KR20240154811A - Catalyst with improved durability, method for preparing the same, and method for dehydrogenating ammonia using the same - Google Patents
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Abstract
본원에는 내구성이 개선된 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법이 개시된다. 상기 촉매는, 지지체; 상기 지지체에 담지된 전이금속; 및 상기 전이금속 상에 합성된 육방정 질화붕소를 포함한다. 상기 육방정 질화붕소는 암모니아 보레인으로부터 합성된 것으로, 암모니아 보레인 용액을 지지체에 담지된 전이금속 상에 도포한 후 암모니아 분위기 하에서 열처리함으로써 상용성이 높은 육방정 질화붕소 기반의 촉매를 제공하는 효과가 있다.The present invention relates to a catalyst having improved durability, a method for producing the same, and a method for dehydrogenating ammonia using the same. The catalyst comprises: a support; a transition metal supported on the support; and hexagonal boron nitride synthesized on the transition metal. The hexagonal boron nitride is synthesized from ammonia borane, and by applying an ammonia borane solution on the transition metal supported on the support and then heat-treating it under an ammonia atmosphere, there is provided a highly commercially available hexagonal boron nitride-based catalyst.
Description
본 개시물에는 내구성이 개선된 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법이 개시된다.The present disclosure discloses a catalyst having improved durability, a method for producing the same, and a method for dehydrogenating ammonia using the same.
암모니아는 17.7%의 무게 대비 수소저장용량을 가지고 있으며, 동시에 8 bar의 상대적으로 약한 압력 하에서 쉽게 액화되는 특성으로 인하여 수소의 저장과 운송 문제를 해결할 수 있는 핵심 물질이다. 암모니아를 고온에서 분해시키면 수소가 생성될 수 있고, 이는 연료전지 및 수소터빈 등 에너지 생성 장치의 연료로 사용된다. 암모니아로부터 수소를 생산하기 위해서는 암모니아 분해 반응기, 그리고 필요에 따라 미반응 암모니아를 제거하는 흡착 공정이 적용된다. 수소를 필요로 하는 분야와 규모가 점점 커지고 있는 추세이며, 이에 대응하여 암모니아부터 수소를 대용량으로 처리할 수 있는 기술이 요구된다. 특히 암모니아 분해 반응이 진행되는 반응기에는 반응의 활성화 에너지를 낮추기 위해 Ru, Ni, Fe, Co, Rh과 같은 전이금속이 촉매로 적용될 수 있다.Ammonia has a hydrogen storage capacity of 17.7% by weight, and at the same time, it is easily liquefied under a relatively weak pressure of 8 bar, making it a key material that can solve the problems of hydrogen storage and transportation. When ammonia is decomposed at high temperatures, hydrogen can be produced, which is used as fuel for energy generation devices such as fuel cells and hydrogen turbines. To produce hydrogen from ammonia, an ammonia decomposition reactor and, if necessary, an adsorption process to remove unreacted ammonia are applied. The fields and scales that require hydrogen are gradually increasing, and in response, technology that can process large quantities of hydrogen from ammonia is required. In particular, transition metals such as Ru, Ni, Fe, Co, and Rh can be applied as catalysts in the reactor where the ammonia decomposition reaction is performed to lower the activation energy of the reaction.
촉매의 형태 측면에서, 압력 강하를 야기하는 분체보다는 비드, 펠렛, 모노리스, 허니컴 등의 모양을 갖춘 촉매가 암모니아 분해 또는 합성 공정에 실질적으로 적용될 수 있다. 최근 육방정 질화붕소를 지지체로 적용한 Ru/h-BN 촉매가 헤테로에피택시 효과 (지지체의 격자와 연속성이 유지되게 금속입자가 성장) 및 전자밀도 증가 효과로 인해 암모니아 분해 활성에 효과가 있다는 연구 결과가 보고된 바가 있다. 그러나 이 육방정 질화붕소 지지체는 분체이므로 실제 대용량의 암모니아 분해 반응 시스템에 적용하기 어려운 단점이 있다. 특히, 육방정 질화붕소 분체는 펠렛화가 어려울 뿐만 아니라, 물리적으로 육방정 질화붕소 분체를 코팅하는 방식은 낮은 밀착성을 보이는데 이러한 문제점은 육방정 질화붕소 기반 촉매의 상용성을 저하시킨다. 이에, 촉매 상용성 향상을 위한 육방정 질화붕소 기반 촉매에 대한 기술 개발이 필요하다.In terms of the shape of the catalyst, catalysts in the shape of beads, pellets, monoliths, honeycombs, etc., rather than powders that cause pressure drops, can be practically applied to ammonia decomposition or synthesis processes. Recently, it has been reported that a Ru/h-BN catalyst using hexagonal boron nitride as a support is effective in ammonia decomposition activity due to the heteroepitaxy effect (metal particles grow while maintaining continuity with the lattice of the support) and the effect of increasing electron density. However, since this hexagonal boron nitride support is a powder, it has a disadvantage in that it is difficult to apply it to an actual large-scale ammonia decomposition reaction system. In particular, not only is it difficult to pelletize hexagonal boron nitride powder, but the method of physically coating the hexagonal boron nitride powder shows low adhesion, which reduces the compatibility of hexagonal boron nitride-based catalysts. Therefore, it is necessary to develop technology for hexagonal boron nitride-based catalysts to improve the compatibility of catalysts.
일 측면에서, 본 개시물은 내구성이 개선된 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다. In one aspect, the present disclosure aims to provide a catalyst having improved durability.
다른 측면에서, 본 개시물은 상기 내구성이 개선된 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the present disclosure aims to provide a method for producing a catalyst having improved durability.
또 다른 측면에서, 본 개시물은 지지체에 담지된 전이금속 입자 상에 육방정 질화붕소를 합성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the present disclosure aims at providing a method for synthesizing hexagonal boron nitride on transition metal particles supported on a support.
또 다른 측면에서, 본 개시물은 상기 내구성이 개선된 촉매를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the present disclosure aims to provide a method for dehydrogenating ammonia using the catalyst having improved durability.
일 측면에서, 본 개시물은 지지체; 상기 지지체에 담지된 전이금속; 및 상기 전이금속 상에 합성된 육방정 질화붕소를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매를 제공한다.In one aspect, the present disclosure provides a catalyst having improved durability, comprising: a support; a transition metal supported on the support; and hexagonal boron nitride synthesized on the transition metal.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 카본, 실리카, 탄화규소, 질화규소, 알루미나, 산화마그네슘, 마그네슘 알루미네이트, 산화칼슘, 칼슘 알루미네이트, 제올라이트, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 란타니아, 이트리아 및 희토류 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the support may be at least one selected from the group consisting of carbon, silica, silicon carbide, silicon nitride, alumina, magnesium oxide, magnesium aluminate, calcium oxide, calcium aluminate, zeolite, zirconia, titania, ceria, lanthania, yttria, and rare earth oxides.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전이금속은 Mo, Ni, Fe, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Au 및 Ir으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the transition metal may be at least one selected from the group consisting of Mo, Ni, Fe, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Au, and Ir.
예시적인 일 구현예에서, 상기 육방정 질화붕소는 암모니아 보레인으로부터 합성된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the hexagonal boron nitride may be synthesized from ammonia borane.
예시적인 일 구현예에서, 상기 육방정 질화붕소는 상기 지지체에 담지된 전이금속 상에 암모니아 보레인 용액을 도포한 후 암모니아 분위기 하에서 열처리하여 합성된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the hexagonal boron nitride may be synthesized by applying an ammonia borane solution on a transition metal supported on the support and then heat-treating it under an ammonia atmosphere.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액은 극성 비양자성 용매에 암모니아 보레인이 함유된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the ammonia borane solution may contain ammonia borane in a polar aprotic solvent.
예시적인 일 구현예에서, 상기 극성 비양자성 용매는 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran (THF)), 1,2-디메톡시에탄 (1,2-dimethoxyethane (DME)), 다이옥세인 (dioxane (DXN)), 디에틸렌글리콜디메틸에테르 (diethyleneglycoldimethylether (Diglyme)), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide (DMF)), 디메틸설퍼옥사이드 (dimethylsulfoxide (DMSO), 디메틸아세트아미드 (dimethylacetamide (DMA)) 및 헥사메틸포스포아미드 (hexamethyl phosphoramide (HMPA))에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polar aprotic solvent may include one or more selected from tetrahydrofuran (THF), 1,2-dimethoxyethane (DME), dioxane (DXN), diethyleneglycoldimethylether (Diglyme), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMA), and hexamethyl phosphoramide (HMPA).
예시적인 일 구현예에서, 상기 극성 비양자성 용매는 끓는점이 100 ℃ 이하인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polar aprotic solvent may have a boiling point of 100° C. or less.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액의 몰농도는 0.2 mol/L 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the molar concentration of the ammonia borane solution may be greater than or equal to 0.2 mol/L.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액에 함유된 극성 비양자성 용매의 mL 단위 부피는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 g 단위 중량 대비 0.5배 이하인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the mL unit volume of the polar aprotic solvent contained in the ammonia borane solution may be no more than 0.5 times the total g unit weight of the support and the transition metal.
예시적인 일 구현예에서, 상기 육방정 질화붕소는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 미만으로 포함된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the hexagonal boron nitride may be included in less than 0.5 wt% based on the total weight of the support and the transition metal.
다른 측면에서, 본 개시물은 상기 내구성이 개선된 촉매를 제조하는 방법이고, 상기 방법은 (1) 지지체 및 상기 지지체에 담지된 전이금속을 포함하는 촉매를 준비하는 단계; (2) 극성 비양자성 용매에 암모니아 보레인을 첨가하여 암모니아 보레인 용액을 준비하는 단계; 및 (3) 상기 준비된 촉매 상에 암모니아 보레인 용액을 도포하는 단계를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present disclosure provides a method for preparing a catalyst having improved durability, the method comprising: (1) preparing a catalyst comprising a support and a transition metal supported on the support; (2) preparing an ammonia borane solution by adding ammonia borane to a polar aprotic solvent; and (3) applying the ammonia borane solution onto the prepared catalyst.
