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KR101467292B1 - Selective surface impregnation method for catalytic material with the repulsive force between hydrophilic and hydrophobic solvents and catalyst made thereof - Google Patents

Selective surface impregnation method for catalytic material with the repulsive force between hydrophilic and hydrophobic solvents and catalyst made thereof Download PDF

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Publication number
KR101467292B1
KR101467292B1 KR1020130119695A KR20130119695A KR101467292B1 KR 101467292 B1 KR101467292 B1 KR 101467292B1 KR 1020130119695 A KR1020130119695 A KR 1020130119695A KR 20130119695 A KR20130119695 A KR 20130119695A KR 101467292 B1 KR101467292 B1 KR 101467292B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solvent
hydrophobic
hydrophilic
catalyst carrier
catalytically active
Prior art date
Application number
KR1020130119695A
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Korean (ko)
Inventor
고창현
서경주
장민수
안성미
Original Assignee
전남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전남대학교산학협력단 filed Critical 전남대학교산학협력단
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Priority to US14/466,984 priority patent/US9861962B2/en
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a catalyst in which a catalytically active material is selectively supported or impregnated only on a surface of a catalyst particle by using mutual repulsion of a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent, and a solubility difference of the hydrophobic solvent and the hydrophilic solvent with respect to a metal salt precursor, and in which C3-C6 alcohols, such as propanol, butanol, pentanol, hexanol are used as the hydrophobic solvent. A catalytically active material or a precursor preparing a catalytically active material selectively supported or impregnated on only outside of a catalyst particle by: introducing the hydrophobic solvent to a catalyst support; drying the resultant under an appropriate condition; removing the hydrophobic solvent from some pores connected to outside of a catalyst particle; the hydrophilic solution occupies an empty space in which the hydrophobic solvent has disappeared by introducing a hydrophilic solution including a metal salt; and drying the resultant at a slow rate. Through this method, it is possible to prepare an egg-shell type catalyst in which a catalytically active material supported or impregnated only on an outside region of a catalyst particle.

Description

친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성 물질의 선택적 표면 담지 방법 및 이러한 방법으로 제조된 촉매{Selective surface impregnation method for catalytic material with the repulsive force between hydrophilic and hydrophobic solvents and catalyst made thereof} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for selectively supporting a surface of a catalytically active material using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent and a catalyst prepared by the method.

본 발명은 촉매 제조 공정 중에서, 다공성 촉매 담체에 담지 또는 함침되는 귀금속 촉매의 사용량을 최적화 시킴으로써, 촉매 제조 비용을 효과적으로 절감하는 방법에 관한 발명으로, 구체적으로는 다공성 촉매 담체 내에 담지 또는 함침되는 고가의 금속 촉매 혹은 촉매를 담체의 표면 및 표면 부근의 기공에만 선택적으로 담지 또는 함침시킴으로써, 촉매 반응에 참여하기 어려운 담체 중심 부근의 기공에 금속 촉매가 담지 또는 함침 되는 것을 방지하고, 고가의 금속 촉매의 낭비를 막는 촉매의 제조 방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a method for effectively reducing a catalyst production cost by optimizing an amount of a noble metal catalyst supported or impregnated on a porous catalyst carrier in a catalyst production process. More specifically, It is possible to prevent the metal catalyst from being impregnated or impregnated into the pores near the center of the support which is difficult to participate in the catalytic reaction by selectively supporting or impregnating the metal catalyst or the catalyst only in the pores near the surface and the surface of the support, In the presence of a catalyst.

좀 더 구체적으로는 미세 다공성 구조체인 촉매 담체에 소수성 용매와 친수성 용매를 차례로 공급함으로써, 소수성 용매와 친수성 용매의 반발력 및 서로 섞이지 않는 비혼화성(immiscibility)을 이용하여 촉매 활성 물질을 대부분의 촉매 반응이 일어나는 촉매 담체의 표면과 촉매 담체 표면 부근의 영역에만 선택적으로 담지 또는 함침시키는 방법에 관한 발명이다.More specifically, by supplying a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent to the catalyst carrier, which is a microporous structure, the catalytic active material is subjected to most of the catalytic reaction using the repulsive force of the hydrophobic solvent and the hydrophilic solvent, And selectively impregnating or impregnating the surface of the resulting catalyst carrier and the region in the vicinity of the surface of the catalyst carrier.

일반적으로 수증기를 이용한 메탄 개질(Steam Methane Reforming)반응과 역수성가스(water-gas shift)반응 등과 같이 공간속도가 높은 반응조건에서 진행되는 반응의 경우에는, 촉매의 입자 표면 부분만이 촉매 반응에 활용되고 촉매 입자의 내부는 촉매 반응에 거의 사용되지 않는다. 또한 Fischer-Tropsch 반응에서 1-3 mm 크기의 촉매 입자를 사용할 경우 반응물인 CO의 촉매가 담지 또는 함침된 촉매 담체 내부 기공 확산이 제한되어 탄소 개수 5개 이상인 탄화수소의 생성속도와 선택도가 감소하게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 많은 연구자들이 제형된 촉매 담체의 표면 부분에만 선택적으로 촉매활성 물질을 담지 또는 함침하여 촉매를 제조하는 방법과 이렇게 제조된 촉매를 보고한 바 있다.Generally, in the case of a reaction proceeding under a reaction condition having a high space velocity, such as a steam-methane reforming reaction and a water-gas shift reaction, only the surface portion of the catalyst reacts with the catalyst And the interior of the catalyst particles is rarely used for catalytic reactions. In the Fischer-Tropsch reaction, when the catalyst particles having a size of 1-3 mm are used, the diffusion rate of the reactant, CO, in the supported or impregnated catalyst carrier is limited, and the generation rate and selectivity of the hydrocarbon having 5 or more carbon atoms are decreased do. In order to overcome such a problem, many researchers have reported a method for preparing a catalyst by selectively impregnating or impregnating a catalytically active substance only on the surface portion of the formed catalyst support, and a catalyst prepared as described above.

공개특허 제2010-0011687호는 메탄의 이산화탄소 개질 반응 촉매의 제조방법 및 이를 이용한 개질 방법에 관한 것으로, 실리카 메조포어(mesopore) 분자체 담체를 질산니켈 수용액에 담지 시켜 함침 처리 후, 건조 및 소성과정을 통해 촉매를 제조한 뒤, 조촉매 수용액에 2차로 담지시키고 건조와 소성 단계를 거쳐 촉매를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 하나의 촉매 담체에 주촉매와 조촉매를 차례로 형성시키는 것을 기술적 특징으로 하고 있으나, 각각의 촉매 형성 단계에서 건조와 소성을 별도로 진행함으로써, 제조비용이 상승하고, 촉매 담체 표면 부근에만 선택적으로 촉매 물질을 담지 또는 함침 시키기에는 여전히 곤란한 문제점이 존재한다.Open Patent Application No. 2010-0011687 relates to a process for preparing a catalyst for reforming carbon dioxide of methane and a process for modifying the catalyst using the same, wherein the silica mesopore molecular sieve carrier is impregnated with a nickel nitrate aqueous solution, A method of preparing a catalyst by carrying out a second step of carrying out a catalyst in an aqueous solution of a co-catalyst, followed by drying and calcining steps. The present invention is characterized in that the main catalyst and the cocatalyst are sequentially formed in one catalyst carrier. However, since the drying and calcination are carried out separately in each catalyst formation step, the production cost is increased, There is still a difficult problem to impregnate or impregnate.

공개특허 제2010-0011687호Published Patent No. 2010-0011687

본 발명은, 구형 혹은 실린더 형태를 갖는 다공성 촉매 담체의 표면 및 표면 부근의 영역에만 선택적으로 촉매 활성 물질을 담지 또는 함침 시키고, 촉매 반응에 참여하기 어려운 촉매 담체의 중심 부근의 내부 기공에는 고가의 상기 촉매 활성 물질을 담지 또는 함침되는 것을 방지함으로써, 촉매 입자의 제조 시에 고가의 귀금속인 촉매 활성 물질의 사용을 절약할 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention is characterized in that a catalyst active material is selectively carried or impregnated only on the surface of the porous catalyst carrier having a spherical or cylinder shape and in the vicinity of the surface thereof and the porous pores formed in the vicinity of the center of the catalyst carrier, The present invention relates to a method for preventing the catalyst active material from being carried or impregnated thereby to save the use of a catalytically active substance which is a valuable noble metal in the production of the catalyst particles.

