid solution, and peak γ at ≥ 400ºC by bulk Assigned to reduction of CuOx species. The 23C/C catalyst exhibits peak γ, while the CC catalyst has only peaks α and β. Depending on the Cu content, the peak positions and areas varied; 23CC showed a decrease peak at the lowest temperature with a large amount of H 2 consumption.

H2-TPR은 500ºC에서 2시간 동안 H2 하에서 CC 촉매를 환원시킨 후 다시 수행되었다. 도 6 (c)에 나타낸 바와 같이, 23CC는 ~230ºC에서 큰 환원 피크를 나타내어 표면 산소가 여전히 추출되고 있음을 나타내는 반면 23C/C는 환원 피크를 거의 나타내지 않았다. 환원 후 얻은 23CC 및 23C/C의 BET 표면적은 각각 32.3 m2/g 및 25.3 m2/g의 값으로 유사했다.H 2 -TPR was performed again after reducing the CC catalyst under H 2 at 500ºC for 2 hours. As shown in Figure 6(c), 23CC showed a large reduction peak at ~230 ºC, indicating that surface oxygen was still being extracted, while 23C/C showed almost no reduction peak. The BET surface areas of 23CC and 23C/C obtained after reduction were similar, with values of 32.3 m 2 /g and 25.3 m 2 /g, respectively.

도 6의 (a)에서 H2-TPR 결과를 살펴보면, 구리 도핑 양이 증가될수록 기존 CeO2 와 비교하였을 때 굉장히 비교적 낮은 온도에서 피크가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 CC 촉매들의 경우 200℃ 미만에서 피크가 끝났다. α, β 및 γ 피크가 나타나는데, α 피크의 경우 표면 작게 존재하는 CuOx 종들이 쉽게 산화/환원되기 때문에 이에 대한 환원 피크이고, β 피크의 경우 표면 도핑된 Cu 옆에 있는 산소가 환원되는 피크이며, 대조군 촉매에서만 나타나는 γ 피크의 경우 큰 CuO에 대한 환원 피크이다. 대조군에서만 나타나는 해당 피크를 통하여 담지를 통한 촉매 합성에서는 나노 사이즈의 구리 나노 입자들을 합성할 수 없다는 것을 다시 확인하였다. 도 6의 (c)에서는 해당 촉매를 500℃에서 환원 이후 다시 H2-TPR을 재측정한 결과를 보이고 있다. 한번 환원을 진행한 이후이기 때문에 산소종들이 이미 어느정도 소모되어 피크의 크기가 작아졌지만 피크의 위치는 크게 변하지 않았다. 이는 표면에 존재하는 구리 입자의 크기가 커지지 않았다는 것을 의미하고, 환원 이후에도 구리 입자가 균일하게 잘 존재하고 있음을 의미한다.Looking at the H 2 -TPR results in (a) of Figure 6, it can be seen that as the amount of copper doping increases, a peak is formed at a very relatively low temperature compared to the existing CeO 2 . As shown in (a) of Figure 7, in the case of CC catalysts according to the present invention, the peak ended below 200°C. α, β, and γ peaks appear. In the case of the α peak, it is a reduction peak for CuO , the γ peak, which appears only in the control catalyst, is a reduction peak for large CuO. Through the peak that appeared only in the control group, it was confirmed again that nano-sized copper nanoparticles could not be synthesized through catalyst synthesis through support. Figure 6(c) shows the results of re-measurement of H 2 -TPR after reduction of the catalyst at 500°C. Since the reduction was performed once, the oxygen species were already consumed to some extent and the size of the peak decreased, but the position of the peak did not change significantly. This means that the size of the copper particles present on the surface did not increase, and that the copper particles existed uniformly even after reduction.

또한, 표면 산소 결손(surface oxygen vacancy)을 조사하기 위해 CC 및 23C/C에 대해 라만 분광법을 수행하였다. Additionally, Raman spectroscopy was performed on CC and 23C/C to investigate surface oxygen vacancy.

도 6 (b)에 나타낸 바와 같이, 465 cm-1의 피크는 팔면체 대칭 진동 모드(octahedrally symmetrical vibration mode) (F2g)를 나타내고 600 cm-1의 피크는 세리아의 결함 유도 모드(defect-induced mode, D)에서 발생한다. 다양한 샘플의 표면 산소 결손(surface oxygen vacancy)의 양을 비교하기 위해 피크 면적(ID/IF2g)의 비율이 추정되었다. 그 결과, 모든 CC는 23C/C 또는 bare 세리아보다 훨씬 높은 값을 나타내었다. As shown in Figure 6 (b), the peak at 465 cm -1 represents the octahedrally symmetrical vibration mode (F 2g ) and the peak at 600 cm -1 represents the defect-induced mode of ceria. , D) occurs. To compare the amount of surface oxygen vacancy in various samples, the ratio of peak areas (I D /I F2g ) was estimated. As a result, all CCs showed much higher values than 23C/C or bare ceria.

라만 스펙트럼은 500 ℃에서 환원된 후 다시 얻었다.Raman spectra were obtained again after reduction at 500 °C.