예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은 상기 (3) 단계에서 암모니아 보레인 용액을 도포한 다음 촉매를 암모니아 분위기 하에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the method may further include a step of applying an ammonia borane solution in step (3) and then heat-treating the catalyst under an ammonia atmosphere.
예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 600 내지 700 ℃에서 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment may be performed at 600 to 700° C.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (1) 단계는 전이금속 전구체 용액에 지지체를 함침시키고, 상기 전이금속 전구체 용액을 함침시킨 지지체를 소성하여 촉매를 수득한 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the step (1) may be a process of obtaining a catalyst by impregnating a support with a transition metal precursor solution and calcining the support impregnated with the transition metal precursor solution.
다른 측면에서, 본 개시물은 상기 내구성이 개선된 촉매를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법이고, 상기 방법은 (1) 상기 내구성이 개선된 촉매를 반응기에 충전한 후 수소 분위기 하에서 환원시키는 단계; 및 (2) 상기 반응기에 암모니아를 주입하고 열처리하는 단계를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법을 제공한다.In another aspect, the present disclosure provides a method for dehydrogenating ammonia using the catalyst with improved durability, the method comprising the steps of: (1) charging the catalyst with improved durability into a reactor and reducing it under a hydrogen atmosphere; and (2) injecting ammonia into the reactor and performing a heat treatment.
일 측면에서, 본 개시물에 개시된 기술은 내구성이 개선된 촉매를 제공하는 효과가 있다.In one aspect, the technology disclosed in the present disclosure has the effect of providing a catalyst with improved durability.
다른 측면에서, 본 개시물에 개시된 기술은 상기 내구성이 개선된 촉매를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the technology disclosed in the present disclosure has the effect of providing a method for producing a catalyst having improved durability.
또 다른 측면에서, 본 개시물에 개시된 기술은 지지체에 담지된 전이금속 입자 상에 육방정 질화붕소를 합성하는 방법을 제공하는 효과가 있다. 상기 방법은 암모니아 보레인을 육방정 질화붕소의 합성 재료로 사용하여 지지체에 담지된 전이금속 입자 상에 폴리보라질렌을 상온 코팅한 후 추가적인 암모니아 열처리 공정을 통하여 최종적으로 육방정 질화붕소를 합성한다.In another aspect, the technology disclosed in the present disclosure has the effect of providing a method for synthesizing hexagonal boron nitride on transition metal particles supported on a support. The method uses ammonia borane as a synthesis material for hexagonal boron nitride, coats polyborazylene on transition metal particles supported on a support at room temperature, and then performs an additional ammonia heat treatment process to finally synthesize hexagonal boron nitride.
육방정 질화붕소 분체는 펠렛화가 어려우며 물리적으로 육방정 질화붕소 분체를 코팅하는 방식은 낮은 밀착성을 보여 기존 육방정 질화붕소 기반의 촉매는 상용성이 낮은 단점이 있다. 본 개시물은 화학적으로 질화붕소를 촉매의 금속 입자 상에 코팅하는 방식을 통해 육방정 질화붕소 기반의 촉매 상용성을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.Hexagonal boron nitride powder is difficult to pelletize, and the method of physically coating the hexagonal boron nitride powder shows low adhesion, so that existing hexagonal boron nitride-based catalysts have the disadvantage of low compatibility. The present disclosure provides an effect of significantly improving the compatibility of hexagonal boron nitride-based catalysts by chemically coating boron nitride on the metal particles of the catalyst.
또 다른 측면에서, 본 개시물에 개시된 기술은 상기 내구성이 개선된 촉매를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법을 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the technology disclosed in the present disclosure has the effect of providing a method for dehydrogenating ammonia using a catalyst with improved durability.
도 1은 일 실시예에 따라 촉매 상에 육방정 질화붕소가 합성되는 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 촉매 상에 폴리보라질렌 상온 코팅 결과를 나타낸 것이다. 좌측 사진은 No. 3의 촉매, 우측 사진은 No. 9의 촉매이다.
도 3은 일 실시예에 따른 No. 9의 촉매 제조에 있어서, 촉매 상에 폴리보라질렌의 상온 코팅 과정을 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에 따라 촉매 상에 육방정 질화붕소를 코팅한 결과를 나타낸 것이다. 좌측 사진은 No. 1의 촉매, 우측 사진은 No. 9의 촉매이다.
도 5는 일 실시예에 따라 촉매 상에 육방정 질화붕소를 코팅한 결과를 나타낸 것이다. 좌측 사진은 No. 6의 촉매, 우측 사진은 No. 7의 촉매이다.
도 6은 일 실시예에 따른 촉매 표면의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 No. 7의 촉매 표면의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 일 실시예에 따른 No. 9의 촉매 표면의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 일 실시예에 따른 촉매를 이용한 암모니아 분해 반응 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 일 실시예에 따른 촉매를 이용한 암모니아 분해 반응 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 일 비교예에 따른 No. 2의 촉매에 대한 주사투과전자현미경 (STEM) 및 에너지 분산 분광법 (EDS) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 일 실시예에 따른 No. 9의 촉매에 대한 TEM-EDS mapping 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 일 실시예에 따른 촉매에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 일 실시예에 따른 촉매 제조에 사용된 암모니아 보레인 용액의 분산도를 육안으로 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 일 실시예에 따라 촉매 상에 육방정 질화붕소를 코팅한 결과를 나타낸 것이다. FIG. 1 is a flow chart illustrating a process for synthesizing hexagonal boron nitride on a catalyst according to one embodiment.
Figure 2 shows the results of room temperature coating of polyborazylene on a catalyst according to one embodiment. The left photo is of catalyst No. 3, and the right photo is of catalyst No. 9.
FIG. 3 illustrates a room temperature coating process of polyborazylene on a catalyst in the preparation of catalyst No. 9 according to one embodiment.
Figure 4 shows the results of coating hexagonal boron nitride on a catalyst according to one embodiment. The left photo is a catalyst of No. 1, and the right photo is a catalyst of No. 9.
Figure 5 shows the results of coating hexagonal boron nitride on a catalyst according to one embodiment. The photo on the left is catalyst No. 6, and the photo on the right is catalyst No. 7.
Figure 6 shows the XPS analysis results of a catalyst surface according to one embodiment.
Figure 7 shows the XPS analysis results of the catalyst surface of No. 7 according to one embodiment.
Figure 8 shows the XPS analysis results of the catalyst surface of No. 9 according to one embodiment.
Figure 9 shows the results of an ammonia decomposition reaction using a catalyst according to one embodiment.
Figure 10 shows the results of an ammonia decomposition reaction using a catalyst according to one embodiment.
Figure 11 shows the results of scanning transmission electron microscopy (STEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis of the catalyst of No. 2 according to a comparative example.
Figure 12 shows the results of TEM-EDS mapping analysis for the catalyst No. 9 according to one embodiment.
Figure 13 shows the results of XRD analysis for a catalyst according to one embodiment.
Figure 14 shows the results of visually confirming the dispersion of an ammonia borane solution used in the manufacture of a catalyst according to one embodiment.
Figure 15 shows the results of coating hexagonal boron nitride on a catalyst according to one embodiment.
이하, 본 개시물을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present disclosure is described in detail.
일 측면에서, 본 개시물은 지지체; 상기 지지체에 담지된 전이금속; 및 상기 전이금속 상에 합성된 육방정 질화붕소를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매를 제공한다.In one aspect, the present disclosure provides a catalyst having improved durability, comprising: a support; a transition metal supported on the support; and hexagonal boron nitride synthesized on the transition metal.
예시적인 일 구현예에서, 상기 내구성이 개선된 촉매는 육방정 질화붕소를 기합성된 촉매의 전이금속 입자에 직접 성장시킨 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst having improved durability may be one in which hexagonal boron nitride is grown directly on transition metal particles of a pre-synthesized catalyst.
예시적인 일 구현예에서, 상기 내구성이 개선된 촉매 및/또는 상기 기합성된 촉매는 비드, 펠렛, 모노리스 또는 허니컴 형태를 가질 수 있다. 이에 따라 상용성이 높은 촉매를 제공하는 효과가 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst with improved durability and/or the synthesized catalyst may have a bead, pellet, monolith or honeycomb form. Accordingly, there is an effect of providing a highly compatible catalyst.
본 개시물에 따른 촉매에서 육방정 질화붕소는 금속의 입자 변형을 야기하며, 이는 금속의 뭉침에 의한 비활성화를 상쇄하여 결과적으로 촉매의 내구성을 향상시켜 주는 효과를 제공한다.In the catalyst according to the present disclosure, hexagonal boron nitride causes particle deformation of the metal, which provides an effect of offsetting deactivation due to agglomeration of the metal, thereby improving the durability of the catalyst.
예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 암모니아 분해 반응용 촉매인 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, the catalyst may be a catalyst for an ammonia decomposition reaction.
예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 암모니아의 탈수소화 반응용 촉매인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may be a catalyst for the dehydrogenation reaction of ammonia.
예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매는 암모니아 분해 반응 및/또는 암모니아의 탈수소화 반응에 대한 내구성이 개선된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst may have improved durability for ammonia decomposition reaction and/or ammonia dehydrogenation reaction.
본 개시물에 따른 촉매는 암모니아 분해 반응 활성 및/또는 암모니아의 탈수소화 반응 활성이 높을 뿐만 아니라 장시간의 반응에도 촉매 성능 저하 없이 높은 암모니아 분해 반응 활성 및/또는 암모니아의 탈수소화 반응 활성을 제공하는 효과가 있다.The catalyst according to the present disclosure not only has high ammonia decomposition reaction activity and/or ammonia dehydrogenation reaction activity, but also has the effect of providing high ammonia decomposition reaction activity and/or ammonia dehydrogenation reaction activity without deterioration of catalytic performance even over a long period of time.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 카본, 실리카, 탄화규소, 질화규소, 알루미나, 산화마그네슘, 마그네슘 알루미네이트, 산화칼슘, 칼슘 알루미네이트, 제올라이트, 지르코니아, 티타니아 및 희토류 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the support may be at least one selected from the group consisting of carbon, silica, silicon carbide, silicon nitride, alumina, magnesium oxide, magnesium aluminate, calcium oxide, calcium aluminate, zeolite, zirconia, titania, and rare earth oxides.