또한, 본 발명은 미세 다공성 구조체인 촉매 담체 내부에 소수성 용매와 친수성 용매를 차례로 공급하여, 소수성 용매와 친수성 용매의 반발력으로 인해 서로 섞이지 않는 특성(immiscibility)을 이용함으로써 촉매 활성 물질을 대부분의 촉매 반응이 일어나는 촉매 담체의 표면과 촉매 담체 표면 부근의 영역에만 선택적으로 담지 또는 함침시키는 방법에 관한 발명이다.In addition, the present invention provides a catalyst carrier which is a microporous structure, in which a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent are sequentially supplied to the inside of the catalyst carrier, and immobilization of the catalytically active substance by most of the catalytic reactions In the vicinity of the surface of the catalyst carrier and the surface of the catalyst carrier.

이러한 소수성 용매와 친수성 용매의 비혼화 정도와 소수성 및/또는 친수성 용매의 제거 조건 등을 제어함으로써, 촉매 담체 내부의 전체 기공 영역에서 표면 부근과 같은 특정 영역만을 선택적으로 촉매 활성 물질로 담지 또는 함침시키는 방법에 관한 것이다.By controlling the degree of immiscibility of the hydrophobic solvent and the hydrophilic solvent and the conditions for removing the hydrophobic and / or hydrophilic solvent, only a specific region such as the vicinity of the surface in the entire pore region inside the catalyst carrier is selectively carried or impregnated with the catalytically active substance ≪ / RTI >

본 발명의 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 또는 함침 방법은, 구형 또는 실리더 형태의 다공성 무기 산화물을 촉매 담체로 준비하는 촉매 담체 준비 단계(S10); 소수성 제1 용매를 사용하여 상기 촉매 담체의 내부 기공을 채우는 제1 침지 단계(S100); 건조 공정을 통해 상기 촉매 담체의 표면 아래 영역의 내부 기공에 채워진 소수성 제1 용매를 제거함으로써, 상기 촉매 담체의 내부 중심 영역의 기공에는 상기 소수성 제1 용매를 잔류시키는 제1 건조 단계(S200); 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체를 친수성 제2 용매에 녹여 친수용 용액을 제조한 후, 상기 제1 건조 단계를 거친 촉매 담체를 상기 친수용 용액에 담그는 제2 침지 단계(S300); 상기 촉매 담체에 잔류된 제1 용매와 친수용 용액을 제거하기 위한 제2 건조 단계(S400); 및 소성 또는 환원 공정을 통해, 제2 건조 단계 이후 잔류되는 상기 촉매 활성 물질 또는 상기 촉매 활성 물질의 전구체를 촉매 담체의 표면과 표면 아래의 내부 기공 영역에만 선택적으로 형성시키는 담지 또는 함침 단계(S500);를 포함하고,
상기 제2 침지 단계는, 상기 제1 건조 공정을 통해 소수성 제1 용매가 제거된 촉매 담체의 표면 영역과 촉매 담체의 표면에서 중심까지의 거리 중 1/5 내지 1/2 범위의 바깥쪽 내부 기공 영역을 친수용 용액으로 채움으로써 수행되며, 상기 친수성 제2 용매는 물이고, 상기 친수용 용액은 촉매 활성 물질 수용액 또는 촉매 활성 물질의 전구체 수용액이며, 상기 제2 건조 단계를 통해 상기 촉매 담체의 내부 기공에 존재하는 소수성 제1 용매와 친수성 제2 용매가 제거되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 다공성 무기 산화물은 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 세리아로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나 이상인 것이 바람직하고, 상기 제1 침지 단계를 통해 상기 촉매 담체가 소수성 제1 용매에 침지됨으로써, 표면과 내부 기공이 상기 소수성 제1 용매로 채워진다.
The selective surface loading or impregnation of the catalytically active material of the present invention comprises: preparing a catalyst support (S10) for preparing a spherical or cylindrical porous inorganic oxide as a catalyst support; A first immersion step (S100) of filling the internal pores of the catalyst carrier with a hydrophobic first solvent; A first drying step (S200) of removing the hydrophobic first solvent in the pores of the area below the surface of the catalyst support through a drying process to thereby leave the hydrophobic first solvent in the pores of the inner central region of the catalyst support; A second immersion step (S300) of immersing the catalytic active material or the precursor of the catalytic active material in a hydrophilic second solvent to prepare a hydrophilic aqueous solution and then immersing the catalyst carrier having undergone the first drying step in the hydrophilic aqueous solution; A second drying step (S400) for removing the first solvent remaining in the catalyst carrier and the proton-accepting solution; And a supporting or impregnating step (S500) of selectively forming only the catalyst active material or the precursor of the catalytically active material remaining after the second drying step on the surface of the catalyst carrier and only the inner pore region beneath the surface thereof through a firing or reduction process, Lt; / RTI >
The second step of immersing may be performed in a range of 1/5 to 1/2 of the distance from the surface area of the catalyst carrier from which the hydrophobic first solvent has been removed to the center of the catalyst carrier through the first drying step, Wherein the hydrophilic second solvent is water and the hydrophilic aqueous solution is an aqueous solution of a catalytically active substance or a precursor aqueous solution of a catalytically active substance, And the hydrophobic first solvent and the hydrophilic second solvent present in the pores are removed.
Preferably, the porous inorganic oxide used in the present invention is at least one or more selected from the group consisting of silica, alumina, titania, zirconia and ceria, and the catalyst carrier is immersed in the hydrophobic first solvent through the first immersion step, And the inner pores are filled with the hydrophobic first solvent.

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제1 건조 단계의 건조 온도와 건조 시간은 특별히 제한되지 아니하나, 소수성 제1 용매의 끓는점을 기준으로 50 ℃낮은 온도에서 50 ℃ 높은 온도 사이의 범위에서 선택되고, 건조 시간은 1분 내지 120분의 범위에서 선택되는 것이 바람직한데, 상기 제1 건조 단계의 건조 온도가 너무 낮거나 건조 시간이 짧을 경우 소수성 제1 용매가 충분히 제거되지 않을 수 있으며, 건조 온도가 너무 높거나 건조 시간이 긴 경우에는 제거되는 소수성 제1 용매의 양이 너무 많아 수용액인 제2 용액이 자유롭게 침투할 수 있는 공간이 많아져서 함침되는 촉매 활성 물질의 양이 너무 많아지며 또한 제2 용액이 담체 입자의 내부 깊은 곳까지 들어가면 담체 입자의 표면에만 촉매활성 물질을 한정시키셔 담지시킨다는 본 발명의 목적을 달성할 수 없으므로 촉매 제조 비용의 감소와 같은 경제성 향상의 효과가 낮아질 수 있어 바람직하지 아니하다.The drying temperature and the drying time in the first drying step are not particularly limited, but are selected from the range of 50 ° C lower to 50 ° C higher than the boiling point of the first hydrophobic hydrophobic solvent, and the drying time is 1 minute to 120 minutes If the drying temperature of the first drying step is too low or the drying time is short, the first hydrophobic hydrophilic solvent may not be sufficiently removed. If the drying temperature is too high or the drying time is long The amount of the hydrophobic first solvent to be removed is so large that the amount of the catalytically active substance impregnated becomes too large because the second solution as the aqueous solution can freely permeate and the amount of the catalytically active substance to be impregnated becomes too large, Since it is not possible to achieve the object of the present invention that the catalyst active material is limited to be supported only on the surface of the carrier particles, And it is not preferable because it may lower the effectiveness of such economic improvement.

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이때 사용되는 촉매활성물질 혹은 촉매활성물질의 전구체는 백금, 류테늄, 로듐, 코발트, 니니켈, 팔라듐 중 어느 하나의 금속염 또는 금속염 전구체이며, 본 발명에서 사용되는 소수성 제1 용매는 n-프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜과 이들의 유도체 및 이성질체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. The precursor of the catalytically active substance or the catalytically active substance used herein is a metal salt or metal salt precursor of any one of platinum, ruthenium, rhodium, cobalt, nickel, and palladium. The first hydrophobic solvent used in the present invention is n-propanol, at least one selected from the group consisting of n-butanol, n-pentanol, n-hexanol, ethylene glycol, propylene glycol and their derivatives and isomers.

