WO2013115613A1 - Durability-improved catalyst for reductive elimination of nitrogen oxides - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a catalyst for the reductive elimination of nitrogen oxides using hydrogen and, more specifically, to a catalyst for the reductive elimination of nitrogen oxides, the catalyst having high nitrogen selectivity and improved durability and, more particularly, to a complex oxide catalyst for the reductive elimination of nitrogen oxides, wherein reducing metal oxides are fixed to one or both of the basic oxides consisting of SiO2 and Al2O3, and noble metals are supported thereon.

Description

내구성이 개선된 질소산화물 환원제거용 촉매Nitrogen oxide reduction removal catalyst with improved durability
본 발명은 수소를 이용한 질소산화물의 환원제거용 촉매에 관한 것이며, 상세하게는 질소 선택성이 높고 내구성이 개선된 질소산화물 환원제거용 촉매에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for the reduction and removal of nitrogen oxides using hydrogen, and more particularly, to a catalyst for the reduction and removal of nitrogen oxides having high nitrogen selectivity and improved durability.
귀금속은 수소를 활성화시킬 수 있어 NOx의 H2-SCR 반응에 촉매 활성이 있으나, 산소가 들어 있는 조건에서는 H2-SCR 반응 및 수소-산소 반응에 동시에 진행되어 질소산화물의 제거에 대한 선택도가 낮다. 뿐만 아니라 산소가 들어 있는 조건에서는 H2-SCR 반응으로 질소가 주로 생성되기보다는 저온에서는 N2O, 고온에서는 NO2가 주로 생성되어 질소에 대한 선택도가 낮다. 따라서 귀금속을 단독으로 활성물질로 사용하기보다는 귀금속을 MnOx, MgO-CeO2, TiO2-ZrO2 등 산화물에 담지하여 질소산화물의 H2-SCR 반응에서의 질소 선택성을 증진시킨다. 귀금속과 이들 산화물과 상호작용으로 질소산화물의 이들 산화물에 대한 흡착 등이 H2-SCR 반응의 진행 정도와 생성물 선택성 결정에 중요하다.Precious metals can activate hydrogen and thus have catalytic activity in the H 2 -SCR reaction of NOx, but under oxygen-containing conditions, the noble metal proceeds simultaneously in the H 2 -SCR reaction and hydrogen-oxygen reaction, thus providing a selectivity for the removal of nitrogen oxides. low. In addition, in the oxygen-containing conditions, N 2 O at low temperature and NO 2 is mainly generated at low temperature, rather than nitrogen being mainly generated by H 2 -SCR reaction, so the selectivity for nitrogen is low. Therefore, rather than using the noble metal alone as an active material, the noble metal is supported on oxides such as MnOx, MgO-CeO 2 and TiO 2 -ZrO 2 to enhance nitrogen selectivity in H 2 -SCR reaction of nitrogen oxides. Adsorption of noble metals to these oxides by their interaction with these oxides is important for determining the extent of H 2 -SCR reaction and product selectivity.
알루미나는 석유화학공업뿐 아니라 자동차 배기가스 정화용 촉매의 지지체로 널리 사용된다. 금속과 상호작용이 적절하여 분산도가 우수하며 열적으로 안정하여 귀금속 지지체로 매우 적절하다. 그러나 황 화합물이 들어 있는 디젤엔진 배기가스의 정화 반응에서는 황산화물과 알루미늄이 반응하여 황산알루미늄을 만들어 촉매에 축적되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 이와 함께 귀금속과 알루미늄이 반응하여 PtAl3 등 활성이 없는 물질을 생성하여 귀금속의 활성을 낮춘다. 이런 점에서 알루미나를 대체하기 위한 목적으로 실리카에 담지된 귀금속의 분산도를 높이고 귀금속과 반응하지 않는 지지체에 대한 연구가 진행되어 왔다.Alumina is widely used as a support for catalysts for automobile exhaust gas purification as well as petrochemical industry. It is suitable as a precious metal support because it has good dispersibility and thermal stability because of proper interaction with metal. However, in the purification of diesel engine exhaust gas containing sulfur compounds, sulfur oxides and aluminum react to form aluminum sulfate, which accumulates in the catalyst, thereby lowering the activity of the catalyst. In addition, the noble metal and aluminum reacts to produce an inert material such as PtAl 3 to lower the activity of the noble metal. In order to replace alumina in this regard, studies have been conducted to increase the dispersion of precious metals supported on silica and to not react with the precious metals.
실리카는 알루미나와 달리 황산화물 또는 귀금속과의 반응성이 없어 이들과의 반응에 기인한 활성저하를 원천적으로 억제할 수 있다. 또한 표면적이 넓고 용도에 따라 세공 크기를 조절할 수 있어 지지체로 매우 바람직하다. 그러나 귀금속과 상호작용이 약하여 고온에 장기간 노출되면 백금을 실리카에 담지한 촉매는 질소 산화물의 H2-SCR 반응에서 N2O가 주로 생성되어 환원제거 생성물인 질소에 대한 선택도가 낮다는 문제점이 있었다.Unlike alumina, silica has no reactivity with sulfur oxides or noble metals, and thus can inhibit the activity deterioration due to the reaction with them. In addition, since the surface area is large and the pore size can be adjusted according to the use, it is very preferable as a support. However, due to the weak interaction with noble metals, prolonged exposure to high temperatures, catalysts containing platinum on silica have a problem that N 2 O is mainly generated in the H 2 -SCR reaction of nitrogen oxides, resulting in low selectivity for nitrogen as a reduction and removal product. there was.
본 출원인에 의해 개시된 대한민국 공개번호 제2010-0013534호인 수소를 이용한 질소산화물의 환원제거용 촉매 및 이를 이용한 질소산화물의 환원제거 방법에 의하면, 질소산화물을 수소로 직접 환원 제거하는 대신 질소산화물과 수소를 반응시켜 일차적으로 암모니아를 제조하고, 제조된 암모니아를 질소 산화물과 반응시켜 질소산화물을 두 단계에 걸쳐 환원제거하기 위한 촉매조성물 및 이러한 촉매조성물을 이용한 질소산화물 환원방법이 개시된다. 구체적으로, Fe2O3, Co2O3, NiO 및 CuO로 구성된 A군 금속산화물 중 하나 또는 2 이상의 금속산화물; 및 V2O5, Cr2O3, MnO2 및 MoO3로 구성된 B군 금속산화물 중 하나 또는 2 이상의 금속산화물이 공침되어 혼합된, 수소를 환원제로 이용하여 질소산화물을 환원제거하기 위한 복합산화물 촉매가 개시된다.According to Korean Patent Publication No. 2010-0013534 disclosed by the present applicant according to the catalyst for the reduction and removal of nitrogen oxides using hydrogen and a method for reducing and removing nitrogen oxides using the same, instead of directly reducing and removing nitrogen oxides with hydrogen, A catalyst composition for reducing a nitrogen oxide in two steps by reacting the prepared ammonia with nitrogen oxide by reacting the ammonia, and a method for reducing nitrogen oxide using the catalyst composition are disclosed. Specifically, one or two or more metal oxides of Group A metal oxides consisting of Fe 2 O 3 , Co 2 O 3 , NiO and CuO; And a complex oxide catalyst for reducing and removing nitrogen oxide using hydrogen as a reducing agent, in which one or two or more metal oxides of group B metal oxides composed of V 2 O 5 , Cr 2 O 3 , MnO 2 , and MoO 3 are co-precipitated and mixed. Is initiated.
그러나 여전히 내구성 및 질소선택성이 탁월한 촉매에 대한 필요성이 존재한다. 상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 실리카 및/또는 지르코니아에 TiO2, ZrO2, CeO2 등 전이금속 산화물을 고정한 후 귀금속을 담지한 촉매를 제공하여, H2-SCR 반응에서 귀금속의 성능이 최대로 발현될 수 있는 질소산화물 환원제거용 촉매를 제안하는 것이다.However, there is still a need for catalysts with excellent durability and nitrogen selectivity. In order to solve the above problems, the present invention provides a catalyst supporting a precious metal after fixing a transition metal oxide such as TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2 to silica and / or zirconia, so that the performance of the precious metal in the H 2 -SCR reaction is maximized. It is to propose a catalyst for nitrogen oxide reduction removal that can be expressed as.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 복합산화물 촉매로 구성된다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a composite oxide catalyst as follows.
본 발명은, TiO2, ZrO2 및 CeO2로 이루어진 금속산화물 중 하나 또는 2 이상의 금속산화물이 SiO2 및 Al2O3로 이루어진 기본산화물 중 하나 또는 양쪽의 기본산화물에 고정되며, 귀금속이 담지되는, 질소산화물을 환원제거하기 위한 복합산화물 촉매로 구성된다. 비제한적으로 본 발명은 다음과 같은 특징이 있다. 상기 금속산화물은 복합산화물 촉매 전체 중량에 대하여 0.5 내지 50 중량% 포함되며, 상기 귀금속은 백금 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 귀금속성분이 0.1~5중량%로 담지될 수 있다.In the present invention, one or two or more metal oxides of the metal oxides consisting of TiO 2 , ZrO 2 and CeO 2 are fixed to one or both of the base oxides of SiO 2 and Al 2 O 3 , and the precious metal is supported. And a composite oxide catalyst for reducing and removing nitrogen oxides. Without limitation, the present invention has the following features. The metal oxide may be contained in an amount of 0.5 to 50% by weight based on the total weight of the composite oxide catalyst, and the precious metal may be supported by 0.1 to 5% by weight of one precious metal component selected from the group consisting of platinum and palladium.
본 발명에 의한 실리카 및/또는 지르코니아에 TiO2, ZrO2, CeO2 등 전이금속 산화물을 고정한 후 귀금속을 담지한 질소산화물 환원제거용 촉매는 H2-SCR 반응에서 귀금속의 성능이 최대로 발현될 수 있어 내구성 및 선택적 환원이 우수하다.Nitrogen oxide reduction and removal catalyst carrying a precious metal after fixing a transition metal oxide such as TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2 to silica and / or zirconia according to the present invention will exhibit the maximum performance of the precious metal in the H 2 -SCR reaction. It is excellent in durability and selective reduction.
도 1은 Pt/SiO2 촉매 및 본 발명에 의한 Pt/MOx-SiO2 촉매의 XRD 회절 패턴을 보인다.1 shows an XRD diffraction pattern of a Pt / SiO 2 catalyst and a Pt / MOx-SiO 2 catalyst according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 백금 촉매들의 Pt 4f XPS 스펙트럼을 보인다.2 shows the Pt 4f XPS spectrum of the platinum catalysts according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 촉매의 TEM 사진을 보인다.Figure 3 shows a TEM picture of the catalyst according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 백금 촉매에 흡착된 CO의 IR 스펙트럼을 보인다. 측정 조건은 50℃에서 30분 동안 CO 혼합가스에 노출되는 N2 기류에서 측정되었다.Figure 4 shows the IR spectrum of the CO adsorbed on the platinum catalyst according to the present invention. The measurement conditions were measured in N 2 air stream exposed to CO mixed gas at 50 ° C. for 30 minutes.