예시적인 일 구현예에서, 상기 희토류는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the rare earth element may be at least one selected from the group consisting of Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
예시적인 일 구현예에서, 상기 희토류 산화물은 세리아, 란타니아, 이트리아 및 산화가돌리움 중 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the rare earth oxide may be one or more of ceria, lanthania, yttria, and gadolium oxide.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전이금속은 Mo, Ni, Fe, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Au 및 Ir으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the transition metal may be at least one selected from the group consisting of Mo, Ni, Fe, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Au, and Ir.
예시적인 일 구현예에서, 상기 지지체는 알루미나이고 상기 전이금속은 Ru 또는 Ni인 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the support may be alumina and the transition metal may be Ru or Ni.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전이금속은 지지체와 전이금속의 전체 중량을 기준으로 10 wt% 이하로 담지된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the transition metal may be supported in an amount of 10 wt% or less based on the total weight of the support and the transition metal.
예시적인 일 구현예에서, 상기 육방정 질화붕소는 암모니아 보레인 (H3NBH3)으로부터 합성된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the hexagonal boron nitride may be synthesized from ammonia borane (H 3 NBH 3 ).
예시적인 일 구현예에서, 상기 육방정 질화붕소는 상기 지지체에 담지된 전이금속 상에 암모니아 보레인 용액을 도포한 후 암모니아 분위기 하에서 열처리하여 합성된 것일 수 있다. 상기 암모니아 보레인 용액은 상온 및 상압에서 도포한다.In an exemplary embodiment, the hexagonal boron nitride may be synthesized by applying an ammonia borane solution on a transition metal supported on the support and then heat-treating under an ammonia atmosphere. The ammonia borane solution is applied at room temperature and pressure.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액은 암모니아 보레인의 탈수소결합반응을 유도하기 위한 극성 비양자성 용매에 암모니아 보레인이 함유된 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the ammonia borane solution may contain ammonia borane in a polar aprotic solvent for inducing a dehydrogenation reaction of ammonia borane.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액은 초음파 처리로 암모니아 보레인을 분산시킨 것일 수 있다. 초음파 처리로 인한 고분산 공정을 통해 육방정 질화붕소 코팅막의 균일성을 더욱 향상시켜 주는 효과가 있다.In an exemplary embodiment, the ammonia borane solution may be ammonia borane dispersed by ultrasonic treatment. The high dispersion process by ultrasonic treatment has the effect of further improving the uniformity of the hexagonal boron nitride coating film.
예시적인 일 구현예에서, 상기 극성 비양자성 용매는 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran (THF)), 1,2-디메톡시에탄 (1,2-dimethoxyethane (DME)), 다이옥세인 (dioxane (DXN)), 디에틸렌글리콜디메틸에테르 (diethyleneglycoldimethylether (Diglyme)), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide (DMF)), 디메틸설퍼옥사이드 (dimethylsulfoxide (DMSO), 디메틸아세트아미드 (dimethylacetamide (DMA)) 및 헥사메틸포스포아미드 (hexamethyl phosphoramide (HMPA))에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the polar aprotic solvent may include one or more selected from tetrahydrofuran (THF), 1,2-dimethoxyethane (DME), dioxane (DXN), diethyleneglycoldimethylether (Diglyme), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMA), and hexamethyl phosphoramide (HMPA).
본 개시물에 따른 촉매에서, 상기 극성 비양자성 용매 자체의 끓는점 및 증기압 특성에 따라 질소-붕소 화합물, 예컨대 폴리보라질렌의 상온 코팅 과정에서 용매의 증발 시간이 달라질 수 있어 끓는점이 비교적 낮은 극성 비양자성 용매를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, Diglyme의 끓는점은 162 ℃으로, 생성물 중 육방정 질화붕소로 변화할 수 있는 물질인 보라진의 끓는점 (53 ℃)보다 높아 용매를 증발시키는 데에 시간이 비교적 오래 걸릴 수 있다. 따라서, 상기 극성 비양자성 용매는, 예컨대 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran (THF))인 것이 바람직할 수 있다.In the catalyst according to the present disclosure, the evaporation time of the solvent may vary depending on the boiling point and vapor pressure characteristics of the polar aprotic solvent itself during the room temperature coating process of a nitrogen-boron compound, such as polyborazylene, and therefore it may be preferable to use a polar aprotic solvent having a relatively low boiling point. For example, the boiling point of Diglyme is 162° C., which is higher than the boiling point (53° C.) of borazine, a substance that can change into hexagonal boron nitride among the products, and thus it may take a relatively long time to evaporate the solvent. Therefore, it may be preferable that the polar aprotic solvent is, for example, tetrahydrofuran (THF).
예시적인 일 구현예에서, 상기 극성 비양자성 용매는 끓는점이 100 ℃ 이하, 90 ℃ 이하, 80 ℃ 이하, 70 ℃ 이하, 60 ℃ 이하 또는 50 ℃ 이하인 것일 수 있다. 다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 극성 비양자성 용매는 끓는점이 40 내지 80 ℃ 또는 45 내지 75 ℃ 또는 50 내지 70 ℃인 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the polar aprotic solvent may have a boiling point of 100 °C or less, 90 °C or less, 80 °C or less, 70 °C or less, 60 °C or less, or 50 °C or less. In another exemplary embodiment, the polar aprotic solvent may preferably have a boiling point of 40 to 80 °C, or 45 to 75 °C, or 50 to 70 °C.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액의 몰농도는 0.2 mol/L 이상인 것일 수 있다. 다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액의 몰농도는 0.2 mol/L 이상, 0.3 mol/L 이상, 0.4 mol/L 이상 또는 0.5 mol/L 이상이고, 2.0 mol/L 이하, 1.9 mol/L 이하, 1.8 mol/L 이하, 1.7 mol/L 이하, 1.6 mol/L 이하, 1.5 mol/L 이하, 1.4 mol/L 이하, 1.3 mol/L 이하, 1.2 mol/L 이하, 1.1 mol/L 이하, 1.0 mol/L 이하, 0.9 mol/L 이하, 0.8 mol/L 이하, 0.7 mol/L 이하 또는 0.6 mol/L 이하인 것일 수 있다. 예컨대, 추가적인 용매의 증발 또는 제거 공정 없이 균일한 코팅막을 형성함에 있어서 상기 암모니아 보레인 용액의 몰농도는 0.3 내지 0.7 mol/L 또는 0.4 내지 0.6 mol/L인 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the molar concentration of the ammonia borane solution may be at least 0.2 mol/L. In another exemplary embodiment, the molar concentration of the ammonia borane solution may be at least 0.2 mol/L, at least 0.3 mol/L, at least 0.4 mol/L, or at least 0.5 mol/L, and at most 2.0 mol/L, at most 1.9 mol/L, at most 1.8 mol/L, at most 1.7 mol/L, at most 1.6 mol/L, at most 1.5 mol/L, at most 1.4 mol/L, at most 1.3 mol/L, at most 1.2 mol/L, at most 1.1 mol/L, at most 1.0 mol/L, at most 0.9 mol/L, at most 0.8 mol/L, at most 0.7 mol/L, or at most 0.6 mol/L. For example, in forming a uniform coating film without an additional solvent evaporation or removal process, the molar concentration of the ammonia borane solution may be preferably 0.3 to 0.7 mol/L or 0.4 to 0.6 mol/L.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 용액에 함유된 극성 비양자성 용매의 mL 단위 부피는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 g 단위 중량 대비 0.5배 이하, 0.01배 내지 0.5배, 0.05배 내지 0.5배, 0.05배 내지 0.3배 또는 0.1배 내지 0.3배인 것일 수 있다. 이에 따라, 추가적인 용매의 증발 또는 제거 공정 없이 균일한 코팅막을 형성할 수 있는 효과를 제공한다.In an exemplary embodiment, the mL unit volume of the polar aprotic solvent contained in the ammonia borane solution may be 0.5 times or less, 0.01 to 0.5 times, 0.05 to 0.5 times, 0.05 to 0.3 times, or 0.1 to 0.3 times the total g unit weight of the support and the transition metal. Accordingly, it provides the effect of forming a uniform coating film without an additional solvent evaporation or removal process.
예시적인 일 구현예에서, 상기 육방정 질화붕소는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 미만으로 포함된 것일 수 있다. 본 개시물에 따른 촉매에서 육방정 질화붕소 함량이 높아지면 촉매 활성이 떨어지거나 불균일한 코팅막이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 육방정 질화붕소는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 미만, 0.4 wt% 이하 또는 0.3 wt% 이하이고, 0.01 wt% 이상, 0.05 wt% 이상, 0.1 wt% 이상, 0.15 wt% 이상, 0.2 wt% 이상, 0.25 wt% 이상 또는 0.3 wt% 이상으로 포함된 것이 바람직할 수 있다.In an exemplary embodiment, the hexagonal boron nitride may be included in an amount of less than 0.5 wt% based on the total weight of the support and the transition metal. If the content of hexagonal boron nitride in the catalyst according to the present disclosure is high, the catalytic activity may decrease or an uneven coating film may be formed. Therefore, the hexagonal boron nitride may be included in an amount of less than 0.5 wt%, less than or equal to 0.4 wt%, or less than or equal to 0.3 wt%, and preferably in an amount of 0.01 wt% or more, 0.05 wt% or more, 0.1 wt% or more, 0.15 wt% or more, 0.2 wt% or more, 0.25 wt% or more, or 0.3 wt% or more based on the total weight of the support and the transition metal.