이러한 제2 건조 단계를 거침으로써, 상기 촉매 담체의 내부 기공에 존재하는 소수성 제1 용매와 친수성 제2 용매가 제거되며, 상기 제2 침지 단계의 침지 시간은 1분 내지 60분의 범위인 것이 바람직하다. 제2 침지 단계의 침지 시간이 너무 짧을 경우에는 친수용 용액이 충분히 촉매 담체 입자의 내공 내부로 흡수되지 아니할 수 있으며, 너무 긴 경우에는 생산성이 낮아지는 문제점이 발생할 수도 있다.The hydrophobic first solvent and the hydrophilic second solvent existing in the inner pores of the catalyst carrier are removed by the second drying step, and the immersion time in the second immersion step is preferably in the range of 1 minute to 60 minutes Do. If the immersion time of the second immersion step is too short, the hydrophilic aqueous solution may not be sufficiently absorbed into the interior of the interior of the catalyst carrier particles, and if it is too long, the productivity may be lowered.

또한, 상기 제1 침지 단계에서는, 상기 소수성 제1 용매가 촉매 담체 입자의 내부 기공을 채울 수 있도록 필요에 따라 초음파 처리(sonication)가 수행될 수 있다.In addition, in the first immersion step, sonication may be performed as needed so that the hydrophobic first solvent can fill the inner pores of the catalyst carrier particles.

상기 기재된 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 또는 함침 방법에 의해 제조된 촉매는 기존의 촉매와 비교해 볼 때, 저가로 동등 성능 이상의 성능을 가지고, 촉매 담체 내부의 표면 부근과 같이 특정 영역에만 촉매 활성 물질을 선택적으로 담지 또는 함침시킬 수 있는 효과가 있다.The catalyst prepared by the selective surface loading or impregnation method of the catalytically active substance using the repulsive force between the hydrophilic solvent and the hydrophobic solvent described above has a performance equal to or higher than that of the existing catalyst at a low cost, There is an effect that the catalytically active material can be selectively carried or impregnated only in a specific region such as the vicinity of the catalyst layer.

본 발명에 따른 방법은 백금, 루테늄, 로듐, 코발트, 니켈 등과 같이 촉매제조비용에 많은 부분을 차지하는 촉매 활성 물질들을 촉매담체의 표면에만 선택적으로 담지 또는 함침시킴으로써, 귀금속과 같은 촉매활성물질의 사용량을 감소시키고, 촉매의 제조 비용을 낮추는 효과를 가진다.The method according to the present invention selectively supports or impregnates the catalytic active materials, such as platinum, ruthenium, rhodium, cobalt, nickel, etc., which occupy a large portion of the catalyst production cost, only on the surface of the catalyst carrier, And lowering the production cost of the catalyst.

또한, 본 발명을 사용할 경우, 소수성 용매와 친수성 용매의 침지 시간, 건조 온도 등을 조절함으로써, 촉매 담체의 기공 내부의 특정 영역에 반경 방향으로 선택적으로 다양한 촉매를 담지 또는 함침시킬 수 있어, 경제적인 복합 촉매의 설계와 생산이 가능한 효과가 있다.In addition, when the present invention is used, various catalysts can be selectively carried or impregnated in a specific region in the pore of the catalyst carrier in the radial direction by controlling the immersion time and drying temperature of the hydrophobic solvent and the hydrophilic solvent, It is possible to design and produce composite catalysts.

도 1은 본 발명의 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 또는 함침 방법을 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 또는 함침 방법에 따른 촉매 담체의 구조 변화를 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1-4 와 비교예의 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 5의 사진이다.
FIG. 1 is a schematic view illustrating a method of selectively supporting or impregnating a catalytically active substance using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a structural change of a catalyst carrier according to a method of selectively supporting or impregnating a catalytically active substance using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent of the present invention. FIG.
3 is a photograph of Examples 1-4 and Comparative Examples of the present invention.
4 is a photograph of the fifth embodiment of the present invention.

본 발명은 소수성 용매와 친수성 용매간의 반발력을 이용해서 촉매활성물질을 구형 혹은 실린더 형태의 입자로 형성된 촉매 담체 표면 혹은 표면과 연결된 외부와 가까운 영역의 기공들에만 선택적으로 담지 또는 함침 시키는 방법에 관한 것으로 이하 서술되어지는 구체적인 실시예와 비교예를 통해 자세히 설명하고자 한다.The present invention relates to a method of selectively supporting or impregnating a catalytically active substance only on pores of a catalyst carrier surface formed of spherical or cylinder shaped particles or in a region close to the external surface using a repulsive force between a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent Specific examples and comparative examples described below will be described in detail.

다만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 발명의 상세한 설명에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형 역시 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to be illustrative, Various modifications are possible, and such modifications are also within the scope of protection of the present invention.

도면 1은 본 발명의 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 또는 함침 방법의 각 단계를 도식적으로 설명한 순서도이다. 1 is a flowchart schematically illustrating each step of a method of selectively carrying or impregnating a catalytically active substance using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent of the present invention.

먼저, 구형 혹은 실린더 형태를 갖는 다양한 종류의 다공성 무기 산화물을 촉매 담체로 준비한다. 본 발명에 사용되는 다공성 무기 산화물 촉매 담체는 표면 및/또는 내부에 미세 기공이 형성된 것으로, 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 세리아로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나 이상이 사용될 수 있으며, 그 형태는 특별히 한정되지 아니하나 구형 또는 실리더 형태인 것이 바람직하다.First, various kinds of porous inorganic oxides having a spherical or cylindrical shape are prepared as catalyst carriers. The porous inorganic oxide catalyst carrier used in the present invention may have at least one or more of silica, alumina, titania, zirconia, and ceria formed on its surface and / or inside thereof with micropores. But is preferably spherical or cylindrical in shape.

이러한 다공성 촉매 담체를 준비한 후(S10), 소수성의 제1 용매에 준비된 다공성 촉매 담체 입자를 충분히 적시는 제1 침지 단계(S100)를 수행한다. 이때, 초음파 처리(sonication)가 병행되어 상기 소수성 제1 용매가 다공성 촉매 담체 입자의 내부까지 유입될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. After preparing such a porous catalyst support (S10), a first immersion step (SlOO) is performed in which the porous catalyst support particles prepared in the hydrophobic first solvent are sufficiently wetted. At this time, it is preferable that sonication is performed concurrently so that the hydrophobic first solvent can be introduced into the interior of the porous catalyst carrier particles.

상기 소수성 제1 용매로는 탄소 수가 3 내지 6인 알코올이 바람직하며, 구체적으로는 n-프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜과 이들의 유도체 및 이성질체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As the hydrophobic first solvent, an alcohol having 3 to 6 carbon atoms is preferable, and specifically, n-propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol, ethylene glycol, propylene glycol and their derivatives and isomers And more preferably at least one selected from the group consisting of

촉매 담체 입자의 내부 기공까지 충분히 소수성 제1 용매가 도입된 후, 상기 소수성 제1 용매기 입자 내부의 특정 영역에만 잔류하도록 적절한 건조 조건을 사용하여 제1 건조 단계(S200)를 거친다. 이때, 상기 제1 건조 단계의 건조 온도는 상기 소수성 제1 용매의 끓는점보다 50 ℃ 낮거나 50 ℃ 높은 온도가 바람직하고, 건조 시간은 1분 내지 120분인 것이 바람직하다. 하지만, 제1 건조단계를 거쳐 다공성 촉매 담체 입자의 기공 내부에 잔류되는 소수성 제1 용매의 양을 조절하거나, 사용되는 소수성 제1 용매의 종류에 따라 상기 제1 건조 단계의 건도 온도와 시간은 다양하게 조절될 수 있음은 물론이다.After the first hydrophobic solvent is sufficiently introduced into the inner pores of the catalyst carrier particles, the first drying step (S200) is carried out using appropriate drying conditions so as to remain only in a specific region within the hydrophobic first solvent particle. At this time, the drying temperature in the first drying step is preferably 50 ° C lower or 50 ° C higher than the boiling point of the hydrophobic first solvent, and the drying time is preferably 1 minute to 120 minutes. However, the amount of the hydrophobic first solvent remaining in the pores of the porous catalyst carrier particles through the first drying step may be controlled, or the dryness temperature and time of the first drying step may vary depending on the type of the first hydrophobic hydrophilic solvent used Of course.