도 5는 Pt/SiO2 촉매 및 Pt/Zr-SiO2 촉매에서 NO/H2/O2 기체를 흘리며 50℃로 일정하게 유지한 상태에서 얻은 FT-IR 스펙트럼(A) 및 250℃ 승온 과정에서 얻은 FT-IR 스펙트럼(B)을 보인다.FIG. 5 shows FT-IR spectra (A) obtained at a constant temperature of 50 ° C. while flowing NO / H 2 / O 2 gas in Pt / SiO 2 catalyst and Pt / Zr-SiO 2 catalyst, and 250 ° C. temperature increase process. The obtained FT-IR spectrum (B) is shown.
도 6은 Pt(1.0)/Ti-SiO2 촉매 및 Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매에서 NO/H2/O2 기체를 흘리며 50℃로 일정하게 유지한 상태에서 얻은 FT-IR 스펙트럼(A) 및 250℃ 승온 과정에서 얻은 FT-IR 스펙트럼(B)을 보인다.FIG. 6 shows FT-IR spectra obtained at a constant temperature of 50 ° C. while flowing NO / H 2 / O 2 gas in a Pt (1.0) / Ti-SiO 2 catalyst and a Pt (1.0) / Ce-SiO 2 catalyst. A) and the FT-IR spectrum (B) obtained during the 250 ° C. temperature increase process.
도 7은 산소가 들어 있지 않은 NO/H2/He (NO 480 ppmv/H2 0.8%/He balance) 혼합기체를 흘리면서 Pt(1.0)/SiO2 및 Pt(1.0)/Zr-SiO2에 대하여 조사한 NO 전환율과 생성물 수율을 보인다.FIG. 7 shows Pt (1.0) / SiO 2 and Pt (1.0) / Zr-SiO 2 while flowing oxygen-free NO / H 2 / He (NO 480 ppmv / H 2 0.8% / He balance) mixed gas. The investigated NO conversion and product yield are shown.
도 8은 NO/O2/H2 반응물 (NO 480 ppmv/O2 5%/H2 0.8%/He balance)에서 Pt(1.0)/SiO2 및 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매의 H2-SCR 반응에서 거동을 보인다.8 shows H of Pt (1.0) / SiO 2 and Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts at NO / O 2 / H 2 reactant (NO 480 ppmv / O 2 5% / H 2 0.8% / He balance). It exhibits behavior in the 2 -SCR reaction.
도 9는 NO/O2/H2 반응물 (NO 480 ppmv/O2 5%/H2 0.8%/He balance)에서 Pt/MOx-SiO2 (M=Ti, Ce) 및 Pt(1.0)/Al2O3 촉매의 H2-SCR 반응에서 거동을 보인다.9 shows Pt / MOx-SiO 2 (M = Ti, Ce) and Pt (1.0) / Al 2 at NO / O 2 / H 2 reactant (NO 480 ppmv / O 2 5% / H 2 0.8% / He balance). It shows behavior in H 2 -SCR reaction of O 3 catalyst.
도 10은 백금 담지 함량이 다른 Pt/Zr-SiO2 촉매에서 NO 전환율 및 생성물 수율을 나타낸다.10 shows NO conversion and product yield in Pt / Zr-SiO 2 catalysts with different platinum loading contents.
도 11은 Pt, Pd, Rh, Ru(5.0)/Zr-SiO2 촉매에서의 NO 전환율 및 생성물 수율을 나타낸다. FIG. 11 shows NO conversion and product yield in Pt, Pd, Rh, Ru (5.0) / Zr—SiO 2 catalysts.
도 12는 물이 10부피% 들어 있는 질소를 흘리면서 850℃에서 4시간 동안 Pt(1.0)/SiO2, Pt(1.0)/Zr-SiO2, Pt(1.0)/Al2O3 촉매를 수열 처리한 촉매의 XRD 패턴을 보인다.12 is hydrothermal treatment of Pt (1.0) / SiO 2 , Pt (1.0) / Zr-SiO 2 , Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalyst for 4 hours at 850 ° C. while flowing nitrogen containing 10% by volume of water. The XRD pattern of one catalyst is shown.
도 13은 수열 처리 전 (A) 및 후 (B) 촉매에서 NO의 H2-SCR 반응 (NO 480 ppmv/O2 5%/H2 0.8%/He balance) 결과를 도시한다.FIG. 13 shows the results of H 2 -SCR reaction (NO 480 ppmv / O 2 5% / H 2 0.8% / He balance) of NO in (A) and after (B) catalysts before hydrothermal treatment.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 자세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 이 발명을 상세히 설명하기 위한 것이며, 본 발명은 이에 국한되지 않는다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, these examples are intended to illustrate this invention in detail, and the present invention is not limited thereto.
실시예 1 복합산화물 촉매의 제조 (금속산화물을 고정한 Pt/MOx-SiO2 (M=Ti, Zr, Ce) 제조) Example 1 Preparation of Composite Oxide Catalyst ( Preparation of Pt / MOx-SiO 2 (M = Ti, Zr, Ce) with Metal Oxide Fixed)
티타늄 부톡사이드(99%, Johnson Matthey Co.), 지르코늄 프로폭사이드(99.99%, Aldrich), 질산 세륨 육수화물(99.99%, Aldrich)를 전구체로 사용하여 무정형 실리카(Si635, Aldrich)에 티타니아, 지르코니아, 세리아를 고정하였다. 티아니아와 지르코니아를 졸-겔 방법으로 실리카에 고정하였으며, 세리아는 함침법으로 고정하였다. 무수에탄올에 티타늄 전구체를 녹인 후 실리카를 넣고 80℃에서 4시간 동안 반응시켰다. 세척 여과하여 100℃ 건조기에서 12시간 건조한 후 450℃에서 4시간 소성하였다. 지르코니아를 고정한 실리카 역시 같은 방법으로 제조하였다. 세륨 전구체를 증류수에 녹인 용액에 실리카를 넣고 4시간 교반 후 회전식 증발기에 넣고 증발 건조하여 세리아를 고정하고, 450℃에서 4시간 소성하여 제조하였다. 한편, 귀금속인 백금은 함침법으로 담지하였다. 백금 담지량이 0.1, 1.0, 4.0 wt%가 되도록 질산 테트라아민백금(II)(99%, Aldrich)을 금속산화물이 고정된 실리카에 담지하여 백금 촉매를 생성하였다. 백금을 담지한 촉매를 100℃ 건조기에서 건조한 후, 400℃에서 2시간 동안 100 ml/min 수소(H2/N2=50/50, 부피%, 한국특수가스) 기류 중에서 촉매를 환원하였다. 본 실시예에서 티타니아, 지르코니아, 세리아 산화물이 고정된 실리카를 각각 Ti-SiO2, Zr-SiO2, 및 Ce-SiO2로 표기하고, 백금 담지 촉매는 이들 앞에 Pt를 붙여 예를들면 Pt/Ti-SiO2 형식으로 명명하였다.Titania, zirconia on amorphous silica (Si635, Aldrich) using titanium butoxide (99%, Johnson Matthey Co.), zirconium propoxide (99.99%, Aldrich) and cerium nitrate hexahydrate (99.99%, Aldrich) as precursors Ceria was fixed. Tiania and zirconia were fixed to silica by sol-gel method, and ceria was fixed by impregnation method. After dissolving the titanium precursor in anhydrous ethanol was added to silica and reacted at 80 ℃ for 4 hours. The filter was washed, dried for 12 hours at 100 ° C., and calcined at 450 ° C. for 4 hours. Zirconia-fixed silica was also prepared in the same manner. Silica was added to a solution of cerium precursor dissolved in distilled water, stirred for 4 hours, put in a rotary evaporator, and evaporated to dryness. The ceria was fixed and calcined at 450 ° C. for 4 hours to prepare. On the other hand, platinum, a precious metal, was supported by impregnation method. Platinum catalyst was formed by supporting tetraamine platinum (II) nitrate (99%, Aldrich) on silica fixed with metal oxides so that the platinum loading was 0.1, 1.0, 4.0 wt%. The platinum-supported catalyst was dried in a 100 ° C. drier, and the catalyst was reduced in 100 ml / min hydrogen (H 2 / N 2 = 50/50, volume%, Korea special gas) stream at 400 ° C. for 2 hours. In this embodiment, titania, zirconia, and ceria oxide-fixed silica are denoted as Ti-SiO 2 , Zr-SiO 2 , and Ce-SiO 2 , respectively, and the platinum supported catalyst is preceded by Pt, for example, Pt / Ti. Named in the form -SiO2.
실험예 1 X-선 회절 분석(XRD)Experimental Example 1 X-Ray Diffraction Analysis (XRD)
Ni 필터를 거친 Cu Kα X-선을 이용하는 X-선 회절분석기(Rigaku, HR-XRD, Ultima III)로 촉매의 X-선 회절 패턴을 얻었다. 40 kV 및 40 mA 조건에서 5 ~ 90˚ 범위를 2˚/분 속도로 주사하였다.The X-ray diffraction pattern of the catalyst was obtained with an X-ray diffractometer (Rigaku, HR-XRD, Ultima III) using Cu Kα X-rays passed through a Ni filter. In the 40 kV and 40 mA conditions, a range of 5 to 90 degrees was injected at a rate of 2 degrees / minute.
실험예 2 질소 흡착등온선의 측정Experimental Example 2 Measurement of Nitrogen Adsorption Isotherm
촉매의 표면적을 측정하기 위해 자동 흡착 장치(Mirae SI nanoPorosity-XG)로 액체 질소 온도에서 질소의 흡착등온선을 얻었다. 측정하기 전에 촉매 0.1g을 시료관에 넣고 250℃에서 2시간 동안 가열하면서 배기하였다. 77 K에서 측정한 흡착등온선에 BET식을 적용하여 표면적을 계산하였다.The adsorption isotherm of nitrogen at liquid nitrogen temperature was obtained by an automatic adsorption device (Mirae SI nanoPorosity-XG) to measure the surface area of the catalyst. 0.1 g of catalyst was placed in a sample tube and evacuated while heating at 250 ° C. for 2 hours before measurement. The surface area was calculated by applying the BET equation to the adsorption isotherm measured at 77 K.
실험예 3 백금 분산도 측정Experimental Example 3 Measurement of Platinum Dispersion
촉매에 담지된 백금 분산 상태는 투과 전자현미경(TEM, JEM 2000 FXII, JEOL)으로 관찰하였다. 촉매를 아세톤에 넣고 초음파로 진동시켜 분산시킨 후 일부를 채취하여 탄소망(carbon grid)에 올려 시편을 제조하였다.The platinum dispersion supported on the catalyst was observed by transmission electron microscope (TEM, JEM 2000 FXII, JEOL). The catalyst was placed in acetone, vibrated by ultrasonic wave, dispersed, and a part was taken and placed on a carbon grid to prepare a specimen.