예시적인 일 구현예에서, 상기 내구성이 개선된 촉매는 암모니아 탈수소화 반응 및/또는 암모니아 합성 반응에 사용될 수 있다. 육방정 질화붕소를 지지체로 사용한 촉매 (예컨대, Ru/h-BN)의 경우 육방정 질화붕소 지지체가 분체여서 실제 대용량의 암모니아 분해 반응 시스템에 적용하기 어려운 단점이 있고, 질화붕소를 물리적으로 코팅한 지지체에 금속을 로딩한 촉매 (예컨대, Ru/BN-paint/θ-Al2O3)의 경우 내구성 증진 효과가 없는 반면, 본 개시물에 따른 지지체에 담지된 전이금속 상에 육방정 질화붕소가 형성된 촉매 (예컨대, BN-K-Ru/θ-Al2O3)는 우수한 암모니아 분해 반응 활성뿐만 아니라 내구성 향상 효과를 제공한다.In an exemplary embodiment, the catalyst with improved durability can be used in an ammonia dehydrogenation reaction and/or an ammonia synthesis reaction. In the case of a catalyst using hexagonal boron nitride as a support (e.g., Ru/h-BN), there is a disadvantage that the hexagonal boron nitride support is in the form of powder, making it difficult to apply to a large-scale ammonia decomposition reaction system, and in the case of a catalyst in which a metal is loaded onto a support physically coated with boron nitride (e.g., Ru/BN-paint/θ-Al 2 O 3 ), there is no durability enhancing effect, whereas a catalyst in which hexagonal boron nitride is formed on a transition metal supported on a support according to the present disclosure (e.g., BN-K-Ru/θ-Al 2 O 3 ) provides not only excellent ammonia decomposition reaction activity but also a durability enhancing effect.
다른 측면에서, 본 개시물은 상기 내구성이 개선된 촉매를 제조하는 방법이고, 상기 방법은 (1) 지지체 및 상기 지지체에 담지된 전이금속을 포함하는 촉매를 준비하는 단계; (2) 극성 비양자성 용매에 암모니아 보레인을 첨가하여 암모니아 보레인 용액을 준비하는 단계; 및 (3) 상기 준비된 촉매 상에 암모니아 보레인 용액을 도포하는 단계를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present disclosure provides a method for preparing a catalyst having improved durability, the method comprising: (1) preparing a catalyst comprising a support and a transition metal supported on the support; (2) preparing an ammonia borane solution by adding ammonia borane to a polar aprotic solvent; and (3) applying the ammonia borane solution onto the prepared catalyst.
예시적인 일 구현예에서, 상기 내구성이 개선된 촉매의 제조방법은 촉매 상에 육방정 질화붕소를 합성하는 방법인 것일 수 있다. 이러한 측면에서, 본 개시물은 (1) 지지체 및 상기 지지체에 담지된 전이금속을 포함하는 촉매를 준비하는 단계; (2) 극성 비양자성 용매에 암모니아 보레인을 첨가하여 암모니아 보레인 용액을 준비하는 단계; 및 (3) 상기 준비된 촉매 상에 암모니아 보레인 용액을 도포하는 단계를 포함하는, 촉매 상에 육방정 질화붕소를 합성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 촉매의 전이금속 입자 상에 육방정 질화붕소를 직접 성장시킬 수 있다.In an exemplary embodiment, the method for preparing the catalyst with improved durability may be a method for synthesizing hexagonal boron nitride on a catalyst. In this aspect, the present disclosure provides a method for synthesizing hexagonal boron nitride on a catalyst, the method comprising the steps of: (1) preparing a catalyst including a support and a transition metal supported on the support; (2) preparing an ammonia borane solution by adding ammonia borane to a polar aprotic solvent; and (3) applying the ammonia borane solution on the prepared catalyst. The method can directly grow hexagonal boron nitride on transition metal particles of the catalyst.
본 개시물에 따른 육방정 질화붕소의 저온 합성 방법은 암모니아 보레인을 합성 재료로 사용하여 금속 입자 상에 선택적 탈수소결합반응을 통해 폴리보라질렌을 상온 코팅한 후, 추가적인 암모니아 분위기 하의 열처리를 통하여 최종적으로 육방정 질화붕소를 합성하는 것이다.The low-temperature synthesis method of hexagonal boron nitride according to the present disclosure comprises using ammonia borane as a synthesis material to coat polyborazylene at room temperature through a selective dehydrogenation reaction on metal particles, and then further heat treating under an ammonia atmosphere to finally synthesize hexagonal boron nitride.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (3) 단계는 암모니아 보레인 용액을 상온에서 도포하여 촉매 상에 질소-붕소 화합물, 예컨대 보라진, 폴리보라질렌을 코팅하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the step (3) may be to coat a nitrogen-boron compound, such as borazine or polyborazylene, on the catalyst by applying an ammonia borane solution at room temperature.
예시적인 일 구현예에서, 상기 방법은 상기 (3) 단계에서 암모니아 보레인 용액을 도포한 다음, 촉매를 암모니아 분위기 하에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 예컨대, 상기 방법은 상기 (3) 단계에서 암모니아 보레인 용액을 도포한 다음, 용매를 증발시킨 촉매를 암모니아 분위기 하에서 열처리하여 내구성이 개선된 촉매를 제조하거나 또는 촉매 상에 육방정 질화붕소를 합성하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the method may further include a step of applying an ammonia borane solution in step (3) and then heat-treating the catalyst under an ammonia atmosphere. For example, the method may include applying an ammonia borane solution in step (3) and then heat-treating the catalyst from which the solvent has been evaporated under an ammonia atmosphere to produce a catalyst with improved durability or synthesizing hexagonal boron nitride on the catalyst.
본 개시물에 따른 촉매의 제조방법은, 암모니아 보레인 용액이 촉매의 전이금속 입자와 접촉시 탈수소결합반응이 일어나 폴리보라질렌이 생성되고 그 발생열로 용매가 증발되어 추가적인 용매 제거 공정을 필요로 하지 않는다. 따라서, 상기 제조방법은 암모니아 보레인 용액을 촉매 상에 떨어뜨리면 약 1초 내외로 즉시 증발되므로, 암모니아 보레인 용액의 용매를 증발 또는 제거하기 위한 공정을 포함하지 않는 것일 수 있다.The method for producing a catalyst according to the present disclosure is such that when an ammonia borane solution comes into contact with a transition metal particle of a catalyst, a dehydrogenation reaction occurs to produce polyborazylene, and the solvent evaporates with the heat generated, so that no additional solvent removal process is required. Accordingly, the above-described method may not include a process for evaporating or removing the solvent of the ammonia borane solution, since the ammonia borane solution is immediately evaporated in about 1 second when dropped on the catalyst.
예시적인 일 구현예에서, 상기 암모니아 분위기 하에서 열처리하는 단계는, 암모니아의 탈수소화 반응에서 실시하는 것일 수 있다. 즉, 상기 암모니아 분위기 하에서 열처리하는 단계는, 암모니아의 탈수소화 반응과 동시에 진행될 수 있다. 암모니아의 탈수소화 반응에서 열처리 공정을 통해 촉매 상에 육방정 질화붕소가 합성될 수 있고, 상기 육방정 질화붕소가 형성된 촉매는 암모니아의 탈수소화 반응 효율을 증가시킬 수 있다.In an exemplary embodiment, the step of heat treating under an ammonia atmosphere may be performed in a dehydrogenation reaction of ammonia. That is, the step of heat treating under an ammonia atmosphere may be performed simultaneously with the dehydrogenation reaction of ammonia. Through the heat treatment process in the dehydrogenation reaction of ammonia, hexagonal boron nitride may be synthesized on the catalyst, and the catalyst on which the hexagonal boron nitride is formed may increase the efficiency of the dehydrogenation reaction of ammonia.
예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 시간당 기체공간속도 (GHSV, gas hour space velocity)로 60,000 mL/gcat/h 이하의 암모니아 가스를 주입하여 실시하는 것일 수 있다. 다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 200 mL/min 이하의 암모니아 가스를 주입하여 실시하는 것일 수 있다. 또 다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 촉매 0.2 g 기준 200 mL/min 이하의 암모니아 가스를 주입하여 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment may be performed by injecting ammonia gas at a gas hour space velocity (GHSV) of 60,000 mL/g cat /h or less. In another exemplary embodiment, the heat treatment may be performed by injecting ammonia gas at a gas hour space velocity (GHSV) of 200 mL/min or less. In yet another exemplary embodiment, the heat treatment may be performed by injecting ammonia gas at a gas hour space velocity (GHSV) of 200 mL/min or less based on 0.2 g of catalyst.
예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 600 ℃ 이상, 또는 600 내지 700 ℃에서 실시하는 것일 수 있다. 상기 방법은 600 ℃ 이상의 환원성 분위기 (암모니아 분해 또는 합성 과정 포함)에서 금속 입자의 변형을 유도하여 촉매의 활성 증진 및/또는 내구성 향상 효과를 얻을 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment may be performed at 600° C. or higher, or from 600 to 700° C. The method can induce transformation of metal particles in a reducing atmosphere (including ammonia decomposition or synthesis process) at 600° C. or higher, thereby obtaining an effect of enhancing the activity and/or improving the durability of the catalyst.
예시적인 일 구현예에서, 상기 열처리는 1시간 이상 동안 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the heat treatment may be performed for one hour or more.