예를 들면, 상기 제1 건조 단계를 거침으로써, 촉매 담체 표면의 소수성 제1 용매와, 촉매 담체 표면에서 중심까지의 거리 중 1/5 내지 1/2 범위의 바깥쪽 영역의 내부 기공에 채워진 소수성 제1 용매를 제거할 수 있다. 이러한 제1 건조 단계를 통해서 소수성 제1 용매는 촉매 담체 표면에서 중심까지의 거리 중 4/5 내지 1/2 범위의 안쪽 영역의 내부 기공에만 잔류될 수 있다. For example, the hydrophobic first solvent on the surface of the catalyst carrier and the hydrophobic property of the inner pores of the outer region in the range of 1/5 to 1/2 of the distance from the surface of the catalyst carrier to the center, The first solvent can be removed. Through this first drying step, the hydrophobic first solvent may remain only in the inner pores of the inner region ranging from 4/5 to 1/2 of the distance from the catalyst carrier surface to the center.

이렇게 소수성 제1 용매가 촉매 담체의 내부 기공의 특정 영역에만 잔류된 촉매 담체를, 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체가 친수성 제2 용매에 녹아 있는 친수용 용액에 담그는 제2 침지 단계(S300)를 거친다.(S300) in which the catalyst carrier in which the first hydrophobic first solvent remains only in a specific region of the inner pores of the catalyst support is immersed in the hydrophilic aqueous solution in which the precursor of the catalytically active substance or the catalytically active substance is dissolved in the second hydrophilic solvent, ≪ / RTI >

이때, 다공성 촉매 담체 내부의 특정 영역에 채워진 소수성 제1 용매와는 상기 친수용 용액이 서로 섞이지 아니하므로, 상기 친수용 용액은 상기 다공성 촉매 담체의 표면 영역과 표면 부근의 바깥쪽 기공 영역에만 채워지게 된다. 즉, 상기 제1 침지 단계와 제1 건조 단계를 거친 상기 다공성 촉매 담체가 친수용 용액에 침지되는 제2 침지 단계를 거침으로써, 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력과 비혼화성으로 인해 소수성 제1 용매로 채워진 영역을 제외한 다공성 촉매 담체의 기공 영역과 표면이 친수용 용액으로 채워지게 된다.At this time, since the hydrophilic first solvent filled in the specific region of the porous catalyst carrier is not mixed with the hydrophilic aqueous solution, the hydrophilic solution is filled only in the surface region of the porous catalyst carrier and in the outer pore region near the surface do. In other words, by performing the second immersion step in which the porous catalyst carrier that has undergone the first immersion step and the first drying step is immersed in the hydrophilic aqueous solution, the hydrophobic first solvent The pore region and the surface of the porous catalyst carrier except the region filled with the hydrophilic solution are filled with the hydrophilic solution.

상기 제2 침지 단계에서 사용되는 친수용 용액은 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체가 친수성 제2 용매에 녹아 있는 것으로, 본 발명에서 사용되는 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체는 특별히 한정되지 아니하나, 친수성 용매에 녹을 수 있는 고가의 금속 물질 혹은 금속 물질의 전구체가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 백금, 류테늄, 로듐, 코발트, 니켈, 팔라듐 중 어느 하나의 금속염 또는 금속염 전구체를 사용할 수 있다.The proton accepting solution used in the second immersing step is a catalyst active material or a precursor of the catalytically active material dissolved in a second hydrophilic solvent. The precursor of the catalytically active material or the catalytically active material used in the present invention is not particularly limited However, it is preferable to use an expensive metal material or a precursor of a metal material which can be dissolved in a hydrophilic solvent, more preferably a metal salt or a metal salt precursor of any one of platinum, ruthenium, rhodium, cobalt, nickel and palladium.

친수용 용액에 사용되는 친수성 제2 용매는 극성 용매가 바람직하고, 대표적인 극성 용매인 물을 사용하는 것이 바람직하다.The hydrophilic second solvent used in the hydrophilic aqueous solution is preferably a polar solvent, and it is preferable to use water as a typical polar solvent.

상기 제2 침지 단계를 거친 다공성 촉매 담체 입자를 제2 건조 단계(S400)를 통해 다공성 촉매 담체의 표면과 내부 기공에 잔류하는 소수성 제1 용매와 친수용 용액을 제거하면, 상기 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체가 다공성 촉매 담체의 표면과 표면 부근의 친수용 용액이 존재했던 영역에만 잔류하게 되어, 제형된 촉매 담체의 표면 부분에만 선택적으로 촉매활성 물질을 잔류시킬 수 있다.When the hydrophobic first solvent and the hydrophilic aqueous solution remaining in the surface of the porous catalyst support and the inner pores are removed through the second drying step (S400), the porous catalyst support particles having been subjected to the second immersion step are removed, The precursor of the active material remains only in the region where the hydrophilic solution near the surface and the surface of the porous catalyst carrier exist, so that the catalytically active material can be selectively left only on the surface portion of the formed catalyst carrier.

따라서 후속 단계인 공지의 소성 또는 환원 단계(S500)를 거쳐 제형된 촉매 담체의 표면 부분에만 선택적으로 촉매활성 물질을 담지 또는 함침시킬 수 있게 되며, 이러한 단계에 따른 촉매 담체 입자의 내부 변화를 도식적으로 나타낸 것이 도 2이다. Therefore, it is possible to selectively impregnate or impregnate the catalytically active material only on the surface portion of the catalyst carrier through the known firing or reduction step (S500), which is the next step, and the internal change of the catalyst carrier particles according to this step is schematically This is shown in Fig.

즉, 본 발명은 소수성 용매와 친수성 용매에 차례로 침지 시킴으로써, 다공성 촉매 담체의 특정 영역에만 촉매 활성 물질을 담시시켜, 촉매 제조시 불필요하게 고가의 촉매 금속 또는 촉매 금속 물질의 전구체가 낭비되는 것을 방지할 수 있으며, 경제적으로 촉매를 생산할 수 있는 장점을 갖는다. That is, by immersing the hydrophobic solvent and the hydrophilic solvent in succession, the catalytic active material is immersed only in a specific region of the porous catalyst carrier, thereby preventing the unnecessarily expensive catalytic metal or the precursor of the catalytic metal material from being wasted in the production of the catalyst And has the advantage of economically producing catalysts.

소수성 1차 용매로 벤젠, 톨루엔, 헥산 등을 사용하였을 경우 알루미나 혹은 실리카와 같은 다공성 촉매 담체와 1차 용매들 사이의 상호작용력이 약하기 때문에, 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체 물질을 포함하는 친수용 용액에 다공성 촉매 담체가 침지될 경우에 상기 친수용 용액이 벤젠, 톨루엔, 헥산을 밀어내면서 친수용 용액이 다공성 촉매 담체 입자의 내부 기공까지 침투할 수 있다. 따라서 벤젠, 톨루엔, 헥산 등과 같이 다공성 촉매 담체 입자와 상호작용력이 약한 용매들은 본 발명의 촉매 활성 물질의 선택성 함침에 적절하지 않다. When benzene, toluene, hexane, or the like is used as the hydrophobic primary solvent, since the interaction force between the porous catalyst carrier such as alumina or silica and the primary solvent is weak, the activity of the proton When the porous catalyst carrier is immersed in the aqueous solution, the aqueous solution may penetrate into the internal pores of the porous catalyst carrier particles while the hydrophilic solution pushes benzene, toluene, and hexane. Therefore, solvents having weak interaction with porous catalyst carrier particles such as benzene, toluene, hexane and the like are not suitable for selective impregnation of the catalytically active substance of the present invention.

반면에 알킬기의 탄소수가 3 - 6 사이인 알코올류(예를 들면, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올 등)와 다가 알코올류인 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등의 경우, 알코올들의 작용기인 -OH가 다공성 실리카 또는 다공성 알루미나와 같은 촉매 담체의 기공 표면과 적절하게 강한 상호작용력을 가지므로, 제1 침지단계와 제1 건조 단계 동안 기공 내부에 고정되고, 알킬기가 갖는 소수성 특성에 의해 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체를 포함하는 친수용 용액의 촉매 담체 입자 내부 기공으로 접근을 차단함으로써 도 2와 같이 본 발명의 촉매 활성 물질의 선택적인 담지 또는 함침이 가능해진다. On the other hand, in the case of alcohols (for example, propanol, butanol, pentanol, hexanol, etc.) having alkyl groups of 3 to 6 carbon atoms and ethylene glycol and propylene glycol as polyhydric alcohols, Silica or porous alumina, so that it is fixed inside the pores during the first immersion step and the first drying step, and the catalytic activity or catalytic activity due to the hydrophobic property of the alkyl group By blocking access to the catalyst carrier particle pores of the proton-accepting solution containing the precursor of the material, selective loading or impregnation of the catalytically active material of the present invention becomes possible as shown in FIG.

