KR20150109607A - Ordered Mesoporous Rhenium-copper-carbon Composite Catalyst, Preparation Method Thereof, and Production Method for 1,4-Butanediol Using Said Catalyst - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 규칙적인 중형기공구조를 갖는 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매를 숙신산(succinic acid)의 수소화 반응에 적용하여 고부가가치 C4 화합물인 1,4-부탄디올(1,4-butanediol)을 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소 대비 귀금속의 중량비가 1 wt% 내지 10 wt%, 탄소 대비 전이금속의 중량비가 1 wt% 내지 30 wt% 범위로 포함되는 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매, 그 제조방법 및 상기 촉매를 이용한 숙신산의 수소화 반응으로부터 1,4-부탄디올 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing 1,4-butanediol, which is a high-value C4 compound, by applying a noble metal-transition metal-carbon composite catalyst having a regular mesoporous structure to a hydrogenation reaction of succinic acid More particularly, the present invention relates to a noble metal-transition metal-carbon composite catalyst in which the weight ratio of the noble metal to the carbon is 1 wt% to 10 wt% and the weight ratio of the transition metal to the transition metal is 1 wt% to 30 wt% And a process for producing 1,4-butanediol from the hydrogenation reaction of succinic acid using the catalyst.
1,4-부탄디올은 다양한 화학산업에서 널리 사용되고 있는 화학물질로 현재 그 시장 규모는 지속적으로 증가하고 있다. 1,4-부탄디올은 대표적으로 PBT (polybutylene terephthalate) 및 PBS (polybutylene succinate)와 같은 고분자 수지의 원료뿐만 아니라 공업용 플라스틱, 고탄성 섬유, 광학 필름, 그리고 폴리우레탄 등 고부가가치 물질의 원료에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. [J. G. Zeikus, M. K. Jain, P. Elankovan, Appl. Microbiol. Biotechnol., 51권 545쪽 (1999), P. Gallezot, Chem. Soc. Rev., 41권 1538쪽 (2012)]1,4-butanediol is a chemical widely used in various chemical industries and its market size is continuously increasing. 1,4-butanediol is widely used not only as a raw material for polymer resins such as polybutylene terephthalate (PBT) and polybutylene succinate (PBT) but also as a raw material for high value added materials such as industrial plastics, high elastic fibers, optical films and polyurethane . [J. G. Zeikus, M. K. Jain, P. Elankovan, Appl. Microbiol. Biotechnol., 51, 545 (1999), P. Gallezot, Chem. Soc. Rev., Vol. 41, p. 1538 (2012)]
현재 1,4-부탄디올은 포름알데히드(formaldehyde)와 아세틸렌(acetylene)을 이용한 고압 공정[US7759531B2], 말레산무수물(maleic anhydride)의 수소화 공정[US7935834B2], 산화프로필렌(propylene oxide)의 수소화 공정[Z. Xu, B. -H. Guo, Biotechnol. J., 5권 1149호 (2010)] 등의 상용 공정을 통해 제조되고 있다. 상기 공정을 이용한 1,4-부탄디올의 생산은 화석연료 기반의 반응물을 사용하므로 국제 원유가 상승에 따른 수급 불균형에 취약한 실정이며, 온실 가스 배출과 같은 환경 문제도 수반되고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위한 대체공정의 중요성이 증가하면서 친환경원료인 바이오매스를 반응물로 사용하는 새로운 촉매 공정이 크게 각광받고 있다.At present, 1,4-butanediol is used in a high pressure process using formaldehyde and acetylene [US7759531B2], a hydrogenation process of maleic anhydride [US7935834B2], a hydrogenation process of propylene oxide [Z . Xu, B. -H. Guo, Biotechnol. J., 5, 1149 (2010)]. Since 1,4-butanediol is produced using fossil fuel-based reactants, it is vulnerable to supply-demand imbalance due to the rise in international oil prices, and environmental problems such as greenhouse gas emissions are also accompanied. Therefore, a new catalyst process using biomass, an eco-friendly raw material, as a reactant has been greatly appreciated as an alternative process for overcoming such problems is increasing in importance.
숙신산은 석유화학제품 생산을 위한 대표적인 플랫폼 화합물로서, 최근 바이오매스 발효공정의 발달로 인해 부탄 기반 말레산무수물과 가격 경쟁이 가능한 단계에 도달했다. [KR1103839B1, KR1221557B1] 그러나, 이렇게 제조된 숙신산을 원료로 하여 효율적으로 C4 화합물(감마 부티로락톤, 사수소화퓨란, 1,4-부탄디올)을 제조가능한 촉매 공정 개발은 아직까지 미비한 실정이다.Succinic acid is a representative platform compound for the production of petrochemical products and has recently reached a stage where price competition with butane-based maleic anhydride is possible due to the development of the biomass fermentation process. However, the development of a catalyst process capable of efficiently producing C4 compounds (gamma butyrolactone, 1,4-butanediol, and 1,4-butanediol) using succinic acid thus produced has not been developed yet.
숙신산은 일반적으로 고온 고압에서 수소화 반응을 통해 C4 화합물(감마 부티로락톤, 사수소화퓨란, 1,4-부탄디올)로 전환된다. 이때, 안정성이 낮은 사슬 구조의 1,4-부탄디올은 고리 구조인 다른 물질들에 비해 상대적으로 제조가 어렵기 때문에 적절한 선택성을 가지는 활성 금속이 요구된다. 또한, 숙신산의 카르복실산 작용기는 금속 산화물과 같은 정전기적 특성의 촉매를 사용할 경우 부반응을 일으킬 수 있으므로 가급적 사용되지 않는다. Succinic acid is generally converted to C4 compounds (gamma butyrolactone, 1,4-butanediol, and 1,4-butanediol) through hydrogenation at high temperatures and pressures. At this time, 1,4-butanediol having a low-stability chain structure is required to be an active metal having suitable selectivity because it is relatively difficult to manufacture compared with other materials having a cyclic structure. In addition, the carboxylic acid functional group of succinic acid is not used as it may cause side reactions when a catalyst having electrostatic characteristics such as metal oxide is used.