실험예 4 표면 분석Experimental Example 4 Surface Analysis
단색화된 MgKα X-선원(300 W)을 사용하는 X-선 광전자 분광기(XPS, VG MultiLab 2000)로 촉매의 표면 조성 및 화학적 상태를 분석하였다. 각 원자의 결합에너지는 C 1s(285 eV)에 맞추어 보정하였다.The surface composition and chemical state of the catalyst were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, VG MultiLab 2000) using a monochromated MgKα X-ray source (300 W). The binding energy of each atom was corrected for C 1s (285 eV).
실험예 5 X-선 흡수분광(XANES 및 EXAFS) 실험Experimental Example 5 X-ray Absorption Spectroscopy (XANES and EXAFS) Experiment
포항가속기센터의 3C1 빔라인에서 촉매의 철과 망간의 X-선 흡수 스펙트럼을 얻었다. Si(111)과 Si(311) 결정으로 구성된 이중 단색기를 거쳐 단색화한 X-선의 흡광도를 70~80% 범위로 조정하여 Fe K-edge (7122 eV)와 Mn K-edge(6539 eV) 근처에서 형광법(fluorescence mode)으로 흡광도를 측정하였다.X-ray absorption spectra of iron and manganese were obtained from the 3C1 beamline of the Pohang Accelerator Center. By adjusting the absorbance of the monochromatic X-rays to 70 ~ 80% range through a double monochromator composed of Si (111) and Si (311) crystals, it is possible to adjust the absorbance of Fe K-edge (7122 eV) and Mn K-edge (6539 eV). Absorbance was measured by fluorescence mode.
실험예 6 FT-IR을 이용한 NO의 흡착 상태 및 환원제거 반응 조사Experimental Example 6 Investigation of NO Adsorption Status and Reduction Removal Using FT-IR
질소산화물의 흡장 상태는 in-situ cell (GRASEBY, SPECAC)이 부착된 BIO-RAD FT-IR spectrophotometer(FTS-175C)로 조사하였다. 즉, 촉매 10 mg을 압축하여 판형(wafer) 시편을 만들어 셀 내 시편 지지대에 놓고 헬륨 기체를 100 ml/min 속도로 흘리면서 400℃에서 1시간 동안 활성화하였다. 50℃로 냉각한 후 NO와 수소 혼합기체(한국특수가스, NO 480 ppmv/O2 5%/H2 0.8%/He balance)를 100 ml/min 속도로 흘리면서, 흡착한 NO의 IR 스펙트럼을 4000~700 cm-1 범위에서 그렸다. 분해능(resolution)이 4 cm-1인 조건에서 1분당 IR 스펙트럼을 16번 그려 신호/잡음 비(S/N)를 키웠다. 30분간 유지한 후 400도까지 승온하여 NO의 흡착과 환원 거동을 조사하였다.The occlusion state of nitrogen oxides was investigated with a BIO-RAD FT-IR spectrophotometer (FTS-175C) attached to in-situ cells (GRASEBY, SPECAC). That is, 10 mg of catalyst was compressed to make a wafer specimen, placed on a specimen support in a cell, and activated at 400 ° C. for 1 hour while flowing helium gas at a rate of 100 ml / min. After cooling to 50 ℃, flowing IR and hydrogen mixture gas (Korea Special Gas, NO 480 ppmv / O 2 5% / H 2 0.8% / He balance) at 100 ml / min. Painted in the range of -700 cm -1 . The signal / noise ratio (S / N) was increased by drawing 16 IR spectra per minute with a resolution of 4 cm −1 . After maintaining for 30 minutes, the temperature was raised to 400 degrees and the adsorption and reduction behavior of NO were investigated.
실험예 7 유통식 반응기에서 질소산화물의 환원제거 거동 조사Experimental Example 7 Investigation of Reduction Removal Behavior of Nitrogen Oxide in a Flow-type Reactor
수소에 의한 NO의 환원제거 반응을 상압 유통식 반응기로 조사하였다. 개략적으로, 외경이 6 mm인 석영관에 백금을 담지한 촉매 0.1g을 충전하고, 500℃에서 1 시간 동안 활성화시켰다. 전자식 유량 조절기를 장착한 유통식 반응기를 제작하여 연속 조작 조건에서 H2-SCR 반응 활성을 조사하였다. 50~300℃에서 NO 혼합기체(NO 480 ppmv/O2 5%/He balance)를 100 ml/min으로 흘려주어 정상 상태에 도달한 후 수소를 공급하였다. 수소 주입량을 0.8%가 되도록 조절하였다. 반응기 말단에 NDIR 가스 분석기(Siemens, ULTRAMAT 6)를 설치하여 NO와 N2O 농도를 측정하였으며, 질량분석기(Balzers, QMS200)로 질소산화물에서 생성된 N2, NO, N2O, NH3의 생성량을 조사하였다.The reduction reduction reaction of NO by hydrogen was investigated in an atmospheric pressure type reactor. Roughly, 0.1 g of platinum-supported catalyst was charged into a quartz tube with an outer diameter of 6 mm, and activated at 500 ° C. for 1 hour. A flow-through reactor equipped with an electronic flow regulator was fabricated and the H2-SCR reaction activity was investigated under continuous operating conditions. NO mixture gas (NO 480 ppmv / O 2 5% / He balance) was flowed at 100 ml / min at 50˜300 ° C. to reach a steady state, and then hydrogen was supplied. The hydrogen injection amount was adjusted to 0.8%. NO and N 2 O concentrations were measured by installing a NDIR gas analyzer (Siemens, ULTRAMAT 6) at the end of the reactor, and mass spectrometers (Balzers, QMS200) were used to determine the N 2 , NO, N 2 O, and NH 3 The yield was investigated.
실험예 8 수열 처리방법Experimental Example 8 Hydrothermal Treatment Method
실시예 1에서 제조된 백금이 담지된 촉매를 알루미나 도가니에 담아 원형 소성로의 석영관 안에 넣었다. 순환식 정밀 항온수조(Jeico Tech, WBC-1506W)에 담긴 수증기 기화기에 질소를 흘려 부피 기준으로 수증기가 10% 섞인 혼합기체를 만들었다. 수증기가 들어 있는 질소 기체를 100 ml/min으로 흘리면서 850℃에서 4시간 동안 촉매를 수열 처리하였다.The platinum-supported catalyst prepared in Example 1 was placed in an alumina crucible and placed in a quartz tube of a circular kiln. Nitrogen was flowed into a steam vaporizer contained in a circulating precision constant temperature water bath (Jeico Tech, WBC-1506W) to create a mixed gas containing 10% water vapor by volume. The catalyst was hydrothermally treated at 850 ° C. for 4 hours while flowing nitrogen gas containing steam at 100 ml / min.
실험예 9 황 처리방법Experimental Example 9 Sulfur Treatment Method
실시예 1에서 제조된 백금이 담지된 촉매를 알루미나 도가니에 담아 원형 소성로의 석영관 안에 넣었다. 순환식 정밀 항온수조(Jeico Tech, WBC-1506W)에 담긴 수증기 기화기에 질소를 흘려 부피 기준으로 수증기가 10% 섞인 혼합기체를 만들었다. 수증기가 들어 있는 질소 기체를 80 ml/min으로, SO2 (97%, 동아사)를 20 ml/min으로 가하여 유속이 100 ml/min이 되도록 흘리면서 400℃에서 2시간 동안 촉매를 황 처리하였다.The platinum-supported catalyst prepared in Example 1 was placed in an alumina crucible and placed in a quartz tube of a circular kiln. Nitrogen was flowed into a steam vaporizer contained in a circulating precision constant temperature water bath (Jeico Tech, WBC-1506W) to create a mixed gas containing 10% water vapor by volume. Nitrogen gas containing water vapor was added to 80 ml / min and SO 2 (97%, Dong-A Co.) was added to 20 ml / min, and the catalyst was sulfurized at 400 ° C. for 2 hours while flowing at a flow rate of 100 ml / min.
상기 실험들에 따른 본 발명인 복합산화물 촉매의 물리화학적 특성을 살핀다. 먼저, 백금을 담지한 촉매의 조성과 표면적을 표 1에 정리하였다.Examine the physicochemical properties of the composite oxide catalyst of the present invention according to the above experiments. First, the composition and surface area of the catalyst carrying platinum are summarized in Table 1.
[규칙 제91조에 의한 정정 20.02.2013] 
표 1
Figure WO-DOC-TABLE-1
[Revisions under Rule 91 20.02.2013]
Table 1
Figure WO-DOC-TABLE-1
백금 담지량에 따라 조금 다르지만 지르코니아의 고정량은 10 wt% 근처였으며, 티타니아의 고정량은 5.2 wt%로 조금 적었다. 세리아 고정량은 8.8 wt%로, 전이금속 산화물 모두 실리카에 상당량 고정되었다. 백금은 첨가량에 따라 담지량이 많아졌으며, 전이금속 산화물의 고정이나 지지체 종류에 관계없이 첨가량의 대부분이 고정되었다. 고정한 전이금속 산화물의 표면 농도가 상당히 높았으나, 세리아의 표면 농도는 0.5 atom%로 티타니아 또는 지르코니아에 비해 상당히 낮았다. 백금의 표면 농도는 전이금속 산화물의 고정에 무관하게 0.1~0.2 atom%로 비슷하였다.The amount of zirconia was around 10 wt%, but the amount of titania was 5.2 wt%. The ceria fixation amount was 8.8 wt%, and all transition metal oxides were fixed in silica. The amount of platinum increased according to the added amount, and most of the added amount was fixed regardless of the type of the transition metal oxide or the type of the support. The surface concentration of the fixed transition metal oxide was considerably high, but the surface concentration of ceria was 0.5 atom%, which was significantly lower than that of titania or zirconia. The surface concentration of platinum was similar (0.1 ~ 0.2 atom%) regardless of fixation of transition metal oxide.
표면적은 전이금속 산화물의 고정 여부에 따라 조금 달랐다. Pt/SiO2 촉매에서 백금 담지량이 많아질수록 표면적이 495 m2/g에서 435 m2/g로 감소하나, 전이금속 산화물을 고정한 촉매에서는 표면적이 400 m2/g 근처로 고정 전이금속 산화물의 종류 또는 백금 담지량에 관계없이 비슷하였다. 비교 촉매인 Pt(1.0)/Al2O3의 표면적은 185 m2/g로 알루미나 자체의 표면적이 작아서 실리카에 고정된 백금 촉매에 비해 상당히 작았다.The surface area differed slightly depending on whether or not the transition metal oxide was fixed. As the platinum loading of Pt / SiO 2 catalyst increases, the surface area decreases from 495 m 2 / g to 435 m 2 /g.However, in catalysts with fixed transition metal oxides, the surface area is near 400 m 2 / g. The results were similar regardless of the type or platinum loading. The surface area of the comparative catalyst Pt (1.0) / Al 2 O 3 was 185 m 2 / g, which was considerably smaller than that of the platinum catalyst fixed on silica due to the small surface area of the alumina itself.