따라서, 수증기를 이용한 메탄 개질(Steam Methane Reforming)반응과 역수성가스(water-gas shift)반응 등과 같이 공간속도가 높은 반응조건에 사용되는 촉매의 경우(즉, 촉매의 입자의 표면 영역 부분만 활용되고 촉매 입자의 내부는 사용되지 않는 반응), 본 발명의 방법으로 제조된 촉매를 사용할 경우 적은 촉매 활성 물질을 담지 또는 함침하였음에도 기존의 일반적인 촉매와 동일한 전환율과 선택도를 가질 수 있다. 또한 Fischer-Tropsch 반응과 1-3 mm 크기의 촉매 입자를 사용하면서 일반적은 함침법을 사용해서 입자의 전 영역에 걸쳐서 촉매활성 물질이 담지 또는 함침된 촉매를 사용할 경우, 반응물인 CO의 확산에 제한이 생겨서 탄소 개수 5개 이상인 탄화수소의 생성속도와 선택도가 감소하게 되지만, 본 발명에서 제시한 방법으로 제조된 촉매를 사용할 경우 이와 같은 문제를 해결할 수 있으므로 Fischer-Tropsch 반응의 효율을 높일 수 있다.
Therefore, in the case of a catalyst used in a reaction condition having a high space velocity, such as a steam-methane reforming reaction and a water-gas shift reaction (that is, And the inside of the catalyst particles is not used), the catalyst prepared by the method of the present invention may have the same conversion and selectivity as conventional catalysts even though a small amount of the catalyst active material is carried or impregnated. In addition, when using a Fischer-Tropsch reaction and catalyst particles having a size of 1-3 mm while using a catalyst impregnated or impregnated with a catalytically active substance over the whole area of the particle using a general impregnation method, The production rate and selectivity of hydrocarbons having 5 or more carbon atoms are reduced. However, when the catalyst prepared by the method disclosed in the present invention is used, such a problem can be solved and the efficiency of the Fischer-Tropsch reaction can be increased.

이하, 비교예와 실시예를 통해서 본 발명의 구체적인 적용 예를 설명하고자 한다.Hereinafter, specific examples of application of the present invention will be described with reference to Comparative Examples and Examples.

본 발명의 실시예와 비교예에 사용된 촉매 담체는 구형의 알루미나 입자이며, 촉매 활성 입자 수용액에 담지 또는 함침 되지 않은 다공성 촉매 담체입자의 단면은 도 3(a)의 비교예에서 확인할 수 있듯이 흰색으로 관찰된다.The catalyst carrier used in the examples and comparative examples of the present invention is spherical alumina particles. The cross-section of the porous catalyst carrier particles not supported or impregnated in the aqueous solution of the catalyst active particles, as shown in the comparative example of FIG. 3 (a) .

본 발명의 실시예에서는 다음과 같은 실험 과정을 거쳐 다공성 촉매 담체의 표면 영역과 같은 특정 영역에만 촉매 활성 물질을 담시시킬 수 있었다. 먼저, 촉매 담체 입자인 다공성 알루미나 담체를 소수성 제1 용매에 기포가 일어나지 않을 때까지 담가놓음으로써, 제1 침지 단계를 수행한다. 상기 제1 침지 단계는 촉매 담체의 기공 크기와 기공도(porosity) 또는 소수성 제1 용매의 종류와 점도, 촉매 담체와의 표면 장력 등을 고려하여 적절히 조절될 수 있다. 또한, 필요에 따라 초음파 처리를 함으로써, 상기 소수성 제1 용매가 촉매 담체의 기공에 충분히 도입되도록 할 수도 있다.In the embodiment of the present invention, the catalyst active material can be immersed only in a specific region such as the surface region of the porous catalyst carrier through the following experimental procedure. First, the first immersion step is carried out by immersing the porous alumina carrier, which is the catalyst carrier particles, in the hydrophobic first solvent until bubbles do not occur. The first immersion step may be appropriately controlled in consideration of the pore size and porosity of the catalyst carrier, the type and viscosity of the first hydrophobic solvent, the surface tension with the catalyst carrier, and the like. In addition, the hydrophobic first solvent may be sufficiently introduced into the pores of the catalyst carrier by ultrasonication if necessary.

상기 제1 침지 단계 후, 촉매 담체를 거름망에 넣어 가볍게 털어주면서 촉매 담체 표면에 고인 상기 소수성 제1 용매를 제거한 후, 제1 건조 온도로 설정된 오븐(oven)에 넣고 일정 시간 건조시키는 제1 건조 단계를 수행한다.After the first immersion step, the first hydrophobic solvent is removed from the surface of the catalyst carrier by gently shaking the catalyst carrier in a sieve net, the first hydrophobic solvent is put into an oven set at a first drying temperature, and a first drying step .

상기 제1 건조 단계의 건조 온도와 시간은, 후속 단계인 제2 침지 단계를 통해서 촉매 담체의 기공 내부로 도입되는 친수용 용액의 양을 고려하여 적절히 조절될 수 있는데, 건조 온도는 소수성 제1 용매의 끓는점을 기준으로 ± 50 ℃의 범위에서 선택되는 것이 바람직하고, 건조 시간은 1 내지 120분의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다. The drying temperature and time of the first drying step may be appropriately controlled in consideration of the amount of the hydrophilic solution introduced into the pores of the catalyst carrier through the second immersion step, Is preferably selected within the range of 占 0 占 폚, 占 폚, 占 폚, 占 폚, and the drying time is preferably in the range of 1 to 120 minutes.

상기 제1 건조 단계를 거친 후, 촉매 담체 입자를 친수성 용매인 물에 촉매 활성 물질인 코발트 니트레이트(cobalt nitrate)를 0.5 M의 농도로 포함하는 친수용 용액에 담그는 제2 침지 단계를 수행한다.After the first drying step, a second immersion step is performed in which the catalyst carrier particles are immersed in water as a hydrophilic solvent in a hydrophilic solution containing 0.5 M of cobalt nitrate as a catalytically active substance.

상기 제2 침지단계는 앞서 제1 건조 단계를 거쳐 생성된 (촉매 활성 물질을 포함한 친수용 용액이 도입될 공간인) 촉매 담체 입자의 내부 기공의 빈공간의 부피, 제2 침지 단계를 통해 도입되는 친수용 용액의 점도, 촉매 활성 물질의 농도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있는데, 10 내지 60 분의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다.The second immersing step is carried out through the second immersing step, the volume of the void space of the inner pores of the catalyst carrier particles (the space in which the hydrophilic solution containing the catalytically active substance is introduced) produced through the first drying step, The viscosity of the proton-accepting solution, the concentration of the catalytically active substance, and the like, and is preferably selected in the range of 10 to 60 minutes.

촉매 활성 물질을 포함하는 친수용 용액에 일정시간 담가놓는 제2 침지 단계를 거친 촉매 담체 입자의 표면에 고인 친수용 용액을 제거한다.The hydrophilic aqueous solution is removed from the surface of the catalyst carrier particles having been subjected to the second immersion step in which they are immersed in the hydrophilic aqueous solution containing the catalytically active substance for a predetermined time.

상기 제2 침지 단계를 거친 후, 중심부에는 소수성 제1 용매가 채워지고, 표면 부근 영역에는 촉매 활성 물질을 포함하는 친수용 용액이 채워진 다공성 촉매 담체 입자를 제2 건조 단계를 수행함으로써, 상기 다공성 촉매 담체 입자의 내부 기공에 채워진 소수성 제1 용매와 친수용 용액의 친수성 제2 용매를 완전히 제거한다.After the second dipping step, the porous catalyst carrier particles filled with the hydrophobic first solvent at the center portion and the hydrophilic solution containing the catalytically active substance in the vicinity of the surface are subjected to the second drying step, The hydrophobic first solvent filled in the inner pores of the carrier particles and the hydrophilic second solvent of the hydrophilic solution are completely removed.