본 개시물에 따른 촉매의 제조방법은 내구성이 증진된 육방정 질화붕소 기반의 촉매를 대량 생산할 수 있는 이점이 있다. 종래 코팅 방식인 화학기상증착법 공정에 비해 약 400 ℃ 낮은 온도에서 육방정 질화붕소 합성이 이루어지며 진공 장치가 필요 없어 대용량 합성이 상대적으로 매우 용이하다.The method for producing a catalyst according to the present disclosure has the advantage of being able to mass-produce a catalyst based on hexagonal boron nitride with enhanced durability. Compared to the chemical vapor deposition process, which is a conventional coating method, hexagonal boron nitride synthesis is performed at a temperature about 400° C. lower, and since no vacuum device is required, large-scale synthesis is relatively very easy.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (1) 단계는 전이금속 전구체 용액에 지지체를 함침시키고, 상기 전이금속 전구체 용액을 함침시킨 지지체를 소성하여 촉매를 수득한 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the step (1) may be a process of obtaining a catalyst by impregnating a support with a transition metal precursor solution and calcining the support impregnated with the transition metal precursor solution.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전이금속 전구체는 금속 염화물, 금속 염소산, 금속 아세테이트 화합물, 금속 할로겐 화합물, 금속 나이트레이트 화합물, 금속 하이드록사이드 화합물, 금속 카르보닐 화합물, 금속 설페이트 화합물 및 금속 지방산염 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the transition metal precursor may be at least one selected from the group consisting of metal chlorides, metal chlorates, metal acetate compounds, metal halide compounds, metal nitrate compounds, metal hydroxide compounds, metal carbonyl compounds, metal sulfate compounds, and metal fatty acid salt compounds.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전이금속 전구체는 금속 나이트레이트 화합물 또는 금속 카르보닐 염소산인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the transition metal precursor may be a metal nitrate compound or a metal carbonyl chlorate.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (1) 단계에서 소성은 400 내지 500 ℃에서 실시하는 것일 수 있다. In an exemplary embodiment, the firing in step (1) may be performed at 400 to 500°C.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (1) 단계에서 소성은 공기 분위기, 질소, 아르곤 등의 불활성 기체 분위기, 수소 분위기 또는 진공 분위기 하에서 실시하는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the firing in step (1) may be performed in an air atmosphere, an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, a hydrogen atmosphere, or a vacuum atmosphere.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (3) 단계에서 암모니아 보레인 용액은 상온 및 상압에서 촉매 상에 도포되는 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, in step (3), the ammonia borane solution may be applied onto the catalyst at room temperature and pressure.
예시적인 일 구현예에서, 상기 (3) 단계에서 촉매 상에 도포되는 암모니아 보레인 용액에 함유된 극성 비양자성 용매의 mL 단위 부피는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 g 단위 중량 대비 0.5배 이하, 0.01배 내지 0.5배, 0.05배 내지 0.5배, 0.05배 내지 0.3배 또는 0.1배 내지 0.3배인 것일 수 있다.In an exemplary embodiment, the mL unit volume of the polar aprotic solvent contained in the ammonia borane solution applied on the catalyst in step (3) may be 0.5 times or less, 0.01 to 0.5 times, 0.05 to 0.5 times, 0.05 to 0.3 times, or 0.1 to 0.3 times the total g unit weight of the support and the transition metal.
다른 측면에서, 본 개시물은 상기 내구성이 개선된 촉매를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법이고, 상기 방법은 (1) 상기 내구성이 개선된 촉매를 반응기에 충전한 후 수소 분위기 하에서 환원시키는 단계; 및 (2) 상기 반응기에 암모니아를 주입하고 열처리하는 단계를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법을 제공한다.In another aspect, the present disclosure provides a method for dehydrogenating ammonia using the catalyst with improved durability, the method comprising the steps of: (1) charging the catalyst with improved durability into a reactor and reducing it under a hydrogen atmosphere; and (2) injecting ammonia into the reactor and performing a heat treatment.
이하, 실시예를 통하여 본 개시물을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 개시물을 예시하기 위한 것으로서, 본 개시물의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present disclosure will be described in more detail through examples. It will be apparent to those skilled in the art that these examples are intended only to illustrate the present disclosure, and that the scope of the present disclosure is not to be construed as being limited by these examples.
비교예. Comparative example.
루테늄 전구체인 Ru3(CO)12과 수산화 칼륨을 용해시킨 메탄올 용매에 비드형 θ-Al2O3 지지체를 함침시킨 다음, 진공 회전 증발기를 이용하여 45℃의 온도 조건에서 용매를 증발시켜 촉매 전체 중량을 기준으로 루테늄이 6 wt%로 담지된 촉매를 제조하였다. 450℃의 온도 및 수소 분위기 하에서 3시간 동안 소성하여 K-Ru/θ-Al2O3 촉매를 제조하였다.A bead-shaped θ-Al 2 O 3 support was impregnated in a methanol solvent containing a ruthenium precursor, Ru 3 (CO) 12 , and potassium hydroxide, and the solvent was evaporated at a temperature of 45° C. using a vacuum rotary evaporator to prepare a catalyst loaded with 6 wt% ruthenium based on the total weight of the catalyst. The catalyst was calcined at 450° C. under a hydrogen atmosphere for 3 hours to prepare a K-Ru/θ-Al 2 O 3 catalyst.
또한, 하기 표 1에 따라 육방정 질화붕소 (h-BN) 파우더를 메탄올 용매에 분산시킨 다음, 상기 제조한 K-Ru/θ-Al2O3 촉매를 함침시키고 진공 회전 증발기를 이용하여 육방정 질화붕소를 물리적 방식으로 코팅한 No. 1의 촉매 (BN-K-Ru/θ-Al2O3 촉매)를 제조하였다.In addition, according to Table 1 below, hexagonal boron nitride ( h -BN) powder was dispersed in a methanol solvent, and then the K-Ru/θ-Al 2 O 3 catalyst prepared above was impregnated, and the hexagonal boron nitride was physically coated using a vacuum rotary evaporator to prepare a catalyst No. 1 (BN-K-Ru/θ-Al 2 O 3 catalyst).
또한, 하기 표 1에 따라 육방정 질화붕소를 함유하고 있는 페인트를 물에 희석한 다음, 비드형 θ-Al2O3 지지체 상에 육방정 질화붕소를 물리적 방식으로 코팅하였다. 이후, 약 100℃ 온도의 공기 중에서 2시간 동안 소성하여 전이금속으로 루테늄을 담지시킨 No. 2의 촉매 (Ru/BN-paint/θ-Al2O3 촉매)를 제조하였다.In addition, paint containing hexagonal boron nitride according to Table 1 below was diluted in water, and then hexagonal boron nitride was physically coated on a bead-shaped θ-Al 2 O 3 support. After that, the paint was calcined in air at a temperature of about 100°C for 2 hours to produce a catalyst No. 2 (Ru/BN-paint/θ-Al 2 O 3 catalyst) supporting ruthenium as a transition metal.
방식coating
method
무게 (g)catalyst
Weight (g)
무게 (g)h-BN powder
Weight (g)
(mL, name)Solvent volume
(mL, name)
함량 (wt%)Catalytic BN
Content (wt%)
방식Physical
method
파우더h-BN
Powder
(mL,
Methanol)39
(mL,
Methanol)
방식Physical
method
페인트h-BN
paint
상기 표 1에서 촉매 무게는 지지체와 전이금속의 전체 무게를 말하며, 촉매상 함량은 지지체와 전이금속의 전체 무게를 기준으로 계산된 양을 말한다.In the above Table 1, the catalyst weight refers to the total weight of the support and transition metal, and the catalyst phase content refers to the amount calculated based on the total weight of the support and transition metal.
실시예. Example.
상기 비교예에서 제조한 K-Ru/θ-Al2O3 촉매를 사용하여 하기 표 2 및 3에 따라 전이금속 입자 상에 육방정 질화붕소를 화학적 방식으로 코팅한 Nos. 3-13의 촉매 (BN-K-Ru/θ-Al2O3 촉매)를 제조하였다. Nos. 6-7의 촉매는 루테늄 전구체로 Ruthenium(III) nitrosyl nitrate solution을 사용하고, 루테늄이 2 wt%로 담지된 촉매를 제조하여 사용하였다.Using the K-Ru/θ-Al 2 O 3 catalysts manufactured in the comparative examples above, catalysts Nos. 3-13 (BN-K-Ru/θ-Al 2 O 3 catalysts) were manufactured by chemically coating hexagonal boron nitride on transition metal particles according to Tables 2 and 3 below. Catalysts Nos. 6-7 were manufactured and used using a Ruthenium(III) nitrosyl nitrate solution as a ruthenium precursor, and catalysts loaded with 2 wt% of ruthenium were manufactured and used.
상기 화학적 코팅 방식은 1) 전이금속 상에 폴리보라질렌 상온 코팅 단계 및 2) 암모니아 열처리 단계로 나뉜다 (도 1 참조). 암모니아 보레인의 탈수소결합반응을 통해 금속 상에 보라진, 폴리보라질렌 등 질소-붕소 화합물이 형성될 수 있고, 추가적인 암모니아 열처리 공정을 통해 질화붕소 물질로 변환시킬 수 있다. 구체적으로, 암모니아 보레인 (AB)을 용매에 분산시킨 혼합물을 촉매 상에 도포하여 질소-붕소 화합물을 상온 코팅하였다. 이후, 촉매 0.5 g에 대하여 약 100 mL/min의 암모니아를 공급하고 600℃에서 1시간 동안 열처리하여 육방정 질화붕소를 화학적 방식으로 코팅한 촉매를 제조하였다.The above chemical coating method is divided into 1) a room-temperature polyborazylene coating step on a transition metal and 2) an ammonia heat treatment step (see Fig. 1). Nitrogen-boron compounds such as borazine and polyborazylene can be formed on the metal through a dehydrogenation reaction of ammonia borane, and can be converted into boron nitride materials through an additional ammonia heat treatment process. Specifically, a mixture in which ammonia borane (AB) is dispersed in a solvent is applied onto a catalyst to coat the nitrogen-boron compound at room temperature. Thereafter, about 100 mL/min of ammonia was supplied per 0.5 g of the catalyst, and the catalyst was heat-treated at 600°C for 1 hour to manufacture a catalyst chemically coated with hexagonal boron nitride.