백금 또는 전이금속 산화물이 덩어리지면 이들의 XRD 회절피크가 나타난다. 도 1에 Pt/SiO2 촉매 및 전이금속 산화물이 고정된 Pt/MOx-SiO2 촉매의 XRD 회절 패턴을 보였다. 백금 담지량이 4 wt%인 Pt(4.0)/SiO2 촉매에서는 백금의 회절피크 (2θ=39.9, 46.2, 67.4°)가 크게 나타났다. 백금 담지량이 1 wt%인 Pt(1.0)/Zr-SiO2에서는 백금의 회절피크가 작게 나타나나 4 wt%로 담지량이 많은 Pt(4.0)/Zr-SiO2에서도 회절피크가 비슷하였다. Pt(1.0)/Ti-SiO2 및 Pt(1.0)/Ce-SiO2, Pt(1.0)/Al2O3 촉매에서는 백금의 회절피크가 전혀 나타나지 않았다. Pt/Zr-SiO2 및 Pt/Ti-SiO2 촉매에서는 전이금속 산화물의 회절피크가 나타나지 않았다. 그러나 Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매에서는 2θ=28.4, 32.9, 47.4°에서 세리아의 회절피크가 크게 나타났다. Pt(1.0)/Al2O3 촉매에서는 γ-알루미나의 회절 피크만 나타났다.Agglomeration of platinum or transition metal oxides results in their XRD diffraction peaks. 1 shows the XRD diffraction pattern of the Pt / SiO 2 catalyst and the Pt / MOx-SiO 2 catalyst to which the transition metal oxide is fixed. The Pt (4.0) / SiO 2 catalyst having 4 wt% platinum showed large diffraction peaks (2θ = 39.9, 46.2, 67.4 °) of platinum. In Pt (1.0) / Zr-SiO 2 with 1 wt% platinum, the diffraction peak of platinum was small, but the diffraction peak was similar in Pt (4.0) / Zr-SiO 2 with 4 wt% loading. Pt (1.0) / Ti-SiO 2 , Pt (1.0) / Ce-SiO 2 , and Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalysts showed no diffraction peaks of platinum. Pt / Zr-SiO 2 and Pt / Ti-SiO 2 catalysts showed no diffraction peaks of transition metal oxides. However, Pt (1.0) / Ce-SiO 2 catalyst showed a large diffraction peak of ceria at 2θ = 28.4, 32.9, and 47.4 °. Only Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalyst showed diffraction peaks of γ-alumina.
세리아를 제외하고는 전이금속 산화물의 회절피크가 나타나지 않아서 이들은 실리카 표면에 고르게 분산되어 있다고 판단된다. 그러나 백금은 고정된 전이금속 산화물 종류에 따라 덩어리진 정도가 달랐다. 실리카에 바로 백금을 많이 고정한 Pt(4.0)/SiO2 촉매에서 회절피크가 크게 나타나 백금이 실리카에 비해 작게 덩어리졌음을 보여준다. 지르코니아가 고정된 실리카에 백금을 담지한 Pt(2.0)/Zr-SiO2 및 Pt(4.0)/Zr-SiO2 촉매에서도 백금의 회절피크가 작게 나타나 백금이 덩어리져 있다. 세리아와 티타니아를 고정한 실리카에 담지된 촉매나 알루미나에 바로 담지된 촉매에서는 백금의 회절피크가 나타나지 않아 덩어리짐이 심하지 않았다.Except for ceria, no diffraction peaks of transition metal oxides were observed, so they were considered to be evenly dispersed on the silica surface. Platinum, however, differed in size depending on the type of fixed transition metal oxide. The Pt (4.0) / SiO 2 catalyst, which had a large amount of platinum directly fixed to silica, showed a large diffraction peak, indicating that platinum was agglomerated smaller than silica. Pt (2.0) / Zr-SiO 2 and Pt (4.0) / Zr-SiO 2 catalysts, in which platinum is supported on zirconia-fixed silica, also show small diffraction peaks of platinum, which clumps platinum. Platinum was not severe in the catalyst supported on silica having ceria and titania or directly supported on alumina due to no diffraction peaks of platinum.
백금 촉매의 Pt 4f XPS 스펙트럼을 도 2에 보였다. 백금의 담지량이 1.0 wt% 이하인 촉매에서는 백금의 담지량이 적어 백금의 피크가 뚜렷하지 않았다. 그러나 백금의 담지량이 많아지면 피크가 상당히 커졌다. Pt(4.0)/SiO2 촉매에서는 Pt4f7/2 피크가 70.8 eV에서, Pt(4.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 71.5 eV에서 나타난다. 지르코니아를 고정한 촉매에서 백금의 결합에너지가 약간 높지만, 모두 금속 상태의 Pt 4f7/2 피크 범위여서 백금은 모두 금속 상태로 존재한다고 볼 수 있다[1-3]. Pt(4.0)/Zr-SiO2 촉매의 피크 세기가 Pt(4.0)/SiO2 촉매보다 크고 Pt(0.1)/Zr-SiO2의 백금 피크가 Pt(0.1)/SiO2 보다 커서 지르코니아의 고정으로 백금의 분산 상태가 향상되었다.The Pt 4f XPS spectrum of the platinum catalyst is shown in FIG. 2. In a catalyst having a platinum loading of 1.0 wt% or less, the platinum loading was small and the peak of platinum was not clear. However, as the amount of platinum supported increased, the peak increased considerably. In the Pt (4.0) / SiO 2 catalyst in Pt4f7 / 2 peak at 70.8 eV, Pt (4.0) / Zr-SiO2 catalyst appears at 71.5 eV. In the zirconia-fixed catalyst, the binding energy of platinum is slightly high, but all are in the metallic Pt 4f7 / 2 peak range, and thus all platinum is present in the metallic state [1-3]. Pt (4.0) / Zr-SiO the peak intensity of the second catalyst Pt (4.0) / SiO greater than the second catalyst Pt (0.1) / Zr-SiO platinum peak of divalent Pt (0.1) / SiO fixing the cursor zirconia than 2 to The dispersion state of platinum was improved.
전이금속 산화물이 고정된 실리카에 담지한 백금 촉매의 TEM 사진을 도 3에 나타낸다. 전이금속 산화물을 고정하지 않은 실리카에 담지된 Pt(1.0)/SiO2 촉매에서 백금 입자의 크기는 2~5 nm 정도로 크지는 않으나 서로 모여 덩어리져 있었다. 이와는 대조적으로 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 백금의 입자 크기가 대략 5 nm 정도이나 아주 균일하게 잘 분산되어 있었다. Pt(1.0)/Ti-SiO2 촉매에서는 백금의 입자 크기가 5 nm 이하로 더 작고 균일하였다. 이와 달리 Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매에는 2 nm보다 작은 백금 입자도 있으나, 서로 덩어리져 크기가 불균일하여 분산도가 낮았다. Pt(1.0)/Al2O3 촉매에 담지된 백금의 입자 크기는 10~20 nm로 불균일하였다.3 shows a TEM image of the platinum catalyst supported on the silica to which the transition metal oxide is fixed. In the Pt (1.0) / SiO 2 catalyst supported on silica without immobilized transition metal oxide, the size of platinum particles was not large, such as 2-5 nm, but they were gathered together. In contrast, the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst had a very uniform dispersion of platinum particles of about 5 nm. In the Pt (1.0) / Ti-SiO 2 catalyst, the particle size of platinum was smaller and uniform, below 5 nm. On the other hand, Pt (1.0) / Ce-SiO 2 catalysts have platinum particles smaller than 2 nm, but they are agglomerated and non-uniform in size, resulting in low dispersion. The particle size of the platinum supported on the Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalyst was uneven to 10-20 nm.
또한, 백금 촉매에 흡착된 CO의 IR 스펙트럼을 도 4에 나타내었다. 전이금속 산화물을 고정하지 않은 Pt/SiO2 촉매에서는 백금에 흡착된 CO의 흡수밴드가 2070~2080 cm-1 범위에서 나타난다. 백금 담지량이 많아지면 조금 높은 파수로 이동하고, 흡수밴드가 상당히 커진다. 전이금속 산화물을 고정한 실리카에 담지된 백금 촉매에서도 2070~2090 cm-1에서 흡착된 CO의 흡수밴드가 나타난다. 전이금속 산화물의 고정 여부에 관계없이 흡착된 CO의 흡수밴드가 모두 이 영역에서 나타나 백금은 금속 상태(Pt0)라고 판정할 수 있다[4]. 그러나 전이금속 산화물을 고정한 실리카에 담지된 백금 촉매에 흡착된 CO의 흡수밴드는 Pt/SiO2에 흡착된 CO의 흡수밴드보다 크기가 상당히 작았다. 백금과 전이금속 산화물과 강한 상호작용(Strong metal support interaction: SMSI)이 가능한 티타니아나 지르코니아를 고정한 촉매에서는 CO의 흡착량이 적어 흡수밴드가 작아진다[5]. 그러나 SMSI가 나타나지 않는 세리아 고정 실리카에 담지된 백금 촉매에서는 CO 흡수밴드가 컸다.In addition, the IR spectrum of CO adsorbed on the platinum catalyst is shown in FIG. 4. In Pt / SiO 2 catalysts without immobilized transition metal oxides, the absorption bands of CO adsorbed on platinum appear in the range of 2070 to 2080 cm −1 . As the platinum loading increases, it moves to a slightly higher wavenumber, and the absorption band becomes considerably larger. The absorption band of CO adsorbed at 2070 ~ 2090 cm -1 also appears in the platinum catalyst supported on the silica to which the transition metal oxide is fixed. Regardless of whether the transition metal oxide is fixed or not, all absorption bands of adsorbed CO appear in this region, and it can be determined that platinum is in a metal state (Pt0) [4]. However, the absorption band of CO adsorbed on the platinum catalyst supported on the silica fixed with transition metal oxide was considerably smaller than the absorption band of CO adsorbed on Pt / SiO 2 . In titania or zirconia-fixed catalysts capable of strong metal support interactions (SMSI) with platinum and transition metal oxides, the adsorption band is small due to the small adsorption of CO [5]. However, the CO absorption band was large in the platinum catalyst supported on ceria fixed silica in which SMSI did not appear.