도 6 (d)에 나타낸 바와 같이, ID/IF2g 비율은 감소 후 크게 감소했지만 CC는 23C/C와 달리 여전히 상당한 양의 결함 사이트를 보유하고 있다. CC의 표면 산소는 훨씬 더 쉽게 제거될 수 있었고 CC는 확실히 표면 결함 부위(surface defect sites)가 많아 쉘 형성을 야기하였다.As shown in Figure 6(d), the I D /I F2g ratio decreased significantly after reduction, but CC still retained a significant amount of defect sites, unlike 23C/C. The surface oxygen of CC could be removed much more easily, and CC clearly had more surface defect sites, leading to shell formation.

도 6의 (b), (d)는 표면 산소 결함자리를 확인하기 위한 Raman spectra 결과이다. F 피크는 CeO2 에서 기준으로 나타나는 피크이며, D 피크는 CeO2 에서 표면 산소 결함자리로 인하여 나타나는 피크이다. F 피크와 D 피크의 intensity 비교를 통하여 표면 산소 결함자리의 농도를 비교할 수 있다. 도 6의 (d)를 살펴보면, Oxide 결과에서 알 수 있듯, 구리를 도핑 하였을 때(3CC ID/IF = 0.20; 5CC ID/IF = 0.38; 14CC ID/IF = 1.23; 23CC ID/IF = 1.75; 및 31CC ID/IF = 1.81) 일반적인 CeO2 담지체(ID/IF = 2.0 × 10-2)와 비교하여도 굉장히 큰 값의 ID/IF 값을 확인할 수 있다. 환원 이후 Reduced 샘플의 결과를 확인하면 굉장히 표면 산소 결함자리가 줄어들어 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 쉘의 형성에 있어서 산소 결함자리가 굉장히 중요한 매개체로서 작용하는 것을 증명한다.Figures 6 (b) and (d) are Raman spectra results for confirming surface oxygen defect sites. The F peak is a peak that appears as a reference in CeO 2 , and the D peak is a peak that appears due to surface oxygen defect sites in CeO 2 . By comparing the intensities of the F peak and D peak, the concentration of surface oxygen defect sites can be compared. Looking at (d) of Figure 6, as can be seen from the oxide results, when doped with copper (3CC I D /I F = 0.20; 5CC I D /I F = 0.38; 14CC I D /I F = 1.23; 23CC I D /I F = 1.75; and 31CC I D /I F = 1.81) Very large I D /I F value even compared to a typical CeO 2 carrier (I D /I F = 2.0 × 10 -2 ) can confirm. If you check the results of the reduced sample after reduction, you can see that the surface oxygen defect sites have been greatly reduced, which proves that the oxygen defect sites act as a very important mediator in the formation of the shell.

한편, 가장 Cu 나노 입자가 균일하게 관측되고, 가장 비정질 쉘이 잘 형성된 23CC를 600ºC에서 150시간 후에 얻은 촉매를 명시야(bright field, BF), 암시야(dark field, DF) 및 2차 전자(secondary electron, SE) 모드와 에너지 분산 분광법(energy dispersive spectroscopy, EDS) 매핑을 사용하여 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)으로 조사하였다. Meanwhile, the catalyst obtained after 150 hours at 600ºC for 23CC, in which Cu nanoparticles were observed most uniformly and the amorphous shell was well formed, was examined using bright field (BF), dark field (DF), and secondary electron ( It was investigated by transmission electron microscopy (TEM) using secondary electron (SE) mode and energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping.

결과는 도 7에 나타내었다. 도 7의 (a)는 23CC의 TEM 이미지이며, 도 7의 (b)는 23CC TEM 이미지를 확대한 것이고, 도 7의 (c)는 Cu와 Ce의 EDS 매핑 이미지이다. The results are shown in Figure 7. Figure 7 (a) is a TEM image of 23CC, Figure 7 (b) is an enlarged TEM image of 23CC, and Figure 7 (c) is an EDS mapping image of Cu and Ce.

도 7에 나타낸 바와 같이, 23CC의 경우, 크기가 10nm 이하인 작은 Cu 나노 입자가 관찰되었다. 흥미롭게도 Cu 나노 입자(200)는 비정질 쉘(400)로 캡슐화되었다. 도 7(b)의 SE 모드는 쉘의 형태를 보다 명확하게 보여주었다. 암시여 모드에서 쉘의 존재가 모호한 경우에도 SE 모드에서는 쉘이 확실히 관찰되었다. As shown in Figure 7, for 23CC, small Cu nanoparticles with a size of 10 nm or less were observed. Interestingly, Cu nanoparticles (200) were encapsulated in an amorphous shell (400). The SE mode in Figure 7(b) showed the shape of the shell more clearly. Even when the presence of the shell was ambiguous in the implicit mode, the shell was clearly observed in the SE mode.

도 7의 (c)를 참조하면 EDS 매핑 이미지에서 금속 산화물 지지체의 내부가 Ce와 Cu로 구성되어 있고 Cu가 주로 셀 내부에 있음을 확인하였다. Referring to (c) of FIG. 7, the EDS mapping image confirmed that the interior of the metal oxide support was composed of Ce and Cu, and that Cu was mainly located inside the cell.