다양한 귀금속 담지 촉매를 이용한 숙신산의 전환 기술을 살펴볼 경우 루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐, 레늄 [C. Delhomme et al., Green Chem., 11권 13쪽 (2009), I. Bechthold et al., Chem. Eng. Technol., 31권 647쪽 (2008), A. Cukalovic et al., Biofuels Bioprod. Bioref., 2권 505쪽 (2008)] 등이 반응 활성을 보였으며, 담체로는 수소화 반응에 관여하지 않고 부반응이 발생하지 않는 탄소계 물질을 사용되었다. 상기 문헌들에 의하면 숙신산의 수소화 반응은 일반적인 전이금속 촉매에 비해 귀금속 촉매 하에서 우수한 반응 활성을 보였으나, 특정한 생성물만을 선택적으로 제조하기 위한 2종 이상의 복합 금속 촉매에 대한 연구는 부족한 실정이다.In view of the conversion of succinic acid using various noble metal-supported catalysts, ruthenium, palladium, platinum, rhodium, rhenium [C. Delhomme et al., Green Chem., Vol. 11, p. 13 (2009), I. Bechthold et al., Chem. Eng. Technol., Vol. 31, p. 647 (2008), A. Cukalovic et al., Biofuels Bioprod. Bioref., Vol. 2, p. 505 (2008)]. Carbon-based materials that do not participate in the hydrogenation reaction and do not undergo side reactions are used as the carrier. According to these documents, the hydrogenation reaction of succinic acid shows excellent reaction activity under precious metal catalysts as compared with general transition metal catalysts, but research on two or more kinds of metal complex catalysts for selectively producing specific products is insufficient.
그 이유로는 상기에서 언급했듯이, 기존의 귀금속 촉매를 이용한 1,4-부탄디올 생산은 숙신산이 고리화되어 감마 부티로락톤으로 전환된 후 다시 재사슬화되는 과정이기 때문에, 열역학적으로 고온 고압에서는 진행되기 어렵다. 따라서, 1,4-부탄디올을 효율적으로 생산하기 위해서는 숙신산의 사슬이 고리화되지 않도록 카르복실산 작용기(-COOH) 중 카르보닐(C=O) 그룹만 선택적으로 수소화시키는 새로운 반응기작에 대한 연구가 쟁점으로 대두되었다. As mentioned above, the 1,4-butanediol production using the conventional noble metal catalyst is a process in which succinic acid is cyclized and converted to gamma butyrolactone and then re-chained again. Therefore, the process proceeds thermodynamically at high temperature and high pressure it's difficult. Therefore, in order to efficiently produce 1,4-butanediol, a new reaction mechanism for selectively hydrogenating only the carbonyl (C = O) group in the carboxylic acid functional group (-COOH) is proposed so that the chain of succinic acid is not cyclized It has emerged as an issue.
이에 본 발명자들은 용매로 메탄올을 사용하여 도 1에 도시된 바와 같이 디메틸숙시네이트(dimethyl succinate)를 거치는 반응 경로를 도입하였다. 숙신산이 귀금속 촉매 상에서 메탄올과 반응하여 디메틸숙시네이트로 전환되는 메틸화 반응은 숙신산에서 감마 부티로락톤으로 전환되는 고리화 반응보다 우선적으로 일어나며, 디메틸숙시네이트는 저가의 전이금속 촉매 상에서 탈메틸화되는 성질이 있기 때문에 숙신산의 고리화-재사슬화 경로보다 온화한 반응조건에서 1,4-부탄디올을 생산할 수 있다는 장점을 가진다.Thus, the present inventors introduced a reaction pathway through dimethyl succinate as shown in FIG. 1 using methanol as a solvent. The methylation reaction in which succinic acid is converted to dimethyl succinate by reacting with methanol on a noble metal catalyst takes precedence over the cyclization reaction in which succinic acid is converted to gamma butyrolactone and dimethyl succinate is demethylated on a low cost transition metal catalyst It has an advantage that 1,4-butanediol can be produced under gentle reaction conditions rather than cyclization-reslazed path of succinic acid.
그러나 상기 반응 경로를 위해 제조되었던 기존의 귀금속 담지 촉매들은 제조 과정이 복잡하고, 담지된 금속의 분산도 및 안정성이 떨어진다는 단점이 있다. 이에 본 발명자들은 기존의 계면활성-주형법을 개선시킴으로써 탄소 제조 과정에서 귀금속 전구체와 전이금속 전구체를 모두 주입하여 단일단계(one-step)로 제조되는 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매의 제조법을 개발하는 것을 목표로 삼았다. 또한, 상기 촉매를 이용한 숙신산의 수소화 반응을 통해 1,4-부탄디올을 선택적으로 제조함으로써 기존의 반응 시스템보다 높은 1,4-부탄디올 수율을 달성하는 것을 목표로 삼았다.However, existing noble metal supported catalysts prepared for the above reaction path have a disadvantage in that the production process is complicated and the dispersibility and stability of the supported metal are poor. Accordingly, the present inventors have developed a process for preparing a noble metal-transition metal-carbon composite catalyst prepared by one step by injecting both a noble metal precursor and a transition metal precursor in the course of carbon manufacturing by improving the existing surfactant-casting method I aimed to do. In addition, 1,4-butanediol is selectively produced through hydrogenation of succinic acid using the catalyst, thereby achieving higher 1,4-butanediol yield than the conventional reaction system.
따라서 본 발명의 목적은 규칙적인 중형기공구조를 갖는 귀금속-전이금속-탄소 복합체를 단일단계로 간편하게 제조하여, 탄소 고유의 우수한 물리화학적 특성은 살리면서 귀금속과 전이금속의 분산도를 극대화할 수 있는 고효율 숙신산 수소화 촉매를 개발하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 개발된 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매를 숙신산의 수소화 반응에 적용하여 높은 선택도를 갖는 1,4-부탄디올 제조 공정을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a noble metal-transition metal-carbon composite having a regular mesoporous structure, which can be easily produced in a single step, maximizing the dispersion of noble metal and transition metal while retaining excellent physico- And to develop high efficiency succinic acid hydrogenation catalyst. Another object of the present invention is to provide a process for producing 1,4-butanediol having a high selectivity by applying the developed noble metal-transition metal-carbon composite catalyst to the hydrogenation reaction of succinic acid.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 계면활성-주형법을 이용하여 귀금속과 전이금속을 함께 합성시켜 각각의 금속이 골고루 분산되어 있는 귀금속-전이금속-탄소 복합체의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing a noble metal-transition metal-carbon composite in which a noble metal and a transition metal are synthesized by using a surfactant-casting method and each metal is uniformly dispersed.