전이금속 산화물을 고정한 실리카에 담지한 Pt/MOx-SiO2 촉매에서 백금의 산화 상태는 Pt/SiO2 촉매에서 백금의 산화 상태와 뚜렷한 차이가 없었으나, 백금의 입자 크기와 분산도는 고정된 전이금속 산화물 종류에 따라 차이가 컸다. SMSI가 나타나는 티타니아와 지르코니아를 실리카에 고정한 Pt(1.0)/Ti-SiO2 및 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 백금이 표면에 고르게 분산되어 있는 전이금속 산화물에 고정되어 백금의 입자가 잘 분산되어 있었다. 반면 SMSI가 나타나지 않는 Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매에서는 세리아 자체가 크게 덩어리지고 백금 입자 역시 불균일하게 부분적으로 덩어리진다. 티타니아나 지르코니아가 고정된 실리카에 담지된 백금 촉매에서 백금은 Pt0 상태이지만, SMSI로 인하여 CO의 흡수밴드는 Pt/SiO2 촉매에 비해 상당히 작았다.The oxidation state of platinum in Pt / MOx-SiO 2 catalyst supported on silica fixed with transition metal oxide was not significantly different from that of platinum in Pt / SiO 2 catalyst, but the particle size and dispersion of platinum were fixed The difference was large depending on the type of metal oxide. In Pt (1.0) / Ti-SiO 2 and Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts in which titania and zirconia with SMSI are fixed on silica, platinum is immobilized on transition metal oxides evenly dispersed on the surface of platinum particles. It was distributed. On the other hand, in the Pt (1.0) / Ce-SiO 2 catalyst without SMSI, ceria itself is largely agglomerated, and platinum particles are also unevenly partially agglomerated. In platinum catalysts supported on titania or zirconia-fixed silica, platinum is in the Pt0 state, but due to SMSI, the absorption band of CO is significantly smaller than that of Pt / SiO 2 catalysts.
이하, 본 발명에 따라 전이금속 산화물을 고정한 Pt/MOx-SiO2 (M=Ti, Zr, Ce) 촉매에서 NO의 H2-SCR 반응 거동을 분석한다.Hereinafter, the H2-SCR reaction behavior of NO in a Pt / MOx-SiO 2 (M = Ti, Zr, Ce) catalyst having a transition metal oxide fixed according to the present invention is analyzed.
전이금속 산화물이 고정된 실리카에 백금을 담지한 Pt/MOx-SiO2 촉매에서 NO의 H2-SCR 반응거동을 FT-IR로 조사하였다. Pt/SiO2 촉매 및 Pt/Zr-SiO2 촉매에서 NO/H2/O2 기체를 흘리며 50℃로 일정하게 유지한 상태에서 얻은 스펙트럼(A) 및 250℃로 승온하면서 얻은 스펙트럼(B)을 도 5에 나타낸다. 50℃에서 Pt(1.0)/SiO2 촉매에 NO/H2/O2 혼합기체를 흘리면 1610 cm-1에서 흡수밴드가 나타났다. 온도를 높이면 빠르게 사라져 110℃에서는 보이지 않으며, 다른 흡수밴드는 나타나지 않았다.The H2-SCR reaction behavior of NO was investigated by FT-IR on Pt / MOx-SiO 2 catalysts loaded with platinum on silica fixed with transition metal oxides. Spectrum (A) obtained by flowing NO / H 2 / O 2 gas in Pt / SiO 2 catalyst and Pt / Zr-SiO 2 catalyst and kept constant at 50 ° C and spectrum (B) obtained at elevated temperature at 250 ° C 5 is shown. When the NO / H 2 / O 2 mixed gas flowed into the Pt (1.0) / SiO 2 catalyst at 50 ° C., an absorption band appeared at 1610 cm −1 . Increasing the temperature quickly disappeared and was not visible at 110 ° C., and no other absorption bands appeared.
1610 cm-1에서 나타나는 흡수밴드는 백금에 흡착한 질산염(nitrate, NO3 -)의 흡수밴드이다[6]. 반면, Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 NO/H2/O2 혼합 기체를 흘리면 초기에 1627 cm-1에서 흡수밴드가 나타나며, 시간이 경과하면서 1610, 1589, 1436 cm-1에서 새로운 흡수밴드가 나타난다. 1627 cm-1 흡수밴드는 표면에 흡착한 물의, 1610cm-1 과 1589 cm-1 흡수밴드는 백금 및 지르코니아에 흡착한 NO3 -의 흡수밴드이다[4]. 1436 cm-1에서 나타나는 흡수밴드는 브뢴스테드 산점에 흡착한 NH4 +에 기인한다[7-9]. 온도를 높이면 백금에 흡착한 NO3 -에 기인한 흡수밴드는 100℃ 근처에서 빠르게 줄어들었으나, 지르코니아에 흡착한 NO3 -와 산점에 흡착한 NH4 +의 흡수밴드는 120℃ 근처에서 가장 컸다. 온도가 더 높아지면 서서히 줄어들다가 230℃에서는 아주 보이지 않았다.The absorption band at 1610 cm −1 is the absorption band of nitrate (NO 3 ) adsorbed on platinum [6]. In the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst, on the other hand, the NO / H 2 / O 2 mixed gas flows initially at an absorption band of 1627 cm -1 , and over time, at 1610, 1589, 1436 cm -1 An absorption band appears. 1627 cm -1 absorption band of water, 1610cm -1 and 1589 cm -1 absorption band adsorbed on the surface is NO 3 adsorbed on platinum and zirconia - an absorption band of [4]. The absorption band at 1436 cm -1 is due to the NH 4 + adsorbed on the Bronsted acid point [7-9]. As the temperature increased, the absorption bands due to NO 3 adsorbed on platinum rapidly decreased around 100 ° C., but the absorption bands of NO 3 adsorbed on zirconia and NH 4 + adsorbed on acid sites were the largest at around 120 ° C. As the temperature increased, the temperature gradually decreased, but was not visible at 230 ° C.
실리카에 백금을 바로 담지한 촉매에서는 NO가 백금에 NO3 - 상태로만 흡착하였다. 온도가 올라가면 이 흡수밴드가 줄어들었으나 다른 흡수밴드가 나타나지 않아 NO의 H2-SCR 반응의 진행 여부를 확인할 수 없었다. 이와 달리 지르코니아가 고정된 실리카에 담지된 백금 촉매에서는 NO가 NO3 - 상태로 흡착될 뿐 아니라 암모니아가 생성된다. 실리카와 고정된 지르코니아의 계면에 생성된 산점에 암모니아가 흡착되어 NH4 + 흡수밴드가 나타나 NO와 수소의 반응, NO와 암모니아의 반응 가능성을 보여준다.In the catalyst directly loaded with platinum on silica, NO was adsorbed to platinum only in the NO 3 state. As the temperature increased, the absorption bands decreased, but no other absorption bands appeared. Therefore, it was not possible to confirm the progress of the H 2 -SCR reaction of NO. In contrast, in a platinum catalyst supported on zirconia-fixed silica, NO is adsorbed to the NO 3 state and ammonia is produced. Ammonia is adsorbed on the acid sites formed at the interface between silica and immobilized zirconia, resulting in NH 4 + absorption bands, showing the possibility of reaction between NO and hydrogen and NO and ammonia.
지르코니아 대신 티타니아와 세리아가 고정된 실리카에 담지된 백금 촉매의 IR 스펙트럼을 도 6에 보였다. 실리카에 티타니아가 고정된 Pt(1.0)/Ti-SiO2 촉매에서는 NO/O2/H2 혼합기체를 흘리면 바로 1627 cm-1에서 물에 기인하는 흡수밴드가 크게 나타나고, 1435 cm-1에서도 NH4 +에 기인한 흡수밴드가 서서히 증가한다. 시간이 경과하면 물에 기인한 흡수밴드는 빠르게 감소하고, 1610과 1589 cm-1에서 백금과 티타니아에 흡착한 NO3 -의 흡수밴드가 나타나 계속 커진다. Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서와 같이 온도를 높이면 70℃에서는 흡수밴드가 모두 커지나 온도를 더 높이면 빠르게 줄어들어, 170℃ 이상에서는 전부 사라졌다. 이와 달리 실리카에 세리아가 고정된 Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매에 NO/O2/H2 혼합 기체를 흘리면 1764와 1627 cm-1에서 백금에 흡착한 NO와 물에 기인한 흡수밴드가 나타났으며, 시간이 경과하여도 변하지 않았다. 온도가 높아져 210℃ 근처가 되면 Pt-NO의 흡수밴드가 나타나나 다시 줄어든다[4].An IR spectrum of the platinum catalyst supported on silica fixed with titania and ceria instead of zirconia is shown in FIG. 6. In the Pt (1.0) / Ti-SiO 2 catalyst with titania immobilized on silica, the NO / O 2 / H 2 mixed gas flows directly at 1627 cm -1 , resulting in a large absorption band due to water, and NH at 1435 cm -1 . The absorption band due to 4 + gradually increases. Over time, the absorption band due to water decreases rapidly, and the absorption band of NO 3 adsorbed to platinum and titania continues to grow at 1610 and 1589 cm −1 . As with the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst, the absorption bands were all larger at 70 ° C but rapidly decreased at higher temperatures, all disappearing above 170 ° C. On the other hand, when NO / O 2 / H 2 mixed gas flows through a Pt (1.0) / Ce-SiO 2 catalyst with ceria fixed on silica, the absorption band due to NO and water adsorbed on platinum at 1764 and 1627 cm -1 Appeared and did not change over time. As the temperature rises to around 210 ° C, the absorption bands of Pt-NO appear and then decrease again [4].
티타니아를 고정한 실리카에 담지된 Pt(1.0)/Ti-SiO2 촉매에 NO/O2/H2 혼합기체를 흘렸을 때 나타나는 IR 스펙트럼은 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매와 비슷하다. NO3 -와 NH4 +의 생성과 소멸 거동이 거의 똑같다. 그러나 Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매를 NO/O2/H2 혼합기체에 노출시켰을 때 나타나는 IR 스펙트럼은 실리카에 백금을 바로 담지한 Pt(1.0)/SiO2 촉매에서 나타나는 스펙트럼과 비슷하다.The IR spectrum of the NO / O 2 / H 2 mixed gas flowed through a Pt (1.0) / Ti-SiO 2 catalyst supported on silica with titania is similar to that of the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst. The formation and dissipation behaviors of NO 3 - and NH 4 + are almost identical. However, the IR spectrum when the Pt (1.0) / Ce-SiO2 catalyst is exposed to the NO / O2 / H2 mixture is similar to that found in the Pt (1.0) / SiO 2 catalyst directly loaded with platinum on silica.
본 발명에 의한 복합산화물 촉매의 활성 및 선택성을 분석한다.The activity and selectivity of the composite oxide catalyst according to the present invention are analyzed.