실시예 2: COExample 2: CO 22 수소화 성능(Performance for CO Hydrogenation performance (Performance for CO 22 hydrogenation) hydrogenation)

CO2 수소화(CO2 + H2 → CO + H2O)는 CC 촉매를 사용하여 수행되었다. 이 반응은 최근 탄소 중립 사이클을 달성하는 데 필수적인 CO2 저감을 위한 확장 가능한 방법으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 CO2 수소화 반응에서 귀금속 기반 촉매는 종종 CH4를 생성하는 반면, CC 또는 23C/C 촉매는 CO만 생성했다. 열역학적 평형 조성은 CO를 유일한 생성물로 간주하여 HSC 화학 소프트웨어를 사용하여 계산했다. CO 2 hydrogenation (CO 2 + H 2 → CO + H 2 O) was performed using a CC catalyst. This reaction has recently received much attention as a scalable method for CO2 reduction, which is essential for achieving a carbon neutral cycle. In these CO 2 hydrogenation reactions, noble metal-based catalysts often produced CH 4 , whereas CC or 23C/C catalysts only produced CO. Thermodynamic equilibrium compositions were calculated using HSC chemistry software, considering CO as the only product.

열역학적으로 가장 높은 CO2 전환은 CO2:H2 비율에 따라 다르다. 예컨대, 600ºC에서 CO2 전환율이 가장 높은 값은 CO2:H2 = 1:1의 경우 38.4%이지만 CO2:H2 = 1:4의 경우 66.2%이다. 일반적으로 CO2 전환율은 과도한 양의 H2가 사용될 때 높다. 그러나 4배의 H2를 사용하면 귀중한 화학 물질인 H2가 낭비되기 때문에 유리하지 않을 수 있다. Thermodynamically, the highest CO 2 conversion depends on the CO 2 :H 2 ratio. For example, the highest CO 2 conversion value at 600ºC is 38.4% for CO 2 :H 2 = 1:1 but 66.2% for CO 2 :H 2 = 1:4. In general, CO 2 conversion rates are high when excessive amounts of H 2 are used. However, using four times as much H2 may not be advantageous because H2 , a valuable chemical, is wasted.

도 8을 참조하면, CO2:H2 = 1:1의 가스 조성으로 CO2 수소화를 수행했을 때, CC 촉매는 23CC의 경우 350°C에서 CO2 전환의 열역학적 한계인 18.0%에 도달하여 가장 우수한 성능을 보였으며, 350°C이상의 온도에서 CO2 전환이 열역학적 한계를 따랐다. Referring to Figure 8, when CO 2 hydrogenation was performed with a gas composition of CO 2 :H 2 = 1:1, the CC catalyst was the best, reaching 18.0%, which is the thermodynamic limit of CO 2 conversion at 350°C for 23CC. Performance was shown, and CO 2 conversion followed the thermodynamic limit at temperatures above 350°C.

그러나, 23 C/C는 350ºC에서 4.4%의 CO2 전환으로 현저하게 낮은 활성을 나타냈다. 다양한 CO2:H2 비율에서도 동일한 경향이 관찰되었다. 23CC는 CO2:H2 비율에 관계없이 350°C 이상에서 열역학적 한계를 따랐지만, 23 C/C는 특히 500°C 미만의 낮은 온도에서 현저하게 작은 전환만을 나타냄으로써 저온에서의 성능이 매우 낮음을 보였다. However, 23 C/C showed significantly lower activity with a CO2 conversion of 4.4% at 350ºC. The same trend was observed at various CO 2 :H 2 ratios. Although 23CC followed the thermodynamic limit above 350°C regardless of the CO 2 :H 2 ratio, 23 C/C showed very poor performance at low temperatures, showing only significantly small conversions, especially at lower temperatures below 500°C. showed.

한편, 23CC와 23C/C의 내구성은 600°C에서 150시간 동안 장기 반응을 통해 테스트했다. 촉매는 환원성이 높은 조건에서 더 많이 분해되기 때문에 CO2: H2 = 1:1외에 CO2:H2 = 1:4로도 장기 반응을 수행했다. 23CC는 CO2: H2 = 1:4의 경우 CO2 전환율을 66.2%로 유지하여 우수한 내구성을 입증했다. 그러나 23C/C의 경우 CO2:H2 = 1:4의 경우 CO2 전환율이 60.8%에서 54.0%로 감소했다. CO 선택성은 100%였으며 모든 경우에서 코킹이 관찰되지 않았다. 평형에 가깝지 않은 조건에서 반응을 수행하기 위해 더 낮은 온도에서 내구성 반응도 수행했다. 23CC의 내구성 테스트는 300°C에서, 23C/C의 경우 400°C에서 수행했는데, 300°C에서는 활성이 관찰되지 않았기 때문이다. 23CC의 내구성은 저온에서도 반응성 감소가 없었기 때문에 다시 한번 입증되었다. Meanwhile, the durability of 23CC and 23C/C was tested through long-term reaction at 600°C for 150 hours. Since the catalyst decomposes more under highly reducing conditions, long-term reactions were performed with CO 2 :H 2 = 1:4 in addition to CO 2 : H 2 = 1:1. 23CC demonstrated excellent durability by maintaining the CO 2 conversion rate at 66.2% in the case of CO 2 : H 2 = 1:4. However, at 23C/C, the CO 2 conversion rate decreased from 60.8% to 54.0% for CO 2 :H 2 = 1:4. CO selectivity was 100% and no coking was observed in all cases. To perform the reaction under conditions that were not close to equilibrium, the durability reaction was also performed at lower temperatures. Durability testing for 23CC was performed at 300°C and for 23C/C at 400°C, as no activity was observed at 300°C. The durability of 23CC was once again proven as there was no decrease in reactivity even at low temperatures.