상기 제2 건조단계의 온도와 시간은 특별히 한정되지 아니하며, 상기 소수성 제1 용매와 친수성 제2 용매가 촉매 담체 입자의 기공 내에서 충분히 제거될 정도의 온도와 시간이 바람직하며, 이러한 건조 온도와 시간은 통상의 기술자라면 기술적 어려움 없이 적절한 실험을 통해서 설정할 수 있는 것이다.The temperature and time of the second drying step are not particularly limited and the temperature and time are preferably such that the hydrophobic first solvent and the hydrophilic second solvent are sufficiently removed in the pores of the catalyst carrier particles, Can be set by an ordinary experimenter without any technical difficulty.

상기 제2 건조 단계를 통해, 촉매 담체의 내부 기공 영역 중에서 친수용 용액이 채워져 있던 영역에만 촉매 활성 물질이 잔류되며, 이어지는 소성 또는 환원 단계를 통해서, 상기 촉매 담체의 표면 부근에만 선택적으로 촉매 활성 물질이 담지 또는 함침될 수 있다.Through the second drying step, the catalytically active material remains only in the region of the inner pore region of the catalyst carrier where the hydrophilic solution is filled, and the catalytically active material selectively remains only in the vicinity of the surface of the catalyst carrier through the subsequent firing or reduction step. May be impregnated or impregnated.

도면 3(b)는 구형의 알루미나 촉매 담체 입자를 촉매 활성 입자 수용액인 코발트 니트레이트 0.5 M 수용액에 20 분간 침지한 후, 건조시킨 것이다. 20 분의 침지 단계를 통해서 촉매 담체 내부 전체가 검게 변화했고, 이는 알루미나 촉매 담체의 내부로 완전히 촉매 활성 입자 수용액이 침투했음을 의미하는 것이다. 이와 같이, 소수성 제1 용매를 사용하지 않고, 친수용 용액인 코발트 니트레이트 0.5 M 수용액을 사용하여 침지 단계를 거칠 경우 1 내지 3 분 이내에 촉매 활성 입자가 포함된 친수용 용액이 다공성 촉매 담체의 내부 기공 전체에 걸쳐 완전히 침투됨을 확인할 수 있었다.3 (b) shows spherical alumina catalyst carrier particles immersed in a 0.5 M aqueous solution of cobalt nitrate, an aqueous solution of catalytically active particles, for 20 minutes and then dried. Through the immersion step for 20 minutes, the whole interior of the catalyst carrier changed to black, which means that the aqueous solution of the catalyst active particle completely penetrated into the interior of the alumina catalyst carrier. When the immersion step is carried out using a 0.5 M aqueous solution of cobalt nitrate, which is a hydrophilic aqueous solution, without using the first hydrophobic solvent, the hydrophilic aqueous solution containing the catalytically active particles is immersed in the interior of the porous catalyst support It was confirmed that it was completely permeated throughout the pores.

다음과 같은 실험 조건을 사용하여 본 발명의 실시예와 비교예를 수행하였다.
Examples and Comparative Examples of the present invention were conducted using the following experimental conditions.

실시예 1 내지 4와 비교예의 실험 조건Experimental conditions of Examples 1 to 4 and Comparative Example 제1 건조온도
[℃]
First drying temperature
[° C]
제1 건조 시간
[분]
First drying time
[minute]
제2 침지 시간
[분]
Second immersion time
[minute]
참조 도면Reference drawing
비교예Comparative Example - - -- 2020 도 3(b) 3 (b) 실시예 1Example 1 130130 3030 1010 도 3(c)3 (c) 실시예 2Example 2 130130 120120 3030 도 3(d)3 (d) 실시예 3Example 3 150150 6060 3030 도 3(e)3 (e) 실시예 4Example 4 150150 6060 6060 도 3(f)3 (f)

(단 여기서는, 다공성 담체 입자는 다공성 알루미나이고, 소수성 제1 용매는 n-펜탄올이며, 친수용 용액으로는 0.5 M의 코발트 니트레이트 수용액이 사용되었다.)
(Here, the porous carrier particles are porous alumina, the first hydrophobic solvent is n-pentanol, and the aqueous solution of 0.5 M of cobalt nitrate aqueous solution is used as the hydrophilic solution).

본 발명의 비교예와 같이 친수용 용액만을 사용하여 침지한 경우에는 도 3(b)와 같이 촉매 담체 입자의 중심부 영역까지 내부 전체 기공으로 코발트 니트레이트(cobalt nitrate) 수용액이 침투했음을 알 수 있다. As shown in FIG. 3 (b), when the catalyst is immersed in only the hydrophilic solution as in the comparative example of the present invention, it can be seen that the aqueous solution of cobalt nitrate has penetrated into the entire interior pores up to the central region of the catalyst carrier particle.

본 발명의 실시예 1의 조건으로 제조된 촉매의 경우, 도 3(c)와 같이 코발트 니트레이트 전구체가 다공성 촉매 담체인 알루미나 입자의 표면부분만 존재하고 있음을 확인할 수 있다. In the case of the catalyst prepared under the conditions of Example 1 of the present invention, it can be seen that the cobalt nitrate precursor exists only on the surface portion of the alumina particles as the porous catalyst support as shown in FIG. 3 (c).

실시예 2의 경우, 실시예 1과 비교해볼 때, 제1 건조 단계의 건조시간이 길어진 조건으로 실험을 수행하였다. 도 3(d)에서 확인할 수 있듯이, 길어진 제1 건조 조건으로 인해 소수성 제1 용매의 잔류량이 감소하여, 최종적으로 실시예 1에 비해 촉매 활성 물질의 전구체인 코발트 니트레이드 전구체가 입자의 내부 더 안쪽까지 밀려 들어갔음을 확인할 수 있었다. In the case of Example 2, the experiment was conducted under conditions in which the drying time of the first drying step was longer than that of Example 1. As shown in FIG. 3 (d), the residual amount of the first hydrophobic solvent is decreased due to the elongated first drying condition, and finally the cobalt nitrate precursor, which is a precursor of the catalytically active substance, As shown in Fig.

이는 소수성 용매의 건조시간이 증가하면서 소수성 용매가 입자 내부에서 차지하는 부피가 감소하여 소수성 용매가 차지했던 중심부의 동심원이 줄어들었으며, 이렇게 줄어든 빈자리를 친수용 용액인 코발트 니트레이트 수용액이 차지하게 된 결과이며, 건조 조건을 조절함으로써 다공성 촉매 담체 내에 담지 또는 함침되는 촉매 활성 물질의 양을 조절할 수 있음을 시사하는 결과이다.This is because as the drying time of the hydrophobic solvent increases, the volume occupied by the hydrophobic solvent decreases inside the particle, thereby reducing the concentricity of the center portion occupied by the hydrophobic solvent, and the reduced vacancy is occupied by the aqueous solution of the cobalt nitrate , And that the amount of the catalytically active substance to be impregnated or impregnated in the porous catalyst carrier can be controlled by controlling the drying conditions.

도 3(e)와 도 3(f)는 각각 실시예 3과 실시예 4의 실험 결과를 각각 확인한 것으로, 친수용 용액의 침지 시간을 각각 30분과 60분으로 적용한 결과이다. 제2 침지시간이 증가할수록, 소수성 용매가 차지했던 자리를 나타내는 흰색 동심원이 매우 줄어들었음을 알 수 있었으며, 소수성 제1 용매인 펜탄올이 150 ℃의 제1 건조 조건으로 상당부분 제거되고, 촉매 활성 물질의 전구체인 코발트 니트레이트 수용액이 제거된 빈자리를 차지하였음을 확인할 수 있었다.FIG. 3 (e) and FIG. 3 (f) show the experimental results of Example 3 and Example 4, respectively. The results are obtained by applying the immersion time of the hydrophilic solution to 30 minutes and 60 minutes, respectively. As the second immersion time was increased, it was found that the white concentric circle indicating the position occupied by the hydrophobic solvent was greatly reduced, and the first hydrophobic solvent, pentanol, was largely removed under the first drying condition at 150 ° C., It was confirmed that the cobalt nitrate aqueous solution, which is the precursor of the material, occupied the vacant vacancies.

이와 같은 비교예와 실시예 1 내지 4를 통해, 다공성 촉매 담체의 내부 기공 영역에서 소수성 제1 용매가 제1 침지 단계를 통해 차지된 영역은 친수용 용액이 접근하지 못하는 것을 확인할 수 있었으며, 상기 소수성 제1 용매를 제거하는 제1 건조 조건의 제어를 통해 다공성 촉매 담체 내부 기공 영역에서 소수성 용매가 차지하는 부피가 조절되어, 촉매 활성 물질이 선택적으로 담지 또는 함침될 수 있음을 확인하였다. Through these Comparative Examples and Examples 1 to 4, it was confirmed that the hydrophilic first solvent in the inner pore region of the porous catalyst support was not accessible to the hydrophilic solution in the region occupied by the first immersion step, The volume of the hydrophobic solvent occupied by the pore region inside the porous catalyst carrier was controlled through the control of the first drying condition for removing the first solvent so that the catalytically active material could be selectively supported or impregnated.