상기 제조방법은 다음 단계로 포함하며The manufacturing method includes the following steps
ⅰ) 산 용액에 계면활성제, 탄소 전구체, 귀금속 전구체, 전이금속 전구체 및 계면활성제를 용해시킨 후, 실리카 전구체를 첨가하여 탄소/귀금속/전이금속/계면활성제/실리카 복합체를 제조하는 단계; I) dissolving a surfactant, a carbon precursor, a noble metal precursor, a transition metal precursor and a surfactant in an acid solution, and then adding a silica precursor to prepare a carbon / noble metal / transition metal / surfactant / silica complex;
ⅱ) 상기 복합체를 건조시키는 단계; Ii) drying said complex;
ⅲ) 상기 건조된 탄소/귀금속/전이금속/계면활성제/실리카 복합체를 열처리 하여 탄소 성분을 완전 탄소화하여 탄소/귀금속/전이금속/실리카 복합체를 얻는 단계; Iii) heat-treating the dried carbon / noble metal / transition metal / surfactant / silica complex to completely carbonize the carbon component to obtain a carbon / noble metal / transition metal / silica composite;
ⅳ) 상기 탄소화된 탄소/귀금속/전이금속/실리카 복합체에서 실리카 주형을 제거함으로써 귀금속과 전이금속이 골고루 분산된 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And iv) obtaining a noble metal-transition metal-carbon composite catalyst in which a noble metal and a transition metal are uniformly dispersed by removing the silica template from the carbonized carbon / noble metal / transition metal / silica complex.
여기서 상기 ⅱ)단계의 건조는 약 100℃의 공기 분위기하에서, ⅲ)단계의 탄소화는 800 내지 1000℃의 질소 분위기하에서 수행될 수 있으며, 상기 ⅳ)단계의 실리카 주형의 제거는 불산을 사용하여 수행될 수 있다. The drying of step ii) may be performed under an air atmosphere at about 100 ° C, the carbonization in step iii) may be performed in a nitrogen atmosphere at 800 to 1000 ° C, and the removal of the silica template in step iv) .
상기 귀금속은 레늄, 루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상이며, 상기 선택된 금속의 함량은 환원된 금속을 기준으로 탄소전구체와 계면활성제에 포함된 전체 탄소 질량의 1 내지 10% 범위인 것을 특징으로 하며, 상기 전이금속은 구리, 니켈, 아연, 주석으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상이며, 상기 선택된 금속의 함량은 환원된 금속을 기준으로 탄소전구체와 계면활성제에 포함된 전체 탄소 질량의 1 내지 30% 인 것을 특징으로 한다.Wherein the noble metal is at least one selected from the group consisting of rhenium, ruthenium, palladium, platinum and rhodium, and the content of the selected metal is 1 to 10% of the total carbon mass contained in the carbon precursor and the surfactant, Wherein the transition metal is at least one selected from the group consisting of copper, nickel, zinc and tin, and the content of the selected metal is selected from the group consisting of carbon precursor and total carbon And 1 to 30% of the mass.
상기 귀금속의 함량이 상기 범위에 미달하면 촉매의 활성이 미흡하며, 상기 범위를 초과하면 금속의 뭉침 현상이 과대해진다. If the content of the noble metal is less than the above range, the activity of the catalyst is insufficient. If the content of the noble metal exceeds the above range, the aggregation of the metal becomes excessive.
또한, 본 발명은 상기 귀금속-전이금속-탄소 복합체의 기공부피가 0.5 cm3/g내지 2.0 cm3/g이고, 비표면적이 500 m2/g내지 1800 m2/g인 매우 큰 기공부피와 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하며, 규칙적인 기공 구조를 가지는 탄소 복합체 촉매를 제공한다.In addition, the present invention is characterized in that the noble metal-transition metal-carbon composite has a pore volume of 0.5 cm 3 / g to 2.0 cm 3 / g and a very large pore volume having a specific surface area of 500 m 2 / g to 1800 m 2 / And has a specific surface area, and provides a carbon composite catalyst having a regular pore structure.
또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기공성 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매의 존재 하에 숙신산을 150 내지 250 ℃ 온도 와 60 내지 100 bar 범위의 온화한 온도, 압력 조건에서 반응시키는 단계를 포함하는 숙신산의 수소화 반응에 의한 1,4-부탄디올의 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for preparing succinic acid, which comprises reacting succinic acid in the presence of a porous noble metal-transition metal-carbon composite catalyst at a temperature of from 150 to 250 ° C. and a mild temperature and pressure of from 60 to 100 bar To produce 1,4-butanediol by hydrogenation reaction of succinic acid.
본 발명에서 단일단계(one-step) 계면활성-주형법으로 제조된 귀금속과 전이금속이 포함된 기공성 탄소 복합체는 탄소 물질 자체의 규칙적인 기공 구조와 높은 비표면적 등 우수한 물리적 특성이 그대로 유지되기 때문에 귀금속과 전이금속의 분산도가 극대화된다.In the present invention, the porous carbon composite material containing noble metal and transition metal prepared by the one-step surfactant-casting method has excellent physical properties such as regular pore structure and high specific surface area of the carbon material itself Therefore, the degree of dispersion of the noble metal and the transition metal is maximized.
또한 본 발명에서 상기 복합체 촉매를 이용하여 액상에서 숙신산의 수소화 반응을 수행하는 경우, 전이금속이 포함된 중형기공성 탄소담체에 귀금속이 담지된 담지촉매보다 높은 수율로 1,4-부탄디올을 제조할 수 있다.In the present invention, when succinic acid is hydrogenated in a liquid phase using the composite catalyst, 1,4-butanediol is produced at a higher yield than a supported catalyst in which a noble metal is supported on a mesoporous carbon support containing a transition metal .