방식coating
method
무게 (g)catalyst
Weight (g)
무게 (mg)AB
Weight (mg)
(mL, name)Solvent volume
(mL, name)
함량 (wt%)Catalytic BN
Content (wt%)
방식Chemical
method
(mL, Diglyme)4
(mL, Diglyme)
방식Chemical
method
(mL, THF)1
(mL, THF)
방식Chemical
method
(mL, THF)0.1
(mL, THF)
방식Chemical
method
(mL, Diglyme)0.08
(mL, Diglyme)
방식Chemical
method
(mL, Diglyme)0.06
(mL, Diglyme)
방식Chemical
method
(mL, THF)0.08
(mL, THF)
방식Chemical
method
(mL, THF)0.06
(mL, THF)
상기 표 2에서 촉매 무게는 지지체와 전이금속의 전체 무게를 말하며, 촉매상 함량은 지지체와 전이금속의 전체 무게를 기준으로 계산된 양을 말한다.In Table 2 above, the catalyst weight refers to the total weight of the support and transition metal, and the catalyst phase content refers to the amount calculated based on the total weight of the support and transition metal.
방식coating
method
무게 (g)catalyst
Weight (g)
무게 (mg)AB
Weight (mg)
(mL, name)Solvent volume
(mL, name)
함량 (wt%)Catalytic BN
Content (wt%)
방식Chemical
method
(mL, THF)0.192
(mL, THF)
방식Chemical
method
(mL, THF)0.048
(mL, THF)
방식Chemical
method
(mL, THF)0.024
(mL, THF)
방식Chemical
method
(mL, THF)0.016
(mL, THF)
상기 표 3에서 촉매 무게는 지지체와 전이금속의 전체 무게를 말하며, 촉매상 함량은 지지체와 전이금속의 전체 무게를 기준으로 계산된 양을 말한다.In Table 3 above, the catalyst weight refers to the total weight of the support and transition metal, and the catalyst phase content refers to the amount calculated based on the total weight of the support and transition metal.
No. 3의 촉매는 0.52 mol/L의 몰농도를 갖는 암모니아 보레인 용액으로 촉매상 BN 함량이 9.3 wt%가 되도록 육방정 질화붕소를 코팅한 것이다. Nos. 4-9의 촉매는 1.04 mol/L의 몰농도를 갖는 암모니아 보레인 용액으로 촉매상 BN 함량을 0.3 내지 4.9 wt%로 변화시키면서 육방정 질화붕소를 코팅한 것이다. Nos. 10-13의 촉매는 암모니아 보레인 용액의 몰농도를 0.13 내지 1.56 mol/L로 변화시키면서 촉매상 BN 함량이 0.3 wt%가 되도록 육방정 질화붕소를 코팅한 것이다.The catalyst of No. 3 was coated with hexagonal boron nitride so that the BN content in the catalyst phase was 9.3 wt% in an ammonia borane solution having a molar concentration of 0.52 mol/L. The catalysts of Nos. 4-9 were coated with hexagonal boron nitride so that the BN content in the catalyst phase was varied from 0.3 to 4.9 wt% in an ammonia borane solution having a molar concentration of 1.04 mol/L. The catalysts of Nos. 10-13 were coated with hexagonal boron nitride so that the BN content in the catalyst phase was 0.3 wt% in an ammonia borane solution having a molar concentration of 0.13 to 1.56 mol/L.
도 2는 촉매 상에 폴리보라질렌 상온 코팅 결과를 나타낸 것으로, 좌측 사진은 No. 3의 촉매, 우측 사진은 No. 9의 촉매이다. Figure 2 shows the results of room temperature coating of polyborazylene on a catalyst. The photo on the left is catalyst No. 3, and the photo on the right is catalyst No. 9.
No. 3의 촉매의 경우, 암모니아 보레인 탈수소결합반응의 생성물인 질소-붕소 화합물 (white)과 촉매 (black)가 diglyme 용매 상에서 층분리되어 존재하는 것이 관찰되었다. Nos. 4-5의 촉매도 생성물인 질소-붕소 화합물과 촉매가 THF 용매 상에서 층분리되어 존재하는 것을 확인하였다. For the catalyst No. 3, it was observed that the nitrogen-boron compound (white), which is a product of the ammonia borane dehydrogenation reaction, and the catalyst (black) existed in layers separated in the diglyme solvent phase. For the catalysts Nos. 4-5, it was also confirmed that the nitrogen-boron compound, which is a product, and the catalyst existed in layers separated in the THF solvent phase.
No. 9의 촉매의 경우, 용매의 끓는점이 약 66 ℃로 high vapor pressure 특징을 가지고 있어 용액을 떨어뜨렸을 때 암모니아 보레인의 탈수소결합반응이 진행됨과 동시에 용매가 기화되어 증발하였고, 촉매 상에 생성물만 균일하게 코팅되는 현상이 관찰되었다. 도 3은 1.92 mg의 암모니아 보레인와 0.06 mL의 THF를 함유하고 있는 용액 일부를 0.5 g의 촉매에 떨어뜨리면 약 1초 후에 암모니아 보레인의 탈수소결합반응이 진행됨과 동시에 THF가 증발되어 결과적으로 촉매 표면에 폴리보라질렌이 코팅되는 것을 시간 경과에 따라 보여준 것이다. 상기 암모니아 보레인 용액은 촉매 표면과 접촉되도록 고르게 분산시켜 떨어뜨리는 것이 중요하다.In the case of the catalyst of No. 9, since the boiling point of the solvent is about 66℃ and has the characteristic of high vapor pressure, when the solution was dropped, the dehydrogenation reaction of ammonia borane progressed and the solvent was vaporized and evaporated simultaneously, and it was observed that only the product was uniformly coated on the catalyst. Fig. 3 shows that when a part of the solution containing 1.92 mg of ammonia borane and 0.06 mL of THF was dropped onto 0.5 g of catalyst, the dehydrogenation reaction of ammonia borane progressed and THF evaporated simultaneously after about 1 second, resulting in the coating of polyborazylene on the surface of the catalyst over time. It is important to evenly disperse the ammonia borane solution and drop it so that it comes into contact with the surface of the catalyst.
도 4는 촉매 상에 육방정 질화붕소를 코팅한 결과를 나타낸 것으로, 좌측 사진은 물리적으로 코팅한 No. 1의 촉매, 우측 사진은 화학적으로 코팅한 No. 9의 촉매를 나타낸다. 육방정 질화붕소 파우더를 메탄올 용매에 분산시켜 비드형 촉매에 물리적으로 코팅하였을 때 불균일한 코팅막 및 낮은 밀착 특성을 보였다. 반면, No. 9의 촉매는 균일하고 높은 밀착 특성을 갖는 코팅막을 형성하며 육방정 질화붕소가 비드형 촉매 상에 합성된 것을 확인하였다. Nos. 6-8의 촉매도 균일한 코팅막을 보이며 육방정 질화붕소가 비드형 촉매 상에 형성된 것을 확인하였다.Fig. 4 shows the results of coating hexagonal boron nitride on a catalyst. The left photo shows the physically coated catalyst No. 1, and the right photo shows the chemically coated catalyst No. 9. When hexagonal boron nitride powder was dispersed in a methanol solvent and physically coated on the bead-shaped catalyst, an uneven coating film and low adhesion characteristics were observed. On the other hand, the catalyst No. 9 formed a uniform and highly adhesive coating film, confirming that hexagonal boron nitride was synthesized on the bead-shaped catalyst. The catalysts Nos. 6-8 also showed uniform coating films, confirming that hexagonal boron nitride was formed on the bead-shaped catalyst.
도 5는 용매로 diglyme을 사용하여 촉매 상에 육방정 질화붕소를 코팅한 Nos. 6-7의 촉매를 나타낸 것으로, 균일하고 밀착 특성이 높은 코팅막을 형성하고, 용매가 빠르게 증발하여 추가적인 건조 공정을 생략할 수 있음을 확인하였다. 또한, 촉매상 BN 함량이 더 적은 No. 7의 촉매가 더 균일한 코팅막을 형성하는 것으로 나타났다.Figure 5 shows the catalysts of Nos. 6-7 coated with hexagonal boron nitride on the catalyst using diglyme as a solvent, and it was confirmed that a uniform and highly adhesive coating film was formed, and that the solvent evaporated quickly, so that an additional drying process could be omitted. In addition, it was shown that the catalyst of No. 7 having a lower BN content on the catalyst layer formed a more uniform coating film.
도 6은 Nos. 4, 5, 8, 9의 촉매 표면의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다. 암모니아 보레인의 탈수소결합반응을 진행한 후 동일하게 암모니아 분위기 하에서 열처리 (600 ℃, 1시간)를 진행한 촉매에 대한 표면 XPS 결과를 분석하였다. Nos. 8, 9의 촉매의 N 1s XPS 스펙트럼에서 B-N 결합에 해당하는 피크가 관찰됨으로써 질화붕소가 형성된 것을 확인하였다. 질화붕소 중에서도 육방정 질화붕소의 결정을 가질수록 B-N 결합 에너지 값이 398.4~398.0 eV에 가까워지는 것을 고려했을 때, No. 9의 촉매가 가장 우수한 육방정 질화붕소 합성 결과를 나타낸 것을 알 수 있었다. Fig. 6 shows the XPS analysis results of the catalyst surfaces of Nos. 4, 5, 8, and 9. The surface XPS results of the catalysts that were subjected to the dehydrogenation reaction of ammonia borane and then heat-treated (600°C, 1 hour) in the same ammonia atmosphere were analyzed. In the N 1s XPS spectra of the catalysts of Nos. 8 and 9, a peak corresponding to the B-N bond was observed, confirming the formation of boron nitride. Considering that the B-N bond energy value gets closer to 398.4 to 398.0 eV as the crystal of hexagonal boron nitride is used among boron nitride, it was found that the catalyst of No. 9 showed the best hexagonal boron nitride synthesis result.