특히, 상기 제1 건조 단계를 통해 촉매 담체 표면의 소수성 제1 용매와, 촉매 담체 표면에서 중심까지의 거리 중 1/5 내지 1/2 범위의 바깥쪽 내부 기공에 채워진 소수성 제1 용매가 제거될 수 있으며, 상기 제2 침지 단계를 거침으로써 상기 제1 건조 공정을 통해 소수성 제1 용매가 제거된 촉매 담체의 표면 영역과 촉매 담체의 표면에서 중심까지의 거리 중 4/5 내지 1/2 범위에 해당하는 안쪽 내부 기공을 소수성 용매로 채울 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
Particularly, through the first drying step, the first hydrophobic solvent, which is filled in the outer pores of 1/5 to 1/2 of the distance from the surface of the catalyst carrier to the center of the catalyst carrier, is removed The first hydrophobic solvent is removed from the surface area of the catalyst carrier from the surface of the catalyst carrier by a distance of 4/5 to 1/2 of the distance from the surface of the catalyst carrier through the first drying step It can be experimentally confirmed that the corresponding inner pores can be filled with a hydrophobic solvent.

다공성 촉매 담체의 내부 기공에 담지 또는 함침되는 촉매 활성 물질의 영역의 조절가능성과 주요 인자를 확인하기 위해, 소수성 제1 용매의 종류와 친수용 용액 내의 촉매 활성 물질의 농도를 달리하여 제1 건조시간, 제1 건조 온도 및 제2 함침 시간을 다음의 표 2와 같이 변화시켜 가면서, 최종 촉매 활성 물질이 담지 또는 함침되는 영역을 직접 관찰하였다(도 4).
In order to confirm the controllability and the main factors of the region of the catalytically active substance supported or impregnated in the inner pores of the porous catalyst carrier, the concentration of the catalytically active substance in the hydrophilic first solvent and the concentration of the catalytically active substance in the hydrophilic first solvent are different, , The first drying temperature and the second impregnation time were changed as shown in the following Table 2, and the area where the final catalytically active material was carried or impregnated was directly observed (FIG. 4).

실시예 5의 실험 조건Experimental conditions of Example 5 제1 건조 온도
[℃]
First drying temperature
[° C]
제1 건조 시간
[분]
First drying time
[minute]
제2 침지시간
[분]
Second immersion time
[minute]
참조 도면Reference drawing
실시예 5-1Example 5-1 9090 55 1010 도 4(a)4 (a) 실시예 5-2Example 5-2 9090 1010 1010 도 4(b)4 (b) 실시예 5-3Example 5-3 9090 1One 1010 도 4(c)4 (c) 실시예 5-4Examples 5-4 9090 1One 55 도 4(d)4 (d) 실시예 5-5Example 5-5 9090 55 55 도 4(e)4 (e) 실시예 5-6Examples 5-6 9090 1010 55 도 4(f)4 (f) 실시예 5-7Examples 5-7 5050 55 1010 도 4(g)4 (g) 실시예 5-9Examples 5-9 5050 1010 1010 도 4(h)4 (h)

(단 여기서는, 다공성 담체 입자는 다공성 알루미나이고, 소수성 제1 용매는 n-프로판올이며, 친수용 용액으로는 3 M의 코발트 니트레이트 수용액이 사용되었다.)
(Here, the porous carrier particles are porous alumina, the hydrophobic first solvent is n-propanol, and the aqueous solution of cobalt nitrate is used as the hydrophilic solution).

상기 실험 조건을 통해 제조한 촉매 담지 또는 함침 입자를 도 4(a) 내지 도4(f)를 통해 확인한 결과 제1 건조 온도(90 ℃)와 제2 침지 시간(10 분 또는 5 분)을 고정한 상태에서, 제1 건조 시간을 1 내지 10 분의 범위로 조절했을 때, 친수용 용액의 다공성 촉매 담체 입자의 내부 기공 안쪽으로의 침투 깊이가 증가하는 경향을 보였다. 소수성 제1 용매의 건조 시간을 조절함으로써, 촉매 활성 물질이 다공성 촉매 담체의 표면 부근에 담지 또는 함침되는 양을 효과적으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.4 (a) to 4 (f), the first drying temperature (90 ° C) and the second immersion time (10 minutes or 5 minutes) were fixed , The penetration depth into the inner pores of the porous catalyst carrier particles of the hydrophilic aqueous solution tended to increase when the first drying time was adjusted to the range of 1 to 10 minutes. It was confirmed that by controlling the drying time of the hydrophobic first solvent, the amount of the catalyst active material supported or impregnated in the vicinity of the surface of the porous catalyst support can be effectively controlled.

또한, 제1 건조 시간을 고정(5 분 또는 10 분)한 상태에서 제1 건조 온도를 변화시켜 가면서 촉매 활성 물질이 다공성 촉매 담체의 표면 부근에 담지 또는 함침되는 양의 변화를 관찰 할 수 있었다(실시예 5-1, 5-8 및 실시예 5-7, 5-2). 사용된 소수성 제1 용매의 끓는 점(97 ℃) 이하의 온도에서도 효과적으로 촉매 담체 입자의 표면 부근의 소수성 제1 용매가 제거됨을 확인할 수 있었으며, 다만 보다 높은 온도에서 건조 할 경우에는 낮은 온도에서 건조한 경우 보다 함침되는 촉매 활성 물질의 두께의 편차가 다소 증가하는 것을 확인할 수 있었다.Further, it was possible to observe a change in the amount of the catalyst active material carried or impregnated in the vicinity of the surface of the porous catalyst support while changing the first drying temperature while the first drying time was fixed (5 minutes or 10 minutes) ( Examples 5-1 and 5-8 and Examples 5-7 and 5-2). It was confirmed that the hydrophobic first solvent near the surface of the catalyst carrier particles was effectively removed even at a temperature below the boiling point (97 ° C) of the hydrophobic first solvent used. However, when the first hydrophobic solvent was dried at a higher temperature, It can be confirmed that the variation in the thickness of the catalytically active material impregnated is somewhat increased.

마지막으로, 제1 건조 조건의 건조 온도를 고정(90 ℃)하고, 제2 침지 시간을 변화시켜가면서(5 분, 10 분) 촉매 담체 표면 부근에 함침되는 촉매 활성 물질의 양의 변화를 관찰하였다(실시예 5-4, 5-3:제1 건조시간 1분; 실시예 5-5, 5-1:제1 건조 시간 5분; 실시예 5-6, 5-1:제1 건조시간 10분).Finally, the change of the amount of the catalytically active substance impregnated near the surface of the catalyst carrier was observed while the drying temperature of the first drying condition was fixed (90 DEG C) and the second immersion time was changed (5 minutes, 10 minutes) (Examples 5-4, 5-3: First Drying Time 1 min; Examples 5-5, 5-1: First Drying Time 5 min; Examples 5-6, 5-1: First Drying Time 10 minute).

상기 조건에 대해서 도 4(a) 내지 4(f)의 실험 결과를 확인해보면, 앞서 제1 건조 온도 및 시간의 변화에 비해 제2 침지 시간의 변화는 함침되는 촉매 활성 물질의 양에 크게 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다. 4 (a) to 4 (f), the change in the second immersion time compared to the change in the first drying temperature and time greatly affects the amount of the catalytically active substance impregnated I could see that it was insane.