유통식 반응기로 조사한 NO의 H2-SCR 반응에서 Pt/SiO2와 Pt/MOx-SiO2 촉매 활성 및 선택성은 산소의 유무에 따라 크게 달랐다. 도 7에 산소가 들어 있지 않은 NO/H2/He 기체를 흘리면서 Pt(1.0)/SiO2 및 Pt(1.0)/Zr-SiO2에 대하여 조사한 NO 전환율과 생성물 수율을 보였다. Pt(1.0)/SiO2와 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서 NO 전환율은 50~300℃ 범위에서 거의 100%로 서로 같았다. H2-SCR 반응에서 N2, N2O, NH3가 생성되었으나 촉매에 따른 생성물 수율 차이는 뚜렷하지 않았다. N2 수율은 상기 온도 범위에서 50%로 일정하게 유지되었다. N2O 수율은 50℃에서 60%로 높았으나 온도가 높아지면서 빠르게 감소하여 200℃ 이상에서는 거의 생성되지 않았다. 온도가 높아지면 NH3가 생성되었으며 300℃에서 수율이 거의 50%에 이르렀다. The activity and selectivity of Pt / SiO 2 and Pt / MOx-SiO 2 catalysts in the H 2 -SCR reaction of NO investigated by the flow reactor were significantly different depending on the presence or absence of oxygen. FIG. 7 shows NO conversion and product yields investigated for Pt (1.0) / SiO 2 and Pt (1.0) / Zr-SiO 2 while flowing NO / H 2 / He gas containing no oxygen. The NO conversions for Pt (1.0) / SiO 2 and Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts were nearly equal to 100% in the range of 50-300 ° C. In the H 2 -SCR reaction, N 2 , N 2 O, and NH 3 were produced, but the difference in product yield was not clear. The N 2 yield remained constant at 50% over the temperature range. The yield of N 2 O was as high as 60% at 50 ° C., but rapidly decreased as the temperature increased, and hardly formed above 200 ° C. At elevated temperatures, NH 3 was produced and yields reached nearly 50% at 300 ° C.
이러한 분석은 다음과 같이 요약될 수 있다. 산소가 들어 있지 않은 조건에서는 50~300℃ 범위에서 NO는 전이금속 산화물의 고정과 관계없이 Pt(1.0)/SiO2나 Pt(1.0)/Zr-SiO2 에서 모두 N2, N2O, NH3로 전환된다. N2 수율은 50% 정도로 일정하고, 낮은 온도에서는 N2O가 생성되며, 온도가 높아지면 NH3가 생성된다. This analysis can be summarized as follows. In the absence of oxygen, in the range of 50 to 300 ° C, NO is N 2 , N 2 O, NH in both Pt (1.0) / SiO 2 or Pt (1.0) / Zr-SiO 2 regardless of fixation of transition metal oxides. Switch to 3 The yield of N 2 is constant at around 50%, N 2 O is produced at low temperatures, and NH 3 is produced at elevated temperatures.
그러나 놀랍게도 반응물에 산소가 들어 있으면 H2-SCR 반응에서 촉매 거동이 크게 달라졌다. NO/O2/H2 반응물에서 이들 촉매의 H2-SCR 반응에서 거동을 도 8에 나타내었다. Pt(1.0)/SiO2 촉매에서는 NO 전환율은 50℃에서 18%로 아주 낮았으나, 100℃가 되면 100%로 높아졌다. 온도가 더 높아지면 전환율은 빠르게 낮아졌다. 반면 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 50℃에서도 NO 전환율이 100%로 높았으며, 온도가 높아지면 낮아지지만 300℃에서도 전환율이 70%일 정도로 높게 유지되었다.Surprisingly, however, the presence of oxygen in the reactants significantly altered the catalytic behavior in the H 2 -SCR reaction. The behavior in the H 2 -SCR reaction of these catalysts in the NO / O 2 / H 2 reactants is shown in FIG. 8. In the Pt (1.0) / SiO 2 catalyst, the NO conversion was very low at 50 ° C (18%), but increased to 100% at 100 ° C. The higher the temperature, the faster the conversion. On the other hand, in the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst, the NO conversion was high as 100% even at 50 ° C., and the temperature was lowered as the temperature was increased, but the conversion was maintained as high as 70% even at 300 ° C.
산소가 들어 있는 반응물에서는 N2, N2O, NO2가 생성되고 NH3는 생성되지 않았다. Pt(1.0)/SiO2 촉매에서 N2 수율은 100℃에서는 43%로 높았으나, 이보다 낮거나 높으면 수율이 매우 낮았다. N2O 수율 역시 비슷한 경향을 보이며, 100℃ 주위에서 많이 생성되었다. NO2는 150℃에서부터 생성되기 시작하여 온도가 높아지면 점점 증가하였다. Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 N2 수율이 100~125℃에서 70%에 이를 정도로 상당히 높았으며, 온도가 더 높아지면 서서히 낮아졌다. 50℃에서는 N2O 수율이 60% 정도로 높았으나 온도가 높아지면서 빠르게 낮아졌다. N2O는 150℃에서부터 생성되기 시작하여 온도가 높아지면서 수율이 꾸준히 높아졌다.In the reactant containing oxygen, N 2 , N 2 O, NO 2 were produced, and NH 3 was not produced. The yield of N 2 in Pt (1.0) / SiO 2 catalyst was as high as 43% at 100 ° C., but lower or higher yields were very low. Yields of N 2 O also show a similar trend, and are produced around 100 ° C. NO 2 began to form at 150 ° C. and gradually increased with increasing temperature. In Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts, the N 2 yield was quite high, reaching 70% at 100-125 ° C, and gradually lowered at higher temperatures. At 50 ° C., the N 2 O yield was as high as 60%, but quickly dropped as the temperature increased. N 2 O began to form at 150 ° C. and the yield increased steadily as the temperature increased.
Pt(1.0)/SiO2 또는 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서 산소가 들어 있지 않은 NO 및 수소의 H2-SCR 반응에서는 온도에 따른 전환율과 생성물의 수율 변화가 지르코니아 고정 여부에 관계없이 모두 같았다. NO는 50~300℃ 범위에서 모두 N2, N2O, NH3로 전환되었다. N2 수율은 50% 정도로 온도에 무관하계 일정하며, N2O는 낮은 온도에서 주로 생성되고 NH3 수율은 온도가 높아짐에 따라 증가하였다.In H 2 -SCR reactions of oxygen-free NO and hydrogen in Pt (1.0) / SiO 2 or Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts, the conversion with temperature and the yield change of the product are independent of zirconia fixation It was all the same. NO was all converted to N 2 , N 2 O, NH 3 in the range of 50-300 ° C. The yield of N 2 is constant regardless of the temperature at around 50%, N 2 O is mainly produced at low temperatures and NH 3 yield increases with increasing temperature.
그러나 이와 달리 산소가 들어 있는 반응물에서 NO의 H2-SCR 반응의 진행 거동은 지르코니아 고정 여부에 따라 크게 달랐다. Pt(1.0)/SiO2에서는 100℃에서만 전환율이 높고 온도가 이보다 낮거나 높으면 전환율이 낮아졌다. N2와 N2O 수율 모두 100℃ 근처에서 높고 이 온도 이외 영역에서는 낮았다. NH3는 생성되지 않았으며, 온도가 높아지면 150℃ 이상에서 NO2가 생성되었다. 그러나 지르코니아를 고정한 실리카에 담지된 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 NO의 H2-SCR 반응 거동이 크게 달라서 50~300℃ 범위에서 전환율이 전반적으로 높다. N2 수율도 50~200℃ 범위에서 높으며, 100~125℃ 범위에서는 70%에 이를 정도로 우수하다. 이와 달리 아주 낮은 온도에서는 N2O 수율이 높고, 150℃ 이상에서 NO2 수율이 높아진다.In contrast, the behavior of NO 2 H 2 -SCR in oxygen-containing reactants differed significantly depending on whether zirconia was immobilized. In Pt (1.0) / SiO 2 , the conversion was high only at 100 ° C., and at lower or higher temperatures, the conversion was lower. Both N 2 and N 2 O yields were high near 100 ° C. and low outside this temperature. NH 3 was not produced, and when the temperature was increased, NO 2 was produced at 150 ° C. or higher. However, the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst supported on zirconia-fixed silica has a very different H 2 -SCR reaction behavior of NO. The N 2 yield is also high in the range of 50-200 ° C., and is excellent at 70% in the range of 100-125 ° C. On the other hand, the N 2 O yield is high at very low temperatures, and the NO 2 yield is high at 150 ° C or higher.
이론적인 측면을 고려한다. 산소가 들어 있지 않은 NO/H2 혼합기체에서 H2-SCR은 주로 백금에서 일어나기 때문에 지르코니아의 고정 효과가 나타나지 않는다. 백금 표면에 해리 흡착된 N_*과 O_*가 역시 해리 흡착된 H_*와 반응한다. 2H_* + O_* → H2O 반응이 진행되어 표면에서 산소가 제거되어 N_*의 농도가 높아지며 이들이 반응하여 N2가 생성된다. 일부 O_*는 N_*와 반응하여 N2O가 되고 N_*가 H_*와 반응하여 NH3가 된다. 즉 지르코니아의 고정이 백금의 산화 상태나 분산도에 영향을 미치지만, 이보다 백금의 촉매로서 기능이 더 크기 때문에 지르코니아 고정에 의한 효과가 나타나지 않는다. 그러나 반응물에 산소가 들어 있으면 반응 경로가 크게 달라진다. 지르코니아 표면에서 NO가 활성화될 수도 있고, 지르코니아와 실리카 계면에 생성된 산점도 반응에 관여하기 때문이다. 지르코니아가 고정된 실리카에 담지한 백금 촉매와 실리카에 바로 담지한 백금 촉매에서 질소 산화물의 H2-SCR 반응 거동이 다르다. 산소 역시 백금 표면에 흡착되어 활성화되므로 NO의 해리흡착과 경쟁하여 NO의 해리흡착이 억제되므로 전환율이 낮아진다.Consider the theoretical aspect. In oxygen-free NO / H 2 gas mixtures, H 2 -SCR mainly occurs in platinum, so there is no fixed effect of zirconia. The dissociated adsorbed N_ * and O_ * also react with the dissociated adsorbed H_ * on the platinum surface. 2H_ * + O_ * → H 2 O reaction proceeds to remove oxygen from the surface to increase the concentration of N_ * and they react to form N 2 . Some O_ * reacts with N_ * to N 2 O and N_ * reacts with H_ * to NH 3 . In other words, the zirconia fixation affects the oxidation state and the dispersibility of platinum. However, the zirconia fixation does not show an effect of zirconia fixation because of its greater function as a catalyst of platinum. However, the presence of oxygen in the reactants greatly changes the reaction pathway. This is because NO may be activated on the zirconia surface and the acid viscosity generated at the zirconia and silica interface may be involved in the reaction. The H 2 -SCR reaction behavior of nitrogen oxides differs between a platinum catalyst supported on zirconia-fixed silica and a platinum catalyst directly supported on silica. Oxygen is also adsorbed on the platinum surface and activated, thus competing with dissociative adsorption of NO, thereby inhibiting dissociative adsorption of NO, thereby lowering the conversion rate.