실시예 3: COExample 3: CO 22 활성화 및 H Activate and H 22 스필오버 (CO Spillover (CO 22 activation and H activation and H 22 spillover) spillover)

CO2 활성화 능력은 먼저 CO2-TPD 분석을 통해 23CC와 23C/C에 대해 평가했다. 23CC에 더 많은 CO2 분자가 23C/C에 비해 더 강한 결합으로 부착되었다. CO2와 H2를 함께 흐르게 하는 동안 23CC 및 23C/C의 CO2 수소화도 현장 DRIFTS를 사용하여 모니터링했다(도 9(a), (b) 참조). CO 2 activation ability was first evaluated for 23CC and 23C/C through CO 2 -TPD analysis. More CO 2 molecules were attached to 23CC with stronger bonds compared to 23C/C. CO 2 hydrogenation at 23CC and 23C/C was also monitored using in situ DRIFTS while co-flowing CO 2 and H 2 (see Figures 9(a) and (b)).

포름산염 또는 탄산염의 피크는 1700 ~ 1200 cm-1에서 나타났다. 온도가 25°C에서 300°C로 상승하고 300°C에서 유지되는 동안 스펙트럼을 얻었을 때, 포름산염 또는 탄산염의 피크는 23C/C보다 23CC에서 더 컸다. 이 동작은 2차원 데모에서 더 명확하게 관찰할 수 있다(도 9(c) 참조). 중탄산염 피크는 23CC에서 1609 cm-1, 1420 cm-1, 1288 cm-1에서 먼저 나타나 CO2가 표면에서 효율적으로 활성화되고 있음을 보여주었고, 온도가 증가함에 따라 탄산염과 포름산염 피크가 1530 cm-1과 1367 cm-1에서 더 증가했다. 중탄산염 중간체는 포름산염 중간체보다 먼저 나타나는 것으로 알려져 있다. 또한 23CC의 흡광도는 100 ~ 200 ºC 온도 범위에서 2900 ~ 3500 cm-1에서 음이 되었으며, 이는 표면 수산기와 물 분자가 제거되었음을 의미한다. The peak of formate or carbonate appeared at 1700 ~ 1200 cm -1 . When spectra were obtained while the temperature was increased from 25°C to 300°C and maintained at 300°C, the peaks of formate or carbonate were larger at 23 CC than at 23 C/C. This behavior can be observed more clearly in the two-dimensional demonstration (see Figure 9(c)). Bicarbonate peaks first appeared at 1609 cm -1 , 1420 cm -1 , and 1288 cm -1 at 23CC, showing that CO 2 was being activated efficiently at the surface, and as the temperature increased, carbonate and formate peaks increased at 1530 cm -1 . It increased further at 1 and 1367 cm -1 . The bicarbonate intermediate is known to appear before the formate intermediate. Additionally, the absorbance of 23CC became negative at 2900 to 3500 cm -1 in the temperature range of 100 to 200 ºC, meaning that surface hydroxyl groups and water molecules were removed.

촉매 표면의 반응 중간체를 더 명확히 밝히기 위해 먼저 CO2를 흐르게 하여 기체 상태의 CO2를 제거한 다음 온도가 증가함에 따라 H2를 흐르게 하는 DRIFTS를 300°C에서 수행했다(도 9(c) 참조). CO2를 흘렸을 때, 1700~1200 cm-1의 피크는 23C/C보다 23CC에서 더 컸다. H2 흐름의 경우, 23CC에서 2852 cm-1, 2122 cm-1 및 1760 cm-1의 피크가 추가로 나타났는데, 이는 각각 포름산염, 금속 Cu에 흡착된 CO 및 H2 유출을 나타낸다. 이러한 피크는 23C/C에서는 관찰되지 않았다. 온도가 400ºC로 더 증가하면 포름산염 피크는 사라지고 CO 피크는 남아있었다. 23CC에서 CO2 흡착 시 형성된 표면 중간체는 H2 유출 시 포름산염과 CO로 전환되었다. CO2가 흡착되어 중탄산염을 형성한 다음 이러한 중간체가 포름산염이 되고 최종적으로 CO를 생성한다.To further clarify the reaction intermediates on the catalyst surface, DRIFTS was performed at 300°C by first flowing CO 2 to remove gaseous CO 2 and then flowing H 2 as the temperature increased (see Figure 9(c)). . When CO 2 was flowed, the peak at 1700~1200 cm -1 was larger at 23CC than at 23C/C. For H 2 flow, additional peaks at 2852 cm -1 , 2122 cm -1 and 1760 cm -1 appeared at 23CC, indicating formate, CO adsorbed on metallic Cu, and H 2 outflow, respectively. This peak was not observed at 23C/C. When the temperature was further increased to 400ºC, the formate peak disappeared and the CO peak remained. The surface intermediate formed upon CO 2 adsorption at 23CC was converted to formate and CO upon H 2 efflux. CO 2 is adsorbed to form bicarbonate, and then this intermediate becomes formate and finally produces CO.