도 7은 No. 7의 촉매 표면의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다. 극성 비양자성 용매로 diglyme을 사용하여 질화붕소가 형성된 촉매를 수득한 것을 확인하였다. B-N 결합을 나타내는 피크 (B-N 결합 에너지 값 398.96 eV)를 보여 육방정 질화붕소가 잘 합성된 것을 확인하였다.Figure 7 shows the XPS analysis results of the catalyst surface of No. 7. It was confirmed that a catalyst in which boron nitride was formed was obtained using diglyme as a polar aprotic solvent. It was confirmed that hexagonal boron nitride was well synthesized by showing a peak indicating a B-N bond (B-N bond energy value of 398.96 eV).
도 8은 No. 9의 촉매 표면의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다. 암모니아 열처리 후 (또는 암모니아 분해 반응 168시간 후), B 1s, N 1s에 해당하는 XPS 스펙트럼에서 B-N 결합이 관찰됨으로써 육방정 질화붕소가 형성된 것을 확인하였다.Figure 8 shows the XPS analysis results of the catalyst surface of No. 9. After ammonia heat treatment (or 168 hours after ammonia decomposition reaction), B-N bonds were observed in the XPS spectrum corresponding to B 1s and N 1s, confirming the formation of hexagonal boron nitride.
도 9는 K-Ru/θ-Al2O3 비드형 촉매와 Nos. 2, 9의 촉매를 이용한 암모니아 분해 반응 결과를 비교한 것이다. 직경이 1/2"인 석영반응기에 0.27 mL의 부피만큼 촉매를 충전한 후 21,000 h-1의 기체공간속도 (Gas Hourly Space Velocity, GHSV) 조건에서 최대 170 시간 동안 500 ℃의 반응 온도에서 암모니아 분해 반응을 진행하였다. 촉매의 성능 열화 판단기준으로 시간에 대한 암모니아 전환율 변화를 선형 적합 (linear fitting)한 후 해당 수식의 기울기를 활용하였다. 그 결과, BN을 코팅하지 않은 촉매의 경우 약 40시간 동안 약 -1.68%의 성능 저하가 관찰되었다. 반면, 본 개시물에 따라 BN을 코팅한 촉매는 장시간 실험에도 불구하고 양수의 기울기 값을 보여 향상된 내구성을 갖는 것을 확인하였다. Al2O3에 BN을 물리적으로 코팅한 후 Ru을 로딩한 촉매는 BN을 코팅하지 않은 촉매와 마찬가지로 평가 시간이 진행됨에 따라 성능이 감소하여 음수의 기울기 값을 보였다.Figure 9 compares the results of ammonia decomposition reaction using K-Ru/θ-Al 2 O 3 bead-type catalyst and catalysts Nos. 2 and 9. A quartz reactor with a diameter of 1/2" was filled with a catalyst having a volume of 0.27 mL, and an ammonia decomposition reaction was performed at a reaction temperature of 500°C for up to 170 hours under gas hourly space velocity (GHSV) conditions of 21,000 h -1. The slope of the equation was utilized after linearly fitting the change in ammonia conversion rate with respect to time as a criterion for judging the performance deterioration of the catalyst. As a result, in the case of the catalyst without BN coating, a performance degradation of about -1.68% was observed for about 40 hours. On the other hand, the catalyst coated with BN according to the present disclosure showed a positive slope value despite the long-term experiment, confirming that it had improved durability. The catalyst in which BN was physically coated on Al 2 O 3 and then Ru was loaded showed a negative slope value as the evaluation time progressed, similar to the catalyst without BN coating.
도 10은 K-Ru/θ-Al2O3 비드형 촉매와 상기 촉매에 BN을 코팅한 촉매를 이용한 암모니아 분해 반응 결과를 비교한 것이다. 여기서 BN을 코팅한 촉매는 상기 No. 9의 촉매와 동일한 방법으로 제조하되, 루테늄 전구체로 Ruthenium(III) nitrosyl nitrate solution을 사용하여 제조한 것이다. 직경이 1/2"인 석영반응기에 0.27 mL의 부피만큼 촉매를 충전한 후 550 ℃의 온도에서 1시간 동안 H2 100 mL/min의 유량으로 환원을 진행하였고, 암모니아를 유량 93.33 mL/min으로 주입하고 21,000 h-1의 GHSV 조건에서 최대 100 시간 동안 500 ℃의 반응 온도에서 암모니아 분해 반응을 진행하였다. 그 결과, BN을 코팅하지 않은 촉매의 경우 약 100시간 동안 약 -1.96%의 성능 저하가 관찰되었다. 반면, 본 개시물에 따라 BN을 코팅한 촉매는 100시간 평가 후 암모니아 전환율이 2.49% 증가하였을 뿐만 아니라 촉매의 활성 또한 약 6% 증가된 것이 확인되었다. 이에 따라, 전이금속, 예컨대 Ru 기반 촉매에 대하여 저온 화학적 BN 코팅이 촉매의 활성 및/또는 내구성 증진에 효과가 있는 것을 알 수 있었다. 또한, BN 코팅에 의한 촉매의 활성 및/또는 내구성 증진 효과가 금속 전구체의 종류와 상관 없이 구현될 수 있음을 확인하였다.Figure 10 compares the results of ammonia decomposition reaction using a K-Ru/θ-Al 2 O 3 bead-type catalyst and a catalyst coated with BN. Here, the BN-coated catalyst was manufactured using the same method as the catalyst of No. 9, but using a Ruthenium(III) nitrosyl nitrate solution as a ruthenium precursor. After filling a quartz reactor with a diameter of 1/2" with a catalyst volume of 0.27 mL, reduction was performed at a temperature of 550°C for 1 hour at a flow rate of 100 mL/min of H2 , and ammonia was injected at a flow rate of 93.33 mL/min, and ammonia decomposition reaction was performed at a reaction temperature of 500°C for up to 100 hours under GHSV conditions of 21,000 h -1 . As a result, in the case of the catalyst without BN coating, a performance decrease of about -1.96% was observed for about 100 hours. On the other hand, it was confirmed that the catalyst coated with BN according to the present disclosure not only increased the ammonia conversion rate by 2.49% after 100 hours of evaluation, but also increased the catalytic activity by about 6%. Accordingly, it was found that low-temperature chemical BN coating is effective in enhancing the activity and/or durability of the catalyst for a transition metal, such as Ru-based catalyst. In addition, the catalyst by BN coating It was confirmed that the activation and/or durability enhancing effects can be implemented regardless of the type of metal precursor.
도 11은 No. 2의 촉매에 대한 주사투과전자현미경 (STEM) 및 에너지 분산 분광법 (EDS) 분석 결과를 나타낸 것이다. 그 결과, BN의 소수성 특징을 고려하여 Ru3(CO)12 (Triruthenium dodecacarbonyl)를 Ru 전구체로 사용했음에도 불구하고, BN이 아닌 Al2O3 지지체에 집중적으로 Ru 나노입자가 담지되어 있는 것이 관찰되었다. 한편, BN 가장자리에는 두께 약 20 nm, 길이 약 70 nm 정도의 막대형 Ru 입자 또는 약 20 nm 크기의 삼각형 Ru 입자가 일부 관찰되었다. 상기 결과로부터 Ru이 BN 위에 담지되지 않아 BN을 코팅한 Al2O3 복합 지지체는 Ru 나노입자의 지지체로 활용되기 어렵다는 것을 알 수 있었다.Fig. 11 shows the results of scanning transmission electron microscopy (STEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analyses of the catalyst of No. 2. As a result, it was observed that Ru nanoparticles were concentrated on the Al 2 O 3 support rather than the BN, even though Ru 3 (CO) 12 (Triruthenium dodecacarbonyl) was used as a Ru precursor considering the hydrophobic nature of BN. Meanwhile, some rod-shaped Ru particles with a thickness of about 20 nm and a length of about 70 nm or triangular Ru particles with a size of about 20 nm were observed at the edge of BN. From the above results, it was found that the Al 2 O 3 composite support coated with BN is difficult to utilize as a support for Ru nanoparticles because Ru is not supported on BN.
도 12는 No. 9의 촉매에 대한 TEM-EDS mapping 분석 결과를 나타낸 것이다. Ru 입자가 분포한 곳에 B와 N이 동시에 분포하는 것을 보여주는 분석 결과로부터 본 개시물에 따른 저온 합성 방법을 통해 육방정 질화붕소가 촉매 상에 성공적으로 형성되었다는 것을 확인하였다.Fig. 12 shows the results of TEM-EDS mapping analysis for the catalyst of No. 9. From the analysis results showing that B and N are simultaneously distributed in the area where Ru particles are distributed, it was confirmed that hexagonal boron nitride was successfully formed on the catalyst through the low-temperature synthesis method according to the present disclosure.
도 13은 K-Ru/θ-Al2O3 비드형 촉매와 No. 9의 촉매에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. No. 9의 촉매에서 h-BN(002)에 해당하는 피크가 관찰되었으며, 이로써 암모니아 보레인을 이용한 저온 합성 방법을 통해 육방정 질화붕소가 형성된 것을 알 수 있었다. 또한, 관찰된 Ru 입자의 피크에서 ICDD card no.는 각각 04-018-8034, 04-015-6086에 대한 것으로 확인되었으며, 상기 결과로부터 Ru 입자의 밀도가 11.854 g/cm3에서 12.361 g/cm3로 증가한 것을 알 수 있었다.Fig. 13 shows the results of XRD analysis for the K-Ru/θ-Al 2 O 3 bead-type catalyst and catalyst No. 9. In catalyst No. 9, a peak corresponding to h -BN(002) was observed, indicating that hexagonal boron nitride was formed through a low-temperature synthesis method using ammonia borane. In addition, the ICDD card no. for the observed Ru particle peak was confirmed to be 04-018-8034 and 04-015-6086, respectively, and from the results, it was found that the density of the Ru particles increased from 11.854 g/cm 3 to 12.361 g/cm 3 .