Pt(1.0)/SiO2 촉매에서 100℃보다 온도가 낮거나 높을 때 전환율이 낮아지는 현상을 산소와 NO의 경쟁흡착으로 설명할 수 있다. 낮은 온도에서는 산소가 주로 흡착하므로 NO와 수소의 해리흡착이 억제되어 표면 N_* 농도가 낮아져 N2 수율이나 N2O 수율이 모두 낮다. 반응 온도가 높아지면 표면의 O_*에 의해 산화반응이 진행되어 NO2 수율이 높아진다. Pt(1.0)/SiO2 촉매에서 NO 전환율과 N2와 N2O 수율이 모두 100℃에서 높아지는 현상이 NO의 해리 흡착과 관련 있으리라고 추정하지만, 이를 확실히 설명할 수 있는 실험적 근거는 아직 없다.In Pt (1.0) / SiO 2 catalyst, the lower conversion rate when the temperature is lower or higher than 100 ° C. may be explained by the competitive adsorption of oxygen and NO. At low temperatures, oxygen is mainly adsorbed, so that dissociative adsorption of NO and hydrogen is suppressed, so that the surface N_ * concentration is lowered, so that both N 2 yield and N 2 O yield are low. As the reaction temperature increases, the oxidation reaction proceeds due to O_ * on the surface, thereby increasing the NO 2 yield. It is assumed that the increase in NO conversion and N 2 and N 2 O yields at 100 ° C in Pt (1.0) / SiO 2 catalysts may be related to the dissociation adsorption of NO, but there is no experimental basis to clarify this.
지르코니아가 고정된 실리카에 담지된 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 지르코니아와 산점이 H2-SCR 반응에 참여하기 때문에 전환율이 높다. IR 스펙트럼에서 암모니아가 생성되고 표면에 저장되는 현상이 확인되었으므로, 지르코니아에서 활성화된 NO와 백금에서 활성화되어 이동된(spillover) H-*가 반응하여 NH3가 생성되어 이들이 실리카와 지르코니아 계면에 생성된 산점에 NH4 + 형태로 저장되어 있다. 따라서, 수소와 NO의 직접 반응에 의한 SCR 외에도 NH3에 의한 NO의 SCR로 인해 NO의 전환율이 높아지고 N2 수율도 높다. N2O의 수율이 아주 낮지 않은 점은 지르코니아 표면 외에 백금에서도 반응에 진행되기 때문이라고 설명할 수 있다.Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts supported on zirconia-fixed silica have high conversion rates because zirconia and acid sites participate in H 2 -SCR reactions. In the IR spectrum, the formation of ammonia and storage on the surface were confirmed. Thus, the activated NO and spillover H- * reacted in platinum reacted with NH to form NH 3, which formed at the silica and zirconia interface. It is stored in the form of NH 4 + at the acid point. Therefore, in addition to SCR by the direct reaction of hydrogen and NO, the conversion of NO is increased due to the SCR of NO by NH 3 and the N 2 yield is high. The low yield of N 2 O can be explained by the fact that the reaction proceeds in platinum in addition to the zirconia surface.
한편, 지르코니아 외에 다른 전이금속 산화물을 고정한 실리카에 백금을 담지한 촉매에서 NO의 H2-SCR 반응에서 전환율과 생성물 수율을 도 9에 보였다. Pt(1.0)/Ti-SiO2 촉매에서 NO 전환율은 50℃에서 80%이며 75~200℃ 범위에서는 100%로 높았다. 온도가 더 높아지면 조금씩 낮아지나 300℃에서도 전환율이 78%로 높다. N2O 수율이 조금 높고 N2 수율이 조금 낮은 점 외에는 Pt(1.0)/Ti-SiO2 촉매에서 H2-SCR 반응 결과는 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서 결과와 아주 비슷하다. 티타니아가 지르코니아와 마찬가지로 환원될 수 있는 전이금속 산화물이고, 백금과 SMSI가 가능하기 때문에 촉매작용이 비슷하였다.On the other hand, conversion and product yields in the H 2 -SCR reaction of NO in a catalyst loaded with platinum on silica fixed with other transition metal oxides besides zirconia are shown in FIG. 9. The NO conversion of Pt (1.0) / Ti-SiO 2 catalyst was 80% at 50 ℃ and 100% at 75 ~ 200 ℃. The higher the temperature, the lower the temperature, but the conversion rate is high as 78% even at 300 ° C. The results of H 2 -SCR reaction on Pt (1.0) / Ti-SiO 2 catalysts are very similar to those on Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts, except that the N 2 O yield is slightly higher and the N 2 yield is slightly lower. Titania, like zirconia, is a transition metal oxide that can be reduced, and its catalytic activity is similar because platinum and SMSI are possible.
실리카에 세리아를 고정한 후 백금을 담지한 Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매에서는 100℃에서만 NO 전환율이 100%로 높고, 다른 온도 영역에서는 전환율이 상당히 낮았다. N2와 N2O 수율이 낮고 150℃ 이상에서 NO2가 생성되는 점은 Pt(1.0)/SiO2 촉매와 거의 비슷하다. 세리아는 산소저장 물질이어서, NO가 세리아에 해리흡착하지 않으며, 전기음성도 차이가 작아 실리카와 경계면에서 산점이 생성되지 않는다. 즉, Pt(1.0)/Ce-SiO2 촉매에서 NO의 H2-SCR 반응 대부분은 백금에서 진행되기 때문에 Pt(1.0)/SiO2 촉매에서 반응 결과와 비슷하다.The platinum-supported Pt (1.0) / Ce-SiO 2 catalyst after fixing ceria on silica had a high NO conversion of 100% only at 100 ° C and a significantly low conversion rate at other temperature ranges. The low yield of N 2 and N 2 O and the generation of NO 2 above 150 ° C. are almost the same as for Pt (1.0) / SiO 2 catalysts. Since ceria is an oxygen storage material, NO does not dissociate and adsorb to ceria, and the electronegativity is small so that no acid point is generated at the interface with silica. That is, since most of the H 2 -SCR reaction of NO in Pt (1.0) / Ce-SiO 2 catalyst proceeds in platinum, it is similar to the reaction result in Pt (1.0) / SiO 2 catalyst.
비교 촉매인 Pt(1.0)/Al2O3 촉매에서도 100~150℃ 범위에서는 NO 전환율이 100%에 이르나 그 외 온도 영역에서는 전환율이 50% 이하로 낮았다. N2와 N2O 수율은 Pt(1.0)/Ti-SiO2와 Pt(1.0)/Ce-SiO2의 중간 정도이며, NO2 수율은 아주 낮았다. 알루미나는 백금의 분산도가 높은 지지체이나 세리아처럼 NO의 H2-SCR 반응에 직접 관여하지 않기 때문에 질소로 환원제거되는 반응에 대한 선택성이 낮다. In the Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalyst as a comparative catalyst, the NO conversion reached 100% in the range of 100 to 150 ° C., but the conversion was lower than 50% in the other temperature range. The yield of N 2 and N 2 O was about halfway between Pt (1.0) / Ti-SiO 2 and Pt (1.0) / Ce-SiO 2 , and the NO 2 yield was very low. Alumina does not directly participate in the H 2 -SCR reaction of NO, such as a support or a ceria with high dispersion of platinum.
H2-SCR 반응에서 백금은 수소와 NO를 활성화시키는 중요한 활성 물질이다. 도 10에 백금 담지량이 다른 Pt/Zr-SiO2 촉매에서 NO 전환율과 생성물 수율을 나타내었다. 백금 담지량이 0.1 wt%인 Pt(0.1)/Zr-SiO2 촉매에서는 50℃에서 NO 전환율이 20% 이하로 낮았다. 그러나 백금 담지량이 많은 촉매에서는 50℃에서도 NO 전환율이 100%로 높았으며, 백금 담지량이 많은 촉매에서는 온도가 올라감에 따른 전환율 감소가 상대적으로 적었다. N2 수율은 50℃를 제외하고는 백금 담지량이 적을수록 높으나, N2O와 NO2 수율은 NO 전환율과 마찬가지로 백금 담지량이 많을수록 높았다. 백금 담지량이 많아질수록 산소의 활성화 정도가 높아져 N2 가 생성되는 반응보다 N2O와 NO2가 생성되는 반응이 많이 진행되기 때문으로 설명할 수 있다.In the H 2 -SCR reaction, platinum is an important active substance that activates hydrogen and NO. FIG. 10 shows NO conversion and product yield in Pt / Zr-SiO 2 catalysts having different platinum loadings. In the Pt (0.1) / Zr-SiO 2 catalyst having a platinum loading of 0.1 wt%, the NO conversion was lower than 20% at 50 ° C. However, the catalysts with high platinum loadings had a high NO conversion rate of 100% even at 50 ° C. The catalysts with high platinum loadings had a relatively small decrease in conversion rate with increasing temperature. N 2 yield was higher with less platinum loading except 50 ℃, while N 2 O and NO 2 yields were higher with higher platinum loading, as with NO conversion. The more increased platinum loading can be explained as due to a lot of the reaction that active oxygen increases in the degree of N 2 is the N 2 O and NO 2 produced more reaction progress is generated.
지르코니아가 고정된 실리카에 담지된 귀금속 종류에 따라서도 NO의 H2-SCR반응에서 촉매 거동이 달라진다. 도 11에 귀금속이 다른 Pt, Pd, Rh, Ru(5.0)/Zr-SiO2 촉매에서 조사한 NO 전환율과 생성물의 수율을 나타내었다. 귀금속의 종류에 따라 온도별 활성과 생성물 수율이 상당히 달랐다. 50~300℃ 범위에서 NO 전환율은 백금을 담지한 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매가 가장 높았다. Pd(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 100℃ 이상에서야 반응이 진행되며, 온도에 따라 전환율이 빠르게 증가하지만, 200℃ 이상으로 높아지면 급격히 낮아졌다. 반면 Rh(1.0)/Zr-SiO2 및 Ru(1.0)/Zr-SiO2 촉매는 250℃ 이하에서 전환율이 매우 낮아 촉매 활성이 없었다. Pd을 담지한 Pd(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서 N2 수율이 150~200℃에서 60%로 높은 점이 특이하였다. N2O는 백금 및 팔라듐을 담지한 촉매에서만 생성되었고, NO2는 백금와 루테늄을 담지한 촉매에서만 생성되었다.The catalytic behavior also depends on the H 2 -SCR reaction of NO depending on the type of precious metal supported on the zirconia-fixed silica. FIG. 11 shows the NO conversion and the yield of the product irradiated with Pt, Pd, Rh, Ru (5.0) / Zr-SiO 2 catalysts having different precious metals. Depending on the type of precious metal, the activity and product yield differed significantly by temperature. The NO conversion was the highest in the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst with platinum. In the Pd (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst, the reaction proceeds only at 100 ° C. or higher, and the conversion rate increases rapidly with temperature, but drops sharply as it rises above 200 ° C. On the other hand, the Rh (1.0) / Zr-SiO 2 and Ru (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts had very low conversions at temperatures below 250 ° C., resulting in no catalytic activity. In the Pd-supported Pd (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst, the N 2 yield was high as 60% at 150-200 ° C. N 2 O was produced only on catalysts carrying platinum and palladium, and NO 2 was only generated on catalysts carrying platinum and ruthenium.