도 1은 숙신산으로부터 디메틸숙시네이트를 거쳐 1,4-부탄디올로 전환되는 반응기작을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소에 레늄과 구리가 포함된 촉매(Re-Cu-MC, Re/Cu-MC, Cu/Re-MC, Re/Cu/MC)들의 질소 흡탈착 분석 곡선을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소에 레늄과 구리가 포함된 촉매(Re-Cu-MC, Re/Cu-MC, Cu/Re-MC, Re/Cu/MC)들의 고분해능-투과전자현미경(HR-TEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄소에 레늄과 구리가 포함된 촉매(Re-Cu-MC, Re/Cu-MC, Cu/Re-MC, Re/Cu/MC)들 하에서 숙신산으로부터 1,4-부탄디올로의 촉매활성을 나타낸 것이다.1 shows the reaction mechanism in which succinic acid is converted to 1,4-butanediol via dimethyl succinate.
2 is a graph showing nitrogen adsorption / desorption analysis curves of catalysts containing Re and Cu in the carbon according to the present invention (Re-Cu-MC, Re / Cu-MC, Cu / Re-MC and Re / Cu / MC) .
3 shows the results of a high resolution-transmission electron microscope (HR-NMR) analysis of the catalysts containing Re and Cu in the carbon (Re-Cu-MC, Re / Cu-MC, Cu / Re- TEM) images.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the concentration of succinic acid and the amount of 1,4-butanediol (Re-Cu-MC, Re / Cu-MC, Cu / Re-MC and Re / Cu / MC) ≪ / RTI >
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명은 귀금속과 전이금속이 포함된 규칙적인 중형기공성 탄소 복합체 촉매의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 촉매와 이를 사용한 숙신산으로부터의 1,4부탄디올의 제조에 관한 것이다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The present invention relates to a process for preparing a regular mesoporous carbon composite catalyst containing a noble metal and a transition metal, a catalyst prepared by the process, and the production of 1,4 butanediol from succinic acid using the catalyst.
단일단계(one-step) 계면활성-주형법으로 제조된 탄소 복합체는 우수한 물리적 특성을 보이며 귀금속과 전이금속이 고르게 분산되는 효과를 가지므로 숙신산으로부터 디메틸숙시네이트를 거쳐 1,4-부탄디올을 제조하는데 효과적이다. 현재까지 본 발명의 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매를 이용하여 숙신산의 수소화 반응을 수행한 사례는 보고된 바가 없다. The carbon composite prepared by the one-step surfactant-casting method exhibits excellent physical properties and has an effect of evenly dispersing the noble metal and the transition metal. Therefore, 1,4-butanediol is produced from succinic acid through dimethyl succinate effective. There has been no report on the hydrogenation reaction of succinic acid using the noble metal-transition metal-carbon composite catalyst of the present invention.
본 발명에 따른 규칙적인 중형기공구조(Mesoporous structure)를 갖는 귀금속-전이금속-탄소 복합체를 제조하는 방법은 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 40 ℃ 증류수에 염산이나 황산 등의 산성 물질과 탄소 전구체, 계면활성제, 귀금속 전구물질, 전이금속 전구물질을 투입한 후, 주형물질로서 실리카 전구체를 서서히 첨가하여 산 분위기 하에 탄소 전구체/귀금속전구체/전이금속전구체/계면활성제/실리카주형물질의 복합체 용액을 제조한다. The method for producing the noble metal-transition metal-carbon composite having the regular mesoporous structure according to the present invention will be described in more detail as follows. First, an acidic substance such as hydrochloric acid or sulfuric acid, a carbon precursor, a surfactant, a noble metal precursor, and a transition metal precursor are added to distilled water at 40 ° C, and then a silica precursor is gradually added as a template material to prepare a carbon precursor / / Transition metal precursor / surfactant / silica template material.
상기 탄소 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 일반적으로 고온 고압 하에 수산화기가 탈수 반응되어 탄소화 될 수 있는 당류 물질(글루코오스, 수크로오스)이 주로 사용되며, 탄산나트륨, 수산화칼륨 등 합성 촉매를 이용하여 탈수소/탈수 반응될 수 있는 고리형 물질(푸르푸릴알콜, 레조시놀, 멜라민) 등을 사용할 수 있다. The carbon precursor is generally used in the art. Generally, a saccharide material (glucose, sucrose) which can be carbonized by dehydration reaction of a hydroxyl group under a high temperature and high pressure is mainly used, and a synthetic catalyst such as sodium carbonate, Cyclic substances (furfuryl alcohol, resorcinol, melamine) which can be dehydrogenated / dehydrated can be used.
상기 귀금속전구체는 종류에 특별히 제한을 두지 않으며 숙신산의 수소화에 반응 활성이 있다고 알려진 레늄, 루테늄, 팔라듐, 백금, 로듐 등으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 상기 귀금속 전구체를 환원된 금속을 기준으로 계산하여 탄소전구체와 계면활성제에 포함된 전체 탄소 질량의 1 내지 10% 범위에서 맞추어 사용하면 된다. The noble metal precursor is not particularly limited, and one or more of the noble metal precursors selected from the group consisting of rhenium, ruthenium, palladium, platinum, and rhodium, which are known to have a reaction activity to hydrogenation of succinic acid, It may be used in a range of 1 to 10% of the total carbon mass contained in the carbon precursor and the surfactant.
또한, 상기 전이금속전구체 역시 종류에는 특별히 제한을 두지 않으며 디메틸숙시네이트의 전환에 반응 활성이 있다고 알려진 구리, 니켈, 아연, 주석 등으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 전이금속을 환원된 금속을 기준으로 계산하여 탄소전구체와 계면활성제에 포함된 전체 탄소 질량의 1 내지 30% 범위에서 맞추어 사용하면 된다. Also, the transition metal precursor is not particularly limited, and one or more transition metals selected from the group consisting of copper, nickel, zinc, and tin, which are known to have a reactive activity to the conversion of dimethyl succinate, It may be used in a range of 1 to 30% of the total carbon mass contained in the carbon precursor and the surfactant.