도 14는 Nos. 10-13의 촉매 제조에 사용된 암모니아 보레인 용액의 분산도를 육안으로 확인한 결과를 나타낸 것이다. (a) 사진은 암모니아 보레인과 THF를 혼합한 직후의 모습을 보여주는 사진이고, (b) 사진은 혼합 후 1분 경과한 모습을 보여주는 사진이다. 혼합은 유리 바이알에 암모니아 보레인과 THF를 넣고 초음파세척기 (AJC-5030, OMAX. Co., Ltd., Korea)를 이용하여 10분간 분산시킨 다음 소용돌이 혼합기 (vortex mixter, VM-10, DAIHAN Scientific, Korea)로 1분간 혼합하여 이루어졌다. 혼합 후 1분간 방치한 다음 유리 바이알을 육안으로 확인하여 암모니아 보레인 용액의 몰농도에 따른 분산 안정성을 비교 관찰하였다. 암모니아 보레인 용액은 몰농도가 0.3 내지 0.7 mol/L, 더욱 구체적으로는 0.52 mol/L일 때 우수한 분산 안정성을 나타내는 것을 확인하였다.Fig. 14 shows the results of visually confirming the dispersion of the ammonia borane solution used in the preparation of catalysts of Nos. 10-13. (a) The photo shows the appearance immediately after mixing ammonia borane and THF, and (b) The photo shows the appearance 1 minute after mixing. Mixing was performed by putting ammonia borane and THF in a glass vial, dispersing them for 10 minutes using an ultrasonic cleaner (AJC-5030, OMAX. Co., Ltd., Korea), and then mixing them for 1 minute using a vortex mixer (VM-10, DAIHAN Scientific, Korea). After mixing, the solution was left for 1 minute, and the glass vial was visually inspected to compare and observe the dispersion stability according to the molar concentration of the ammonia borane solution. It was confirmed that the ammonia borane solution exhibited excellent dispersion stability when the molar concentration was 0.3 to 0.7 mol/L, more specifically, 0.52 mol/L.
도 15는 Nos. 10-13의 촉매의 육방정 질화붕소 코팅 결과를 비교 관찰한 것이다. No. 10의 촉매는 폴리보라질렌 상온 코팅 공정에서 탈수소결합반응으로 생성되는 발열량이 적어 암모니아 보레인 용액의 증발이 제대로 이루어지지 않았고, 이에 따라 추가적인 건조 공정을 필요로 하고 이 과정에서 불균일한 코팅층이 야기되는 것으로 나타났다. 촉매상 BN 함량이 0.5 wt% 미만이 되도록 육방정 질화붕소를 코팅하더라도, 암모니아 보레인 용액의 몰농도가 0.2 mol/L보다 낮은 경우 균일하고 밀착 특성이 우수한 코팅막 형성이 어려운 것을 알 수 있었다. 반면, Nos. 11-13의 촉매는 추가적인 건조 공정 없이 균일한 코팅막을 형성하는 것으로 나타났다. 또한, No. 11의 촉매는 분산 안정성이 높은 몰농도를 갖는 암모니아 보레인 용액을 사용하여 코팅막의 균일성을 더욱 향상시킬 수 있음을 확인하였다.Fig. 15 shows the results of comparing and observing the hexagonal boron nitride coating of the catalysts of Nos. 10-13. The catalyst of No. 10 had a small amount of heat generated by the dehydrogenation reaction in the polyborazylene room-temperature coating process, so that the evaporation of the ammonia borane solution did not occur properly, requiring an additional drying process and causing an uneven coating layer during this process. Even when the hexagonal boron nitride was coated so that the BN content in the catalyst was less than 0.5 wt%, it was found that it was difficult to form a uniform and adhesive coating film when the molar concentration of the ammonia borane solution was lower than 0.2 mol/L. On the other hand, the catalysts of Nos. 11-13 were found to form a uniform coating film without an additional drying process. In addition, it was confirmed that the catalyst of No. 11 could further improve the uniformity of the coating film by using an ammonia borane solution with a high molar concentration and dispersion stability.
이상, 본 개시물의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 태양일 뿐이며, 이에 의해 본 개시물의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 개시물의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.While the specific parts of the present disclosure have been described in detail, it will be apparent to those skilled in the art that such specific descriptions are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present disclosure. Accordingly, the substantial scope of the present disclosure is defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (15)
상기 지지체에 담지된 전이금속; 및
상기 전이금속 상에 합성된 육방정 질화붕소를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매.
support;
A transition metal supported on the support; and
A catalyst having improved durability, comprising hexagonal boron nitride synthesized on the above transition metal.
상기 지지체는 카본, 실리카, 탄화규소, 질화규소, 알루미나, 산화마그네슘, 마그네슘 알루미네이트, 산화칼슘, 칼슘 알루미네이트, 제올라이트, 지르코니아, 티타니아, 세리아, 란타니아, 이트리아 및 희토류 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 1,
A catalyst having improved durability, wherein the support is at least one selected from the group consisting of carbon, silica, silicon carbide, silicon nitride, alumina, magnesium oxide, magnesium aluminate, calcium oxide, calcium aluminate, zeolite, zirconia, titania, ceria, lanthania, yttria, and rare earth oxides.
상기 전이금속은 Mo, Ni, Fe, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Au 및 Ir으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 1,
A catalyst having improved durability, wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of Mo, Ni, Fe, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Au and Ir.
상기 육방정 질화붕소는 암모니아 보레인으로부터 합성된 것인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 1,
The above hexagonal boron nitride is a catalyst with improved durability, synthesized from ammonia borane.
상기 육방정 질화붕소는 상기 지지체에 담지된 전이금속 상에 암모니아 보레인 용액을 도포한 후 암모니아 분위기 하에서 열처리하여 합성된 것인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 4,
The above hexagonal boron nitride is a catalyst with improved durability, which is synthesized by applying an ammonia borane solution on a transition metal supported on the support and then heat-treating it under an ammonia atmosphere.
상기 암모니아 보레인 용액은 극성 비양자성 용매에 암모니아 보레인이 함유된 것인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 5,
The above ammonia borane solution is a catalyst with improved durability, wherein ammonia borane is contained in a polar aprotic solvent.
상기 극성 비양자성 용매는 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran (THF)), 1,2-디메톡시에탄 (1,2-dimethoxyethane (DME)), 다이옥세인 (dioxane (DXN)), 디에틸렌글리콜디메틸에테르 (diethyleneglycoldimethylether (Diglyme)), 디메틸포름아미드 (dimethylformamide (DMF)), 디메틸설퍼옥사이드 (dimethylsulfoxide (DMSO), 디메틸아세트아미드 (dimethylacetamide (DMA)) 및 헥사메틸포스포아미드 (hexamethyl phosphoramide (HMPA))에서 선택되는 1 이상을 포함하는 것인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 6,
A catalyst having improved durability, wherein the polar aprotic solvent comprises at least one selected from tetrahydrofuran (THF), 1,2-dimethoxyethane (DME), dioxane (DXN), diethyleneglycoldimethylether (Diglyme), dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMA), and hexamethyl phosphoramide (HMPA).
상기 극성 비양자성 용매는 끓는점이 100 ℃ 이하인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 6,
The above polar aprotic solvent is a catalyst with improved durability having a boiling point of 100°C or less.
상기 암모니아 보레인 용액의 몰농도는 0.2 mol/L 이상인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 5,
A catalyst with improved durability, wherein the molar concentration of the ammonia borane solution is 0.2 mol/L or more.
상기 암모니아 보레인 용액에 함유된 극성 비양자성 용매의 mL 단위 부피는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 g 단위 중량 대비 0.5배 이하인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 6,
A catalyst with improved durability, wherein the mL unit volume of the polar aprotic solvent contained in the ammonia borane solution is 0.5 times or less relative to the total g unit weight of the support and the transition metal.
상기 육방정 질화붕소는 상기 지지체 및 전이금속의 전체 중량을 기준으로 0.5 wt% 미만으로 포함된 것인, 내구성이 개선된 촉매.
In paragraph 1,
A catalyst having improved durability, wherein the hexagonal boron nitride is contained in an amount of less than 0.5 wt% based on the total weight of the support and the transition metal.
(1) 지지체 및 상기 지지체에 담지된 전이금속을 포함하는 촉매를 준비하는 단계;
(2) 극성 비양자성 용매에 암모니아 보레인을 첨가하여 암모니아 보레인 용액을 준비하는 단계; 및
(3) 상기 준비된 촉매 상에 암모니아 보레인 용액을 도포하는 단계를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매의 제조방법.
A method for producing a catalyst with improved durability according to any one of claims 1 to 11, said method comprising:
(1) A step of preparing a catalyst including a support and a transition metal supported on the support;
(2) a step of preparing an ammonia borane solution by adding ammonia borane to a polar aprotic solvent; and
(3) A method for producing a catalyst with improved durability, comprising the step of applying an ammonia borane solution onto the prepared catalyst.
상기 방법은 상기 (3) 단계에서 암모니아 보레인 용액을 도포한 다음 촉매를 암모니아 분위기 하에서 열처리하는 단계를 더 포함하는, 내구성이 개선된 촉매의 제조방법.
In Article 12,
A method for producing a catalyst with improved durability, wherein the method further comprises a step of applying an ammonia borane solution in step (3) and then heat-treating the catalyst in an ammonia atmosphere.
상기 열처리는 600 내지 700 ℃에서 실시하는 것인, 내구성이 개선된 촉매의 제조방법.
In Article 13,
A method for producing a catalyst with improved durability, wherein the above heat treatment is performed at 600 to 700°C.
(1) 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 내구성이 개선된 촉매를 반응기에 충전한 후 수소 분위기 하에서 환원시키는 단계; 및
(2) 상기 반응기에 암모니아를 주입하고 열처리하는 단계를 포함하는, 내구성이 개선된 촉매를 이용한 암모니아의 탈수소화 방법.A method for dehydrogenating ammonia using a catalyst having improved durability according to any one of claims 1 to 11, wherein the method
(1) A step of charging a catalyst with improved durability according to any one of claims 1 to 11 into a reactor and then reducing it under a hydrogen atmosphere; and
(2) A method for dehydrogenating ammonia using a catalyst with improved durability, comprising the step of injecting ammonia into the reactor and performing heat treatment.
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