귀금속 종류에 따라 NO의 H2-SCR 반응에서 촉매 활성이 크게 다르나, Pd, Rh, Ru은 NO의 H2-SCR 반응에 활성 물질로 적절하지 않았다. 귀금속의 종류에 따른 이런 차이는 NO, NO2, NH3, 수소, 산소의 흡착 성질과 관련 있으리라는 점은 확실하나, 백금 이외 귀금속은 촉매 활성이 너무 낮아 구체적인 연구를 수행하지 않았다.Depending on the noble metal different in kind from the H 2 -SCR of NO activity of the catalyst significantly, Pd, Rh, Ru was not appropriate as an active material in the H 2 -SCR reaction of NO. It is clear that these differences depending on the types of precious metals may be related to the adsorption properties of NO, NO 2 , NH 3 , hydrogen and oxygen, but the precious metals other than platinum have too low catalytic activity and no specific studies have been conducted.
디젤엔진의 배기가스에는 물과 이산화황 등 황 화합물이 들어 있고 장기간 사용하여야 하므로 NOx의 H2-SCR 반응에 사용하는 촉매는 수열 안정성과 함께 황 화합물에 대한 내피독성이 우수해야 한다. 따라서 수열처리 및 황 처리에 따른 Pt/Zr-SiO2 촉매의 NO의 H2-SCR 반응 거동을 살폈다.Exhaust gas of diesel engine contains sulfur compounds such as water and sulfur dioxide and needs to be used for a long time, so the catalyst used for H 2 -SCR reaction of NOx should have excellent hydrothermal stability and endothelial toxicity against sulfur compounds. Therefore, the H2-SCR reaction behavior of NO of Pt / Zr-SiO 2 catalysts by hydrothermal treatment and sulfur treatment was examined.
물이 10 부피% 들어 있는 질소를 흘리면서 850℃에서 4시간 동안 Pt(1.0)/SiO2, Pt(1.0)/Zr-SiO2, Pt(1.0)/Al2O3 촉매를 처리하여 이들의 수열안정성을 검토하였다. 수열처리 후 얻은 이들 촉매의 XRD 패턴을 도 12에 보였다. 수열처리한 모든 촉매에서 백금의 회절피크가 나타나지만, 수열처리로 인한 피크의 변화 거동이 달랐다. Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매는 수열처리에 관계없이 XRD 패턴이 같았다. 반면, Pt(1.0)/SiO2나 Pt(1.0)/Al2O3 촉매에서는 백금의 회절피크가 뚜렷이 커졌다. 즉, 수열처리로 Pt(1.0)/SiO2나 Pt(1.0)/Al2O3 촉매의 백금이 소결되어 덩어리지므로 회절피크가 커지지만, 지르코니아가 고정된 실리카에 담지된 백금 촉매에서는 백금이 안정하게 담지되어 있어 소결되지 않으므로 백금의 회절피크가 커지지 않았다.Pt (1.0) / SiO 2 , Pt (1.0) / Zr-SiO 2 , Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalysts were treated at 850 ° C. for 4 hours with nitrogen containing 10% by volume of water. The stability was examined. XRD patterns of these catalysts obtained after hydrothermal treatment are shown in FIG. 12. All of the hydrothermally treated catalysts showed the diffraction peaks of platinum, but the behavior of peak changes due to hydrothermal treatment was different. The Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst had the same XRD pattern regardless of hydrothermal treatment. On the other hand, in the Pt (1.0) / SiO 2 or Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalysts, the diffraction peak of platinum was significantly increased. That is, the hydrothermal treatment sinters the platinum of the Pt (1.0) / SiO 2 or Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalyst so that the diffraction peak is increased, but the platinum is stable in the platinum catalyst supported on the zirconia-fixed silica. It is supported so that it is not sintered, so the diffraction peak of platinum does not increase.
수열 처리한 촉매에서 NO의 H2-SCR 반응 결과를 도 13에 나타내었다. Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 수열처리 전후 촉매에서 NO 전환율이나 N2의 수율에 차이가 없었다. 그러나 Pt(1.0)/SiO2 촉매에서는 NO 전환율이 10% 정도 낮아졌으며, N2 수율 역시 비슷한 정도로 낮아졌다. Pt(1.0)/Al2O3 촉매에서는 NO 전환율이 전반적으로 높아졌으나, N2 수율은 낮아져서, N2O와 NO2 수율은 증가하였다. 지르코니아가 고정된 실리카에 백금을 담지한 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매는 가혹한 조건에서 수열 처리하여도, H2-SCR 반응에서 촉매 활성이 유지되어 수열안정성이 매우 우수하였다. 이는 지르코니아 자체가 수열 조건에서 매우 안정하고 또 백금과 강한 SMSI 효과가 있어 H2-SCR 반응에 관여하는 백금, 지르코니아, 산점 모두 소결되거나 없어지지 않고 잘 분산되어 있기 때문으로 판단된다. Pt(1.0)/SiO2나 Pt(1.0)/Al2O3 촉매의 활성이 수열처리로 저하되었으며, XRD 패턴에서 확인한 바와 같이 활성저하는 1차적으로 백금의 소결에 기인한 결과로 추정된다.The H 2 -SCR reaction result of NO in the hydrothermally treated catalyst is shown in FIG. 13. In the Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst, there was no difference in NO conversion or N 2 yield between the catalysts before and after hydrothermal treatment. However, the Pt (1.0) / SiO 2 catalyst had a 10% lower NO conversion and a lower N 2 yield. In the Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalysts, the overall NO conversion was higher, but the N 2 yield was lower, increasing the N 2 O and NO 2 yields. The Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalyst, in which zirconia-fixed silica was supported on platinum, maintained its catalytic activity in the H 2 -SCR reaction even when subjected to hydrothermal treatment under severe conditions. This is because zirconia itself is very stable under hydrothermal conditions and has a strong SMSI effect with platinum, so that platinum, zirconia, and acid sites, which are involved in H 2 -SCR reaction, are well dispersed without dissipation or disappearing. The activity of Pt (1.0) / SiO 2 or Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalysts was reduced by hydrothermal treatment, and the degradation was presumably due to the sintering of platinum, as confirmed by the XRD pattern.
물이 10 부피% 포함된 질소 기체에 이산화황 기체를 가한 혼합기체를 흘리면서 400℃에서 2시간 동안 Pt(1.0)/SiO2, Pt(1.0)/Zr-SiO2, Pt(1.0)/Al2O3 촉매를 처리하여 이들의 황 화합물에 대한 내구성을 검토하였다. Pt(1.0)/SiO2, Pt(1.0)/Zr-SiO2, Pt(1.0)/Al2O3 촉매에서 NO 전환율과 N2 수율이 가장 높은 100℃에서 H2-SCR 반응 조사하였다. 황 처리한 촉매의 NO 전환율과 생성물 수율의 결과를 표 2에 정리하였다. Pt(1.0)/SiO2와 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에 NO 전환율과 생성물 수율이 조금 줄었으나 큰 차이가 없었다. 그러나 Pt(1.0)/Al2O3 촉매에서는 황 처리 후 NO 전환율은 40% 정도 낮아졌으며, N2O 수율 역시 감소하였다. 지지체로 실리카를 사용한 Pt(1.0)/SiO2와 Pt(1.0)/Zr-SiO2 촉매에서는 SO2 처리의 영향이 거의 없었다. 이는 SO2가 백금보다는 지지체에 흡착하여 촉매의 활성을 저하시키기 때문으로 판단된다. 알루미나는 황과 반응하여 황산알루미늄을 만들어 촉매를 덮기 때문에 H2-SCR 반응에서 활성이 낮아지지만 실리카는 황 화합물과 반응하지 않아 황 화합물에 대한 내구성이 우수하였다.Pt (1.0) / SiO 2 , Pt (1.0) / Zr-SiO 2 , Pt (1.0) / Al 2 O at 400 ° C. for 2 hours while flowing a mixture gas in which sulfur dioxide gas was added to nitrogen gas containing 10% by volume of water. 3 catalysts were treated to examine their durability to sulfur compounds. Pt (1.0) / SiO 2 , Pt (1.0) / Zr-SiO 2 , and Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalysts were investigated for H 2 -SCR reaction at 100 ° C with the highest NO conversion and N 2 yield. Table 2 shows the results of NO conversion and product yield of the sulfur treated catalyst. The NO conversion and product yields were slightly decreased for Pt (1.0) / SiO 2 and Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts, but there was no significant difference. However, in Pt (1.0) / Al 2 O 3 catalysts, NO conversion was reduced by 40% after sulfur treatment, and N 2 O yield was also reduced. Pt (1.0) / SiO 2 and Pt (1.0) / Zr-SiO 2 catalysts using silica as a support had little effect on SO 2 treatment. This is because SO 2 is adsorbed on the support rather than platinum to lower the activity of the catalyst. Since alumina reacts with sulfur to form aluminum sulfate to cover the catalyst, the activity is lowered in the H 2 -SCR reaction, but silica does not react with the sulfur compound, so the durability of the sulfur compound is excellent.
표 2
Figure PCTKR2013000859-appb-T000002
TABLE 2
Figure PCTKR2013000859-appb-T000002

Claims (4)

  1. 환원성 금속산화물이 SiO2 및 Al2O3로 이루어진 기본산화물 중 하나 또는 양쪽의 기본산화물에 고정되며, 귀금속이 담지되는, 질소산화물을 환원제거하기 위한 복합산화물 촉매.A composite oxide catalyst for reducing and removing nitrogen oxides, wherein a reducing metal oxide is fixed to one or both base oxides of a base oxide consisting of SiO 2 and Al 2 O 3, and on which a precious metal is supported.
  2. 제1항에 있어서, 환원성 금속산화물은 TiO2, ZrO2 및 CeO2로 이루어진 금속산화물 중 하나 또는 2 이상의 금속산화물인, 질소산화물을 환원제거하기 위한 복합산화물 촉매.The composite oxide catalyst of claim 1, wherein the reducing metal oxide is one or two or more metal oxides of a metal oxide consisting of TiO 2 , ZrO 2, and CeO 2 .
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속산화물은 복합산화물 촉매 전체 중량에 대하여 0.5 내지 50중량% 포함되는 것을 특징으로 하는, 질소산화물을 환원제거하기 위한 복합산화물 촉매.The complex oxide catalyst of claim 1 or 2, wherein the metal oxide is contained in an amount of 0.5 to 50 wt% based on the total weight of the composite oxide catalyst.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 귀금속은 백금, 팔라듐 및 로듐으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 귀금속성분이 0.1~5중량%로 담지되는 것을 특징으로 하는, 질소산화물을 환원제거하기 위한 복합산화물 촉매.The composite of claim 1 or 2, wherein the precious metal is supported by 0.1 to 5 wt% of one precious metal component selected from the group consisting of platinum, palladium and rhodium. Oxide catalyst.
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