한편, 23CC 및 23C/C의 표면 산소 종은 근상압 X-선 광전자 분광법(near-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, NAP-XPS)으로 조사했다. Meanwhile, surface oxygen species at 23CC and 23C/C were investigated by near-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS).

도 10을 참조하면, 온도가 증가함에 따라 CO2:H2 = 1:3의 가스 조성에서 촉매의 XPS O 1s 스펙트럼을 얻었다. 피크는 격자 산소(Olatt, ~ 530.1 eV), 일반적으로 표면의 결함 산소를 나타내는 표면 흡착 산소(Oads, ~ 532.2 eV), 표면 수산기, 반응 중간체 및 물을 포함한 수산화 산소 종(Ow, ~ 533.6 eV)의 세 가지 피크로 분해되었다. 온도가 증가함에 따라 23CC의 경우 Oads 비율은 실온에서 59.7%에서 150℃에서 34.2%로 감소하고 Ow는 실온에서 6.0%에서 150℃에서 19.0%로 증가한 반면, 23C/C는 훨씬 작은 변화를 보였다. 23C/C에 비해 23CC는 표면 산소 종의 농도가 더 높았으며, 이는 더 효율적인 H2 스필오버를 촉진했다. 그 결과 더 많은 수의 표면 수산기와 반응 중간체가 형성되었다. 23CC는 23C/C에 비해 CO2 활성화와 H2 스필오버가 모두 크게 향상되어 높은 수준의 CO2 수소화로 이어졌다.Referring to Figure 10, as the temperature increased, the XPS O 1s spectrum of the catalyst was obtained at a gas composition of CO 2 :H 2 = 1:3. The peaks are lattice oxygen (O latt , ~ 530.1 eV), surface adsorbed oxygen (O ads , ~ 532.2 eV), which typically represents defect oxygen on the surface, and hydroxyl oxygen species (O w , ~), including surface hydroxyl groups, reaction intermediates, and water. 533.6 eV) was resolved into three peaks. With increasing temperature, for 23CC the O ads ratio decreases from 59.7% at room temperature to 34.2% at 150°C and O w increases from 6.0% at room temperature to 19.0% at 150°C, while for 23C/C there is a much smaller change. It seemed. Compared to 23C/C, 23CC had a higher concentration of surface oxygen species, which promoted more efficient H 2 spillover. As a result, a greater number of surface hydroxyl groups and reactive intermediates were formed. 23CC significantly improved both CO 2 activation and H 2 spillover compared to 23C/C, leading to high levels of CO 2 hydrogenation.