이상과 같이 본 발명에서는 소수성 용매와 친수성 용매를 사용하여 다공성 촉매 담체의 표면 부근에 선택적으로 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체를 위치하도록 한 후, 촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체의 종류에 따라서 적절한 공지의 소성/환원 등의 단계를 거쳐 최종적으로 촉매 담체에서 촉매 활성 물질의 담지 또는 함침 영역이 제어된 촉매 입자을 제조할 수 있었으며, 상기 공정 단계별 공정 변수(제1 건조 온도 및 시간, 제2 침지 시간)의 제어를 통해서 촉매 담체 입자 표면에서 중심까지의 거리 중 1/5 내지 1/2 범위에 해당하는 촉매 담체 표면 부근의 내부 기공 영역에 선택적으로 촉매 활성 물질로 채울 수 있었다.
As described above, in the present invention, by selectively using a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent, a precursor of the catalytically active substance or the catalytically active substance is positioned near the surface of the porous catalyst carrier, and then the precursor of the catalytically active substance or the catalytically active substance Therefore, it is possible to produce catalytic particles in which the impregnation or impregnation region of the catalytically active substance is finally controlled in the catalyst carrier through the steps of firing / reduction and the like, and the process parameters (the first drying temperature and time, Immersion time), it was possible to selectively fill the inner pore region in the vicinity of the catalyst carrier surface, which corresponds to 1/5 to 1/2 of the distance from the surface of the catalyst carrier particle to the center, with the catalyst active material.

10: 촉매 담체
11: 소수성 제1 용매
13: 친수용 용액
14: 촉매 담지 또는 함침 영역
10: catalyst carrier
11: hydrophobic first solvent
13: Chlorophyll solution
14: Catalyst loading or impregnation zone

Claims (13)

구형 또는 실리더 형태의 다공성 무기 산화물을 촉매 담체로 준비하는 촉매 담체 준비 단계(S10);
소수성 제1 용매를 사용하여 상기 촉매 담체의 내부 기공을 채우는 제1 침지 단계(S100);
건조 공정을 통해 상기 촉매 담체의 표면 아래 영역의 내부 기공에 채워진 소수성 제1 용매를 제거함으로써, 상기 촉매 담체의 내부 중심 영역의 기공에는 상기 소수성 제1 용매를 잔류시키는 제1 건조 단계(S200);
촉매 활성 물질 또는 촉매 활성 물질의 전구체를 친수성 제2 용매에 녹여 친수용 용액을 제조한 후, 상기 제1 건조 단계를 거친 촉매 담체를 상기 친수용 용액에 담그는 제2 침지 단계(S300);
상기 촉매 담체에 잔류된 제1 용매와 친수용 용액을 제거하기 위한 제2 건조 단계(S400); 및
소성 또는 환원 공정을 통해, 제2 건조 단계 이후 잔류되는 상기 촉매 활성 물질 또는 상기 촉매 활성 물질의 전구체를 촉매 담체의 표면과 표면 아래의 내부 기공 영역에만 선택적으로 형성시키는 담지 또는 함침 단계(S500);를 포함하고,
상기 제2 침지 단계는, 상기 제1 건조 공정을 통해 소수성 제1 용매가 제거된 촉매 담체의 표면 영역과 촉매 담체의 표면에서 중심까지의 거리 중 1/5 내지 1/2 범위의 바깥쪽 내부 기공 영역을 친수용 용액으로 채움으로써 수행되며,
상기 친수성 제2 용매는 물이고, 상기 친수용 용액은 촉매 활성 물질 수용액 또는 촉매 활성 물질의 전구체 수용액이며,
상기 제2 건조 단계를 통해 상기 촉매 담체의 내부 기공에 존재하는 소수성 제1 용매와 친수성 제2 용매가 제거되는 것을 특징으로 하는, 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
(S10) a catalyst carrier preparation step of preparing a spherical or cylindrical porous inorganic oxide as a catalyst carrier;
A first immersion step (S100) of filling the internal pores of the catalyst carrier with a hydrophobic first solvent;
A first drying step (S200) of removing the hydrophobic first solvent in the pores of the area below the surface of the catalyst support through a drying process to thereby leave the hydrophobic first solvent in the pores of the inner central region of the catalyst support;
A second immersion step (S300) of immersing the catalytic active material or the precursor of the catalytic active material in a hydrophilic second solvent to prepare a hydrophilic aqueous solution and then immersing the catalyst carrier having undergone the first drying step in the hydrophilic aqueous solution;
A second drying step (S400) for removing the first solvent remaining in the catalyst carrier and the proton-accepting solution; And
A supporting or impregnating step (S500) of selectively forming the catalytically active substance remaining after the second drying step or the precursor of the catalytically active substance only through the surface of the catalyst carrier and the inner pore region beneath the surface of the catalyst carrier through firing or reduction processes; Lt; / RTI >
The second step of immersing may be performed in a range of 1/5 to 1/2 of the distance from the surface area of the catalyst carrier from which the hydrophobic first solvent has been removed to the center of the catalyst carrier through the first drying step, Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > aqueous solution,
Wherein the hydrophilic second solvent is water and the hydrophilic solution is an aqueous solution of a catalytically active substance or an aqueous solution of a precursor of a catalytically active substance,
Wherein the hydrophobic first solvent and the hydrophilic second solvent present in the inner pores of the catalyst carrier are removed through the second drying step, wherein the hydrophobic first solvent and the hydrophilic second solvent are removed through the second drying step. Way
제1항에 있어서,
상기 다공성 무기 산화물은 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 세리아로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
Wherein the porous inorganic oxide is at least one or more selected from the group consisting of silica, alumina, titania, zirconia, and ceria, and a method for supporting a selective surface of a catalytically active material using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent
제1항에 있어서,
상기 제1 침지 단계는 상기 촉매 담체가 소수성 제1 용매에 침지됨으로써, 표면과 내부 기공이 상기 소수성 제1 용매로 채워지는 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
Wherein the first immersion step comprises immersing the catalyst carrier in the hydrophobic first solvent so that the surface and the inner pores are filled with the hydrophobic first solvent. Surface bearing method
제1항에 있어서,
상기 제1 건조 단계의 건조 온도는 상기 소수성 제1 용매의 끓는점을 기준으로 50 ℃낮은 온도에서 50 ℃ 높은 온도 사이의 범위에서 선택되고, 건조 시간은 1분 내지 120분의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
The drying temperature in the first drying step is selected from the range of 50 ° C lower to 50 ° C higher than the boiling point of the hydrophobic first solvent and the drying time is selected in the range of 1 minute to 120 minutes A method for supporting a selective surface of a catalytically active substance using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent
제1 항에 있어서,
상기 제1 건조 단계는 촉매 담체 표면의 소수성 제1 용매와, 촉매 담체 표면에서 중심까지의 거리 중 1/5 내지 1/2 범위의 바깥쪽 내부 기공에 채워진 소수성 제1 용매를 제거하는 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
Wherein the first drying step removes the first hydrophobic solvent which is filled in the outer pores of the first hydrophobic solvent on the surface of the catalyst carrier and the outer pores of the range of 1/5 to 1/2 of the distance from the surface of the catalyst carrier to the center Of selectively supporting a catalytically active substance using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent
제1항에 있어서,
상기 촉매활성물질 혹은 촉매활성물질의 전구체는 백금, 류테늄, 로듐, 코발트, 니니켈, 팔라듐 중 어느 하나의 금속염 또는 금속염 전구체인 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
Wherein the precursor of the catalytically active substance or the catalytically active substance is a metal salt or a metal salt precursor of any one of platinum, ruthenium, rhodium, cobalt, nickel, and palladium, and a catalytically active substance using a repulsive force between the hydrophilic solvent and the hydrophobic solvent. Of selective surface carrying method
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 소수성 제1 용매는 n-프로판올, n-부탄올, n-펜탄올, n-헥산올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜과 이들의 유도체 및 이성질체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
Wherein the hydrophobic first solvent is at least one selected from the group consisting of n-propanol, n-butanol, n-pentanol, n-hexanol, ethylene glycol, propylene glycol, and derivatives and isomers thereof. Of selectively supporting a catalytically active substance using a repulsive force between a hydrophobic solvent and a hydrophobic solvent
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제2 침지 단계의 침지 시간은 1분 내지 60분의 범위인 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
Wherein the immersing time in the second immersing step is in the range of 1 minute to 60 minutes. The method for supporting a selective surface of a catalytically active substance using a repulsive force between a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent
제1항에 있어서,
상기 제1 침지 단계에서, 상기 소수성 제1 용매가 촉매 담체 입자의 내부 기공을 채울 수 있도록 초음파 처리(sonication)가 수행되는 것을 특징으로 하는 친수성 용매와 소수성 용매 사이의 반발력을 이용한 촉매활성물질의 선택적 표면 담지 방법
The method according to claim 1,
In the first immersion step, sonication is performed so that the hydrophobic first solvent can fill in the inner pores of the catalyst carrier particles. The hydrophobic solvent may be selected from the group consisting of Surface bearing method
삭제delete
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