각각의 전구체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로써 특별히 한정하지는 않는다. 또한, 실리카 전구체 역시 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으며, 용매에 따라 TEOS 혹은 콜로이달 실리카(colloidal silica) 등 용매에 잘 용해될 수 있는 정도에 따라 자유롭게 사용할 수 있다. 계면활성제로 사용되는 물질은 특별히 제한되지 않으며 실리카 주형의 제거 및 계면활성제의 탄소화 후 얻어지는 탄소 복합체에 형성된 기공이 중형기공을 가질 수 있는 것이면 어느 것이나 사용 가능하다. 상기 계면활성제의 바람직한 예로는 플루로닉계 또는 테트로닉계 블록 공중합체(Block Copolymer)인 F108, F98, F88, P123, P105 및 P104 등을 사용할 수 있다.Each precursor is not particularly limited as it is commonly used in the art. The silica precursor is also commonly used in the art and is not particularly limited. The silica precursor may be freely used depending on the solvent, such as TEOS or colloidal silica. The material used as the surfactant is not particularly limited, and any material can be used as long as the pores formed in the carbon composite material obtained after the removal of the silica template and the carbonization of the surfactant can have the mesopores. Preferred examples of the surfactant include F108, F98, F88, P123, P105 and P104, which are pluronic or tetronic block copolymers.
상기 증류수에 부가되는 산은 염산 등의 강산을 사용하며, 용매 기준 1 내지 5 몰농도 범위로 강산을 첨가한다. 상기 산의 사용량은 상기 몰농도 범위 내에서 탄소전구체/귀금속전구체/전이금속전구체/계면활성제/실리카 복합체를 형성하기 위한 적정량을 사용하면 되며, 합성촉매와 탄소 전구체의 양에 따라 적절히 그 양을 변화시켜 사용할 수 있다.The acid added to the distilled water is a strong acid such as hydrochloric acid, and a strong acid is added in a concentration range of 1 to 5 moles based on the solvent. The amount of the acid used may be an appropriate amount to form the carbon precursor / noble metal precursor / transition metal precursor / surfactant / silica complex within the molar concentration range, and the amount of the acid may be suitably changed depending on the amount of the synthesis catalyst and the carbon precursor .
다음으로 상기 용액을 100℃ 정도의 온도에서 예를 들어 48시간 동안 충분히 건조시킨다. 상기 충분히 건조된 탄소전구체/귀금속전구체/전이금속전구체/계면활성제/실리카 복합체를 질소 분위기 하 800 내지 1000 ℃ 에서 최종적으로 열처리 하여 귀금속/전이금속/탄소/실리카 복합체를 소성한 뒤 5 % 불산 용액으로 처리하여 실리카 성분이 제거된 전이금속이 포함된 기공성 탄소 담체를 제조한다.Next, the solution is sufficiently dried at a temperature of about 100 DEG C for 48 hours, for example. The noble metal / transition metal / carbon / silica composite is calcined by finally heat-treating the fully dried carbon precursor / noble metal precursor / transition metal precursor / surfactant / silica complex under nitrogen atmosphere at 800 to 1000 ° C, To prepare a porous carbon support containing the transition metal from which the silica component has been removed.
다음으로 상기 제조된 귀금속/전이금속/탄소 복합체를 질소 분위기 하 500 내지 700 ℃ 에서 질소 대비 5 내지 10 % 의 수소가스로 환원처리 하여 최종적으로 전이금속과 귀금속이 촉매활성을 나타낼 수 있는 복합체 촉매를 얻는다. 이때, 수소 처리 온도는 상기 제조 과정의 소성온도 범위인 800 ℃ 이하에서 수행하는 것이 바람직하며, 정확한 온도는 귀금속의 종류에 따라 승온수소환원 실험(temperature programmed reduction)에 의해 결정할 수 있다.Next, the noble metal / transition metal / carbon composite prepared above is reduced with hydrogen gas at 5 to 10% relative to nitrogen at 500 to 700 ° C under a nitrogen atmosphere to finally produce a composite catalyst capable of exhibiting catalytic activity of transition metals and noble metals . At this time, it is preferable to perform the hydrogen treatment at a temperature of 800 ° C or lower, which is the calcination temperature range of the above-mentioned production process, and the accurate temperature can be determined by temperature programmed reduction depending on the kind of the noble metal.
한편 본 발명은 숙신산을 수소화 반응시켜 1,4-부탄디올을 제조하는 방법과 상기 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매 존재 하에 수소화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 1,4-부탄디올 제조 공정을 제공한다. 본 공정은 일반적으로 적당한 온도와 압력 범위에서 회분식 반응으로 수행되고, 상세하게는 150 ℃ 내지 400 ℃ 의 온도와 30 bar 내지 200 bar 의 압력 범위에서 수행되지만, 주 공정조건은 300 ℃, 100 bar 이하의 온화한 온도 및 압력 범위에서 수행되는 것이 경제적으로 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 200 ℃ 및 80 bar 의 압력 조건에서 숙신산의 수소화 반응을 수행하였는데, 250 ℃ 이상 온도의 조건에서도 반응이 가능하나 온도가 높아질수록 숙신산의 사슬이 열분해되어 C4 화합물의 형성에 방해가 되므로 적절한 온도, 압력 및 시간을 설정하는 것은 1,4-부탄디올의 생산성을 조절할 수 있는 중요한 요소이다. The present invention also provides a process for preparing 1,4-butanediol by subjecting succinic acid to a hydrogenation reaction and a process for producing 1,4-butanediol, wherein hydrogenation is carried out in the presence of the noble metal-transition metal-carbon composite catalyst. The present process is generally carried out in a batch reaction at a suitable temperature and pressure range, and more specifically, at a temperature of 150 to 400 캜 and a pressure range of 30 to 200 bar, but the main process conditions are 300 캜, 100 bar or less It is economically advantageous to carry out the process at a mild temperature and pressure range. Therefore, in the present invention, succinic acid is hydrogenated at a pressure of 200 ° C. and 80 bar. Although the reaction can be carried out at a temperature of 250 ° C. or higher, the chain of succinic acid is thermally decomposed as temperature increases, Setting the appropriate temperature, pressure and time is an important factor that can control the productivity of 1,4-butanediol.