실시예 4: 벤치 규모 반응(Bench-scale reaction)Example 4: Bench-scale reaction

더 큰 공정에서 23CC의 적용 가능성을 테스트하기 위해 벤치 규모 반응기에서 CO2 수소화를 수행했다. 먼저 23CC 30g을 볼 밀링하여 미세한 분말로 만들었다. 그 후, 직경과 높이가 1인치인 허니콤 모노리스(honeycomb monolith)에 촉매를 코팅하기 위한 촉매 슬러리를 준비했다. 촉매 로딩은 125g/L로, 모노리스의 실제 촉매 용량은 1.6g/였다. 이 모노리스를 벤치 규모 튜브 반응기에 넣고 325 sccm CO2, 325 sccm H2 및 650 sccm N2의 공급 가스를 사용하여 CO2 수소화를 수행했다(도 11(a)). 이 조건의 WHSV는 48507mL/gcat·h로 추정되었으며, 이는 실험실 규모의 반응기(48000mL/gcat·h)에 사용된 조건과 유사했다. 23CC는 벤치 규모 반응에서도 높은 활성과 내구성을 보여주었다(도 11 (b)). CO2 전환은 350ºC 이상의 열역학적 한계에 매우 근접했다. 실험실 규모 반응과 벤치 규모 반응의 차이는 종종 관찰되지만 23CC 촉매는 거의 동일한 성능을 보여 실제 적용 가능성이 높다는 것을 증명했다. 100%의 선택성으로 이산화탄소를 생산했으며, 600℃까지 3번 반복 반응해도 변화가 나타나지 않았다. 실제 CO 생산량을 높이기 위해 실험실 규모와 벤치 규모 모두에서 반응물 공급량을 3배로 늘려 CO2 수소화를 수행했다. 23CC의 실제 CO 생산성은 실험실 규모 반응과 벤치 규모 반응을 비교했다(도 11 (c)). 실험실 규모에서는 30.8mmol/gcat·h에서 벤치 규모에서는 984.9mmol/gcat·h로 32배 증가했으며, 비슷한 WHSV인 144000mL/gcat·h으로 측정되었다. CO 생성률도 문헌 값과 비교하였다(표 1). 23CC는 실제 CO 생성률 측면에서 사상 최고치를 기록했다. 간편하고 확장 가능한 방법으로 합성된 이 비 귀금속 촉매는 대규모 공정에서 열 CO2 감소에 유망 할 수 있다. To test the applicability of 23CC in larger processes, CO2 hydrogenation was performed in a bench-scale reactor. First, 30g of 23CC was ball milled into fine powder. Afterwards, a catalyst slurry was prepared to coat the catalyst on a honeycomb monolith with a diameter and height of 1 inch. The catalyst loading was 125 g/L, and the actual catalyst capacity of the monolith was 1.6 g/L. This monolith was placed in a bench scale tube reactor and CO 2 hydrogenation was performed using feed gases of 325 sccm CO 2 , 325 sccm H 2 and 650 sccm N 2 (Figure 11(a)). The WHSV for these conditions was estimated to be 48507 mL/g cat ·h, which was similar to the conditions used in the laboratory scale reactor (48000 mL/g cat ·h). 23CC showed high activity and durability even in bench-scale responses (Figure 11 (b)). CO2 conversion was very close to the thermodynamic limit above 350ºC. Although differences between laboratory-scale reactions and bench-scale reactions are often observed, the 23CC catalyst showed almost identical performance, proving that it has high potential for practical application. Carbon dioxide was produced with 100% selectivity, and no change was observed even after the reaction was repeated three times up to 600°C. To increase actual CO production, CO2 hydrogenation was performed by tripling the reactant feed at both laboratory and bench scales. The actual CO productivity of 23CC was compared between the laboratory scale response and the bench scale response (Figure 11(c)). It increased 32-fold from 30.8 mmol/g cat ·h at the laboratory scale to 984.9 mmol/g cat ·h at the bench scale, and was measured at a similar WHSV of 144000 mL/g cat ·h. CO production rates were also compared with literature values (Table 1). 23CC represents an all-time high in terms of actual CO production rate. This non-precious metal catalyst, synthesized in a facile and scalable method, may be promising for thermal CO2 reduction in large-scale processes.

RefRef CatalystsCatalysts H2/CO2 ratioH 2 /CO 2 ratio Reaction tempera-
ture
Reaction tempera-
ture
WHSV (mL/gcat·h)WHSV (mL/g cat ·h) CO2 conversion (%) CO2 conversion (%) CO2 conversion rate CO2 conversion rate
(mmol·gcat -1 h-1)
CO 2 conversion rate CO 2 conversion rate
(mmol·g cat -1 h -1 )
CO flowout
(mmolCO2 conversion rate (mmol*gcat -1 h-1)
CO flow out
(mmolCO 2 conversion rate (mmol*g cat -1 h -1 )
lablab benchbench lablab benchbench lablab benchbench This workThis work 23CC23CC 1One 250250 144000
(for bench reaction, 145521)
144000
(for bench reaction, 145521)
3.03.0 2.12.1 47.747.7 34.134.1 2.42.4 54.654.6
300300 7.47.4 6.66.6 118.5118.5 108.0108.0 5.95.9 172.7172.7 350350 16.716.7 13.713.7 268.5268.5 224.4224.4 13.413.4 359.0359.0 400400 22.722.7 21.421.4 365.1365.1 348.7348.7 18.218.2 557.9557.9 450450 27.127.1 25.825.8 436.2436.2 420.5420.5 21.821.8 672.8672.8 500500 31.331.3 30.430.4 502.9502.9 495.6495.6 25.125.1 793.0793.0 550550 35.035.0 34.334.3 562.6562.6 560.1560.1 28.128.1 896.1896.1 600600 38.438.4 37.737.7 616.9616.9 615.6615.6 30.830.8 984.9984.9 22 PtCo/CeO2 PtCo/ CeO2 2.82.8 300300 30003000 9.19.1 -- 48.748.7 -- 4.94.9 -- 33 Pt/TiO2 Pt/ TiO2 1.41.4 1200012000 1010 -- 3.53.5 -- 1.71.7 -- 44 0.3CuMgAl-LDH0.3CuMgAl-LDH 44 60006000 2121 -- 8.48.4 -- 1.71.7 -- 55 CuCeOx CuCeO x 33 -- 1818 -- 6.66.6 -- 1.31.3 -- 66 1Rh/10FC1Rh/10FC 1One 350350 240000240000 13.213.2 -- 217.8217.8 -- 10.910.9 -- 77 Ni/a-TiO2 Ni/a-TiO 2 44 1500015000 55 -- 6.46.4 -- 2.52.5 -- 88 Pt-K/MullitePt-K/Mullite 1One 3000030000 8.58.5 -- 4545 -- 4.54.5 -- 99 NiFe0.9/ZrO2 NiFe0.9 / ZrO2 22 400400 2400024000 18.618.6 -- 24.924.9 -- 2.52.5 -- 1010 1Pd-La2O3/MWCNT1Pd-La 2 O 3 /MWCNT 33 7200072000 19.519.5 -- 22.322.3 -- 1.11.1 -- 1111 Pd/TiO2-0.01Pd/TiO 2 -0.01 44 1100011000 20.120.1 -- 18.018.0 -- 0.90.9 -- 1212 Pt/CeO2-AAPt/CeO 2 -AA 33 450450 7200072000 3333 -- 169.2169.2 -- 8.58.5 -- 1313 0.75Fe 0.25Cu/CeO2-Al2O3 0.75Fe 0.25Cu/CeO 2 -Al 2 O 3 44 500500 3000030000 5656 -- 114.5114.5 -- 5.75.7 -- 1414 CuSiO/CuOx CuSiO/ CuOx 33 6000060000 17.817.8 -- 114.4114.4 -- 2.32.3 -- 1515 In2O3-CeO2 In 2 O 3 -CeO 2 0.50.5 4800048000 3030 -- 107.1107.1 -- 5.355.35 -- 66 1Rh/10FC1Rh/10FC 1One 600600 240000240000 38.338.3 -- 992.4992.4 -- 49.649.6 -- 1616 Pd-In/SiO2 Pd-In/SiO 2 1One 6000060000 3030 -- 146.4146.4 -- 7.37.3 -- 1717 Cu-Cs-Mo2CCu-Cs- Mo2C 44 1200012000 6464 -- 64.364.3 -- 16.116.1 -- 1818 Cu-Al spinelCu-Al spinel 22 3000030000 4747 -- 644.4644.4 -- 6.46.4 -- 1919 Cu β-Mo2CCuβ- Mo2C 22 300000300000 3838 -- 1696.31696.3 -- 36.636.6 -- 2020 BaZr0.8Y0.16Zn0.04O3 BaZr 0.8 Y 0.16 Zn 0.04 O 3 1One 24002400 3838 -- 20.120.1 -- 10.010.0 -- 2121 Ni/nSiO2 Ni/ nSiO2 44 400000400000 6060 -- 164.3164.3 -- 2.52.5 --

상기 표1에 나타낸 바와 같이, 23CC는 기록적으로 높은 CO 생산율을 보여주었다. 손쉽고 확장 가능한 방법으로 합성된 이 비귀금속 촉매는 대규모 공정에서 열적 CO2 감소(thermal CO2 reduction)에 유망할 수 있다.As shown in Table 1 above, 23CC showed a record-high CO production rate. Synthesized in a facile and scalable manner, this non-precious metal catalyst may be promising for thermal CO 2 reduction in large-scale processes.

쉘 구조의 촉매의 장점은 쉘이 작은 구리 구조를 유지시켜 주기 때문에 높은 내구성을 보인다는 것이다. RWGS 반응의 경우 수소가 사용되는 환원 분위기에서 이루어지는데, 이는 일반적인 담지 촉매 위 금속 입자의 뭉침을 유발한다. 쉘 구조가 이러한 뭉침을 방지한다.The advantage of a shell-structured catalyst is that it exhibits high durability because the shell maintains the small copper structure. In the case of the RWGS reaction, it is carried out in a reducing atmosphere using hydrogen, which causes agglomeration of metal particles on a typical supported catalyst. The shell structure prevents this clumping.

토의discussion

Cu 도핑된 CeO2(CC)는 표면 산소 전달을 크게 촉진하여 베어 CeO2(C/C)에 증착된 Cu보다 산소 결함을 더 쉽게 형성한다. 환원 시, CC 상의 작은 Cu 나노입자 상에 비정질 쉘이 형성되는 반면, Cu는 C/C에서 큰 입자로 소결된다. 금속 나노 입자의 산화물 쉘 형성은 이전에 귀금속 촉매에서만 보고되었지만, 이러한 거동은 표면 산소 전달을 향상시켜 이 비귀금속 촉매에서 관찰되었다. CO2 수소화 반응은 CC 촉매에서 수행되었으며 CO만 생성되었다. 특히, Cu가 23원자%인 23CC는 350℃이상의 열역학적 평형 한계(thermodynamic equilibrium limit)를 따라 모든 온도 범위에서 높은 CO 생성율을 보였다. 이 촉매는 또한 600℃에서 150시간 동안의 장기간 반응에 대한 높은 내구성을 보여주었다. 촉진된 표면 결함(promoted surface defects)은 in-situ DRIFTS 및 TPSR에 의해 확인된 바와 같이 CO2 활성화 및 H2 유출을 보다 효율적으로 가능하게 하였다. 23CC 촉매는 벤치 규모 반응기에도 적용되어 기록적인 높은 CO 생산율을 기록했다. 이 캡슐화 된 비귀금속 촉매는 CO2 감소를 위해 대규모로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.Cu-doped CeO 2 (CC) greatly promotes surface oxygen transfer, forming oxygen defects more easily than Cu deposited on bare CeO 2 (C/C). Upon reduction, an amorphous shell is formed on small Cu nanoparticles in CC, whereas Cu sinters into large particles in C/C. Although oxide shell formation of metal nanoparticles has previously only been reported for noble metal catalysts, this behavior was observed for this non-noble metal catalyst by enhancing surface oxygen transfer. The CO 2 hydrogenation reaction was performed on a CC catalyst and only CO was produced. In particular, 23CC, which contains 23 at% Cu, showed a high CO production rate in all temperature ranges along the thermodynamic equilibrium limit of over 350°C. This catalyst also showed high durability for long-term reactions at 600°C for 150 hours. Promoted surface defects enabled more efficient CO 2 activation and H 2 efflux as confirmed by in-situ DRIFTS and TPSR. The 23CC catalyst was also applied to a bench-scale reactor, achieving record-high CO production rates. It is expected that this encapsulated non-precious metal catalyst can be applied on a large scale for CO2 reduction.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although embodiments of the present invention have been described in more detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications may be made without departing from the technical spirit of the present invention. . Accordingly, the embodiments disclosed 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. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be construed as being included in the scope of rights of the present invention.