또한, 본 발명에서 숙신산을 1,4-부탄디올로 전환하는 공정은 액상에서 전환율과 반응기 부피를 고려하여 수행하며, 과열시키지 않는 액상 공정이므로 탄소 침적에 의한 촉매 활성의 저하도 없기 때문에 촉매 재생이 용이하다. 본 촉매 반응공정은 액상 용매에 반응물인 숙신산을 용해하여 고체 촉매를 사용하는 비균일계(heterogeneous) 반응이고, 용매는 벤젠, 톨루엔 및 자이렌과 같은 방향족 물질, 디옥산 등의 불활성 용매 하에서 숙신산으로부터 디메틸숙시네이트로 전환을 위하여 메탄올을 적절히 혼합하여 사용할 수 있다. 반응기의 교반은 마그네틱 드라이브를 사용하여 행하였으며, 교반 속도는 일반적으로 300 rpm 내지 1000 rpm 이 적당하지만 촉매의 상태와 용매의 점도 등을 고려하여 수소와 반응물 간 계면의 물질 전달이 최대인 영역에서 행하는 것이 바람직하다. 반응물의 양은 촉매 양의 2배 이상이 적당하며, 구체적인 양은 실제 공정에서 유지비용, 생산성, 촉매의 재생효율 등을 고려하여 적당한 비율을 유지하는 것이 바람직하다.In the present invention, the conversion of succinic acid to 1,4-butanediol is carried out in consideration of the conversion rate in the liquid phase and the volume of the reactor, and since it is a liquid phase process that does not overheat, the catalyst is not easily degraded by carbon deposition, Do. The present catalytic reaction process is a heterogeneous reaction using a solid catalyst by dissolving succinic acid as a reactant in a liquid phase solvent. The solvent is an aromatic substance such as benzene, toluene and xylene, an inert solvent such as dioxane, Methanol may be appropriately mixed and used for conversion to dimethyl succinate. The stirring of the reactor was carried out using a magnetic drive. The agitation speed was generally 300 rpm to 1000 rpm, but in consideration of the state of the catalyst and the viscosity of the solvent, . The amount of the reactant is preferably at least twice the amount of the catalyst, and the specific amount is preferably maintained in a proper ratio in consideration of the maintenance cost, productivity, catalyst regeneration efficiency, and the like in the actual process.
이하에서 본 발명의 제조예 및 실시예를 통해 본 발명에 대해 더 상세히 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Preparation Examples and Examples of the present invention.
제조예Manufacturing example 1 : 단일단계( 1: Single step ( oneone -- stepstep ) 계면활성-) Surfactant - 주형법을State penal code 이용하여 레늄-구리-탄소 복합체 촉매 제조 Preparation of Rhenium-Copper-Carbon Composite Catalyst
중형기공성 레늄-구리-탄소 복합체는 계면활성-주형법을 이용하여 제조되었다. 먼저, 4몰 농도의 염산 수용액 450 ml 를 교반하면서 40 ℃로 가열한 후, 블록 공중합체(Block Copolymer) 계면활성제인 P123 (알드리치사) 14.7 g 을 염산 수용액에 용해시켰다. 그리고 탄소 전구체인 수크로오스(알드리치사) 6.1 g 과 황산 수용액 5.5 ml를 첨가하였다. 이후 상기 용액에 탄소 전구체 100 중량부 기준 5중량부의 레늄과 20중량부의 구리 전구체를 각각 첨가한 뒤, 실리카 전구체인 TEOS(알드리치사) 27.3 ml 를 서서히 첨가하면서 수크로오스/레늄전구체/구리 전구체/계면활성제/실리카 복합체를 제조하였다. 상기에서 얻은 복합체는 40 ℃에서 20 시간 동안 교반한 후, 100 ℃에서 24 시간 동안 숙성시켰다. 그리고 공기 분위기 하에서 100 ℃ 온도로 48시간 동안 건조 후 160 ℃에서 24 시간 동안 숙성하여 부분 탄소화된 탄소/레늄/구리/계면활성제/실리카 복합체를 얻는다. 이후, 부분 탄소화된 상기 복합체는 800 ℃ 온도에서 최종적으로 완전 탄소화시키고 5% 불산 수용액으로 실리카 주형성분을 제거하여 레늄과 구리가 포함된 기공성 탄소 담체를 제조한다. 상기에서 제조된 레늄과 구리가 포함된 중형기공성 탄소 복합체는 600 ℃ 에서 질소 대비 5% 의 수소가스로 환원처리 하였으며, 제조된 촉매는 Re-Cu-MC로 기재하였다.The mesoporous rhenium-copper-carbon composites were fabricated using the surfactant-casting method. First, 450 ml of a 4 molar hydrochloric acid aqueous solution was heated to 40 캜 with stirring, and 14.7 g of a block copolymer surfactant P123 (Aldrich) was dissolved in an aqueous hydrochloric acid solution. 6.1 g of sucrose (Aldrich) and 5.5 ml of aqueous sulfuric acid were added. Then, 5 parts by weight of rhenium and 20 parts by weight of copper precursor were added to the solution, and 27.3 ml of TEOS (Aldrich), which is a silica precursor, was slowly added to the solution, to which a sucrose / rhenium precursor / copper precursor / surfactant / Silica composite was prepared. The complex obtained above was stirred at 40 ° C for 20 hours and then aged at 100 ° C for 24 hours. Then, it is dried in an air atmosphere at 100 ° C for 48 hours and then aged at 160 ° C for 24 hours to obtain a partially carbonized carbon / rhenium / copper / surfactant / silica complex. The partially carbonized composite is finally completely carbonized at a temperature of 800 ° C and a silica mold component is removed with a 5% hydrofluoric acid aqueous solution to prepare a porous carbon support containing rhenium and copper. The mesoporous carbon composite containing rhenium and copper prepared above was reduced to hydrogen gas at 5% of nitrogen at 600 ° C. The prepared catalyst was described as Re-Cu-MC.