Claims (14)

금속산화물 지지체 및 구리를 포함하는 복합 산화물 촉매.
A composite oxide catalyst containing a metal oxide support and copper.
제1항에 있어서, 상기 금속산화물은 TiO2, 또는 CeO2인, 복합 산화물 촉매.
The composite oxide catalyst of claim 1, wherein the metal oxide is TiO 2 or CeO 2 .
제1항에 있어서, 상기 구리는 촉매의 표면에 입자로 존재하는 것인, 복합 산화물 촉매.
The composite oxide catalyst according to claim 1, wherein the copper exists as particles on the surface of the catalyst.
제3항에 있어서, 상기 입자의 구리는 산화구리를 포함하는 것인, 복합산화물 촉매.
The composite oxide catalyst according to claim 3, wherein the copper of the particles includes copper oxide.
제3항에 있어서, 상기 입자는 상기 금속산화물 지지체로 이루어진 쉘로 캡슐화된 것인, 복합 산화물 촉매.
The composite oxide catalyst according to claim 3, wherein the particles are encapsulated in a shell made of the metal oxide support.
제5항에 있어서, 상기 쉘은 가스 투과성(gas permeability)을 나타내는 것인, 복합 산화물 촉매.
The composite oxide catalyst according to claim 5, wherein the shell exhibits gas permeability.
제1항에 있어서, 상기 구리는 CeO2 격자 구조 내에 존재하는 것인, 복합산화물 촉매.
The composite oxide catalyst according to claim 1, wherein the copper exists in a CeO 2 lattice structure.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 복합 산화물 촉매를 포함하는 촉매 잉크 조성물.
A catalyst ink composition comprising the complex oxide catalyst of any one of claims 1 to 7.
다음 단계를 포함하는 복합 산화물 촉매의 제조방법:
(a) 금속 산화물 전구체 및 구리 산화물을 물에 용해시키는 단계;
(b) 상기 용액의 pH를 8 내지 9로 조절하고 교반하여 침전시키는 단계;
(c) 상기 침전물을 건조하여 고용체를 제조하는 단계;
(d) 상기 고용체를 소성시키는 단계; 및
(e) 상기 소성된 고용체를 수소 조건에서 환원시키는 단계.
Method for preparing a complex oxide catalyst comprising the following steps:
(a) dissolving the metal oxide precursor and copper oxide in water;
(b) adjusting the pH of the solution to 8 to 9 and stirring it to precipitate it;
(c) drying the precipitate to prepare a solid solution;
(d) calcining the solid solution; and
(e) reducing the calcined solid solution under hydrogen conditions.
제9항에 있어서, 상기 금속 산화물은 세륨 산화물 또는 티타늄 산화물인, 제조방법.
The method of claim 9, wherein the metal oxide is cerium oxide or titanium oxide.
제9항에 있어서, 상기 구리 산화물은 물 90 mL를 기준으로 5 내지 50 mg이 용해되는 것인, 제조방법.
The method of claim 9, wherein 5 to 50 mg of the copper oxide is dissolved based on 90 mL of water.
제9항에 있어서, 상기 (b) 단계의 교반은 3 내지 10시간 동안 수행되는 것인, 제조방법.
The manufacturing method according to claim 9, wherein the stirring in step (b) is performed for 3 to 10 hours.
제9항에 있어서, 상기 (d) 단계의 소성은 400 내지 600℃에서 수행되는 것인, 제조방법.
The manufacturing method according to claim 9, wherein the baking in step (d) is performed at 400 to 600°C.
제9항에 있어서, 상기 (d) 단계의 소성은 2시간 내지 6시간 동안 수행되는 것인, 제조방법.
The manufacturing method according to claim 9, wherein the baking in step (d) is performed for 2 to 6 hours.
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