제조예Manufacturing example 2 : 구리-탄소 복합체 2: Copper-carbon composite 담체에On the carrier 레늄이 Rhenium 담지된Supported 촉매 제조 Catalyst preparation
상기 레늄 전구체를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 구리만 포함된 중형기공성 탄소 담체(Cu-MC)를 제조하였다. 그리고 상기 탄소 담체에 레늄을 담지 하여 레늄 담지촉매를 제조하였다. 먼저 레늄 금속의 전구체인 염화 레늄을 아세톤에 용해시킨다. 이때, 아세톤의 양은 최소한의 양으로 촉매 1 g 당 0.1 ml를 유지하였다. 이렇게 준비된 용액에 레늄 : Cu-MC 담체의 중량비가 0.05 : 1이 되도록 담체에 넣고, 물리적 힘을 가하여 함침시켰다. 이때, 아세톤을 매우 조금씩 더해가면서 탄소 담체가 촉촉하게 젖을 정도만 넣도록 조절하였다(초기 습윤 기법: incipient wetness method). 이후, 함침된 레늄 담지촉매를 40 ℃에서 건조시켜 아세톤을 모두 제거시킨 다음, 질소 분위기 하 600 ℃에서 4시간 소성시켰다. 상기에서 제조된 레늄 담지촉매는 600 ℃ 에서 질소 대비 5% 의 수소가스로 환원처리 하였으며, Re/Cu-MC로 기재하였다.A mesoporous carbon support (Cu-MC) containing only copper was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the rhenium precursor was not used. Then, rhenium was supported on the carbon support to prepare a rhenium-supported catalyst. First, the precursor of rhenium metal, rhenium chloride, is dissolved in acetone. At this time, the amount of acetone was kept at 0.1 ml per 1 g of the catalyst in the minimum amount. The thus-prepared solution was impregnated with a rhenium: Cu-MC carrier in a weight ratio of 0.05: 1, and a physical force was applied thereto. At this time, the carbon carrier was adjusted so as to be moistly wetted by adding the acetone very little (incipient wetness method). Thereafter, the impregnated rhenium-supported catalyst was dried at 40 DEG C to remove all the acetone, and then calcined at 600 DEG C for 4 hours under a nitrogen atmosphere. The rhenium-supported catalyst prepared above was reduced to 5% hydrogen gas at 600 ° C in terms of nitrogen, and was described as Re / Cu-MC.
제조예Manufacturing example 3 : 레늄-탄소 복합체 3: rhenium-carbon composite 담체에On the carrier 구리가 Copper 담지된Supported 촉매 제조 Catalyst preparation
상기 구리 전구체를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 레늄만 포함된 중형기공성 탄소 담체(Re-MC)를 제조하였다. 그리고 상기 탄소 담체에 구리를 담지 하여 구리 담지촉매를 제조하였다. 먼저 구리 금속의 전구체인 구리질산을 아세톤에 용해시킨다. 이때, 아세톤의 양은 최소한의 양으로 촉매 1 g 당 0.1 ml를 유지하였다. 이렇게 준비된 용액에 구리 : Cu-MC 담체의 중량비가 0.2 : 1이 되도록 담체에 넣고, 상기 제조예 2의 초기 습윤 기법으로 함침시켰다. 이후, 함침된 구리 담지촉매 시료를 40 ℃에서 건조시켜 아세톤을 모두 제거시킨 다음, 촉매를 질소 분위기 하 600 ℃에서 4시간 소성시켰다. 상기에서 제조된 구리 담지촉매는 600 ℃ 에서 질소 대비 5% 의 수소가스로 환원처리 하였으며, Cu/Re-MC로 기재하였다.A mesoporous carbon support (Re-MC) containing only rhenium was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the copper precursor was not used. Then, copper was supported on the carbon support to prepare a copper-supported catalyst. First, copper nitrate, a precursor of copper metal, is dissolved in acetone. At this time, the amount of acetone was kept at 0.1 ml per 1 g of the catalyst in the minimum amount. The thus prepared solution was put into a carrier so that the weight ratio of copper: Cu-MC carrier was 0.2: 1, and impregnated with the initial wetting technique of Production Example 2 above. Subsequently, the impregnated copper-supported catalyst sample was dried at 40 DEG C to remove all the acetone, and then the catalyst was calcined at 600 DEG C for 4 hours under a nitrogen atmosphere. The copper-supported catalyst prepared above was reduced to hydrogen gas at 5% of nitrogen at 600 ° C and was described as Cu / Re-MC.
제조예Manufacturing example 4 : 탄소 4: Carbon 담체에On the carrier 레늄과 구리가 Rhenium and copper 담지된Supported 촉매 제조 Catalyst preparation
상기 레늄 전구체와 구리 전구체를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 탄소 담체(MC)를 제조하였다. 그리고 상기 탄소 담체에 레늄과 구리를 담지 하여 레늄 및 구리 담지촉매를 제조하였다. 먼저 구리 금속의 전구체인 구리질산을 아세톤에 용해시킨다. 이때, 아세톤의 양은 최소한의 양으로 촉매 1 g 당 0.1 ml를 유지하였다. 이렇게 준비된 용액에 구리 : MC 담체의 중량비가 0.2 : 1이 되도록 담체를 넣고, 상기 제조예 2의 초기 습윤 기법으로 함침시켰다. 이후, 함침된 구리 담지촉매 시료를 40 ℃에서 건조시켜 아세톤을 모두 제거시킨 다음, 촉매를 질소 분위기 하 600 ℃에서 4시간 소성시켰다. 그리고 레늄 금속의 전구체인 염화 레늄이 용해된 아세톤 용액을 레늄 : MC 담체의 중량비가 0.05 : 1이 되도록 담체에 넣고 상기와 동일한 방법으로 함침시켰다. 이후, 함침된 레늄 및 구리 담지촉매 시료를 40 ℃에서 건조시켜 아세톤을 모두 제거시킨 다음, 촉매를 질소 분위기 하 600 ℃에서 4시간 소성시켰다. 상기에서 제조된 레늄 및 구리 담지촉매는 600 ℃ 에서 질소 대비 5% 의 수소가스로 환원처리 하였으며, Re/Cu/MC로 기재하였다.A carbon carrier (MC) was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the rhenium precursor and the copper precursor were not used. Then, rhenium and copper were supported on the carbon support to prepare rhenium and copper supported catalysts. First, copper nitrate, a precursor of copper metal, is dissolved in acetone. At this time, the amount of acetone was kept at 0.1 ml per 1 g of the catalyst in the minimum amount. A carrier was added to the thus-prepared solution so that the weight ratio of the copper: MC carrier was 0.2: 1, and impregnated with the initial wetting technique of Production Example 2 above. Subsequently, the impregnated copper-supported catalyst sample was dried at 40 DEG C to remove all the acetone, and then the catalyst was calcined at 600 DEG C for 4 hours under a nitrogen atmosphere. Then, an acetone solution in which rhenium chloride, which is a precursor of rhenium metal, was dissolved was impregnated into a carrier so that the weight ratio of rhenium: MC carrier was 0.05: 1, and impregnated in the same manner as above. Thereafter, the impregnated rhenium and copper supported catalyst samples were dried at 40 DEG C to remove all the acetone, and then the catalyst was calcined at 600 DEG C for 4 hours under a nitrogen atmosphere. The rhenium and copper supported catalysts prepared above were reduced to 5% hydrogen gas at 600 < 0 > C relative to nitrogen and were reported as Re / Cu / MC.
실시예Example 1 및 1 and 비교예Comparative Example 1 : 탄소에 레늄과 구리가 포함된 촉매( 1: Catalyst containing rhenium and copper in carbon ( ReRe -- CuCu -- MCMC , Re/Cu-MC, , Re / Cu-MC, CuCu // ReRe -- MCMC , , ReRe // CuCu // MCMC )의 특성분석 및 비교Analysis and comparison of characteristics
표 1은 상기의 제조예에 의해 각각 제조된 Re-Cu-MC, Re/Cu-MC, Cu/Re-MC, Re/Cu/MC 촉매들의 질소 흡탈착실험과 일산화탄소의 흡착실험을 통한 물리 화학적 특성 결과를 정리하여 나타낸 것이며, 질소 흡탈착곡선은 도 2에 나타내었다.Table 1 shows the results of nitrogen adsorption and desorption experiments of Re-Cu-MC, Re / Cu-MC, Cu / Re-MC and Re / Cu / MC catalysts prepared by the above- The nitrogen adsorption / desorption curve is shown in Fig.
(m(m
22
/g)/ g)
((
cmcm
33
/g)/ g)
((
nmnm
))
(%)(%)
표 1에서 나타나는 바와 같이, 담지횟수가 증가할수록 비표면적과 기공 부피가 점차 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 반복되는 담지로 인하여 뒤에 담지되는 금속들이 탄소 담체의 기공을 막거나 응집되면서 발생하는 현상으로 볼 수 있다. 또한, 탄소물질을 포함하는 단일단계로 제조되는 금속이 증가할수록 기공 크기가 감소하는 경향을 보였으며, 이는 촉매를 제조하는 과정에서 금속 전구체가 탄소/실리카 계면에 존재함에 따라 실리카 벽의 두께가 얇아지기 때문에 일어나는 현상으로 파악된다. As shown in Table 1, it can be seen that the specific surface area and the pore volume gradually decrease as the number of the carriers is increased. This is due to the phenomenon that the metals that are carried on the back due to the repeated deposition cause clogging of the pores of the carbon carrier can see. In addition, the pore size tended to decrease as the metal prepared in a single step including the carbon material increased. This is because the thickness of the silica wall was small as the metal precursor was present at the carbon / silica interface in the process of preparing the catalyst It is seen as a phenomenon that occurs because of the loss.
상기 표에서 파악되듯이 Re-Cu-MC 복합체 촉매가 탄소 담체에 가까운 가장 우수한 표면 특성을 가지는 것으로 확인되었다. 또한, 일산화탄소의 흡착실험으로 측정된 촉매의 금속 표면적을 살펴볼 경우, 표면 특성이 가장 우수한 Re-Cu-MC 복합체 촉매의 금속 분산도가 가장 크게 나타났다. As can be seen from the above table, Re-Cu-MC composite catalyst has the most excellent surface properties close to the carbon support. In addition, when the metal surface area of the catalyst measured by the carbon monoxide adsorption experiment is examined, the metal dispersion degree of the Re-Cu-MC composite catalyst having the best surface characteristics is the largest.
상기의 제조예에 의해서 각각 제조된 Re-Cu-MC, Re/Cu-MC, Cu/Re-MC, Re/Cu/MC 촉매들의 표면 형태를 파악하기 위해 고분해능-투과전자현미경 (HR-TEM)을 사용하여 관찰하였으며, 이를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타나 있는 투과전자현미경 이미지를 비교해 보면, 레늄과 구리의 제조 형태에 따른 표면의 변화를 관찰 할 수 있다. 먼저 제조예 4에서 제조된 탄소 담체 MC와 비교해보면 모든 촉매들의 탄소 구조는 규칙적인 기공형태를 잘 유지하는 것으로 나타났다. 그리고 단일단계로 제조되는 금속의 수가 증가할수록 입자 크기가 작고 고르게 분산되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 담지횟수가 증가할수록 금속 입자들이 크게 응집되어 분산도가 감소하는 현상을 보였다. 따라서, 표 1과 도 3의 결과를 바탕으로 레늄과 구리가 단일단계로 제조된 Re-Cu-MC 복합체 촉매의 분산도가 가장 우수한 것을 알 수 있다.Transmission electron microscopy (HR-TEM) was used to determine the surface morphology of the Re-Cu-MC, Re / Cu-MC, Cu / Re-MC and Re / Cu / , Which is shown in Fig. When the transmission electron microscope images shown in FIG. 3 are compared, it is possible to observe a change in the surface depending on the production form of rhenium and copper. Compared with the carbon carrier MC prepared in Preparation Example 4, the carbon structure of all the catalysts maintained a regular pore shape well. It can be seen that the particle size is small and uniformly dispersed as the number of metals produced in a single step increases. However, as the number of deposition was increased, the dispersion of metal particles decreased significantly due to agglomeration. Therefore, based on the results of Table 1 and FIG. 3, it can be seen that the dispersity of Re-Cu-MC composite catalyst prepared with a single step of rhenium and copper is the best.
실시예Example 2 및 2 and 비교예Comparative Example 2 : 탄소에 레늄과 구리가 포함된 촉매( 2: Catalyst containing carbon and rhenium ( ReRe -- CuCu -- MCMC , Re/Cu-MC, , Re / Cu-MC, CuCu // ReRe -- MCMC , , ReRe // CuCu // MCMC ) 상에서 숙신산의 수소화 반응에 의한 1,4-) By hydrogenation of succinic acid in 1,4- 부탄디올Butanediol 생산 production
상기의 제조예에 의해 각각 제조된 탄소에 레늄과 구리가 포함된 촉매 (Re-Cu-MC, Re/Cu-MC, Cu/Re-MC, Re/Cu/MC)들을 이용하여 숙신산의 수소화 반응에 의한 1,4-부탄디올의 제조반응을 수행하였으며 반응결과는 표 2와 도 4에 나타내었다. The hydrogenation reaction of succinic acid was carried out using catalysts (Re-Cu-MC, Re / Cu-MC, Cu / Re-MC and Re / Cu / MC) The reaction results are shown in Table 2 and FIG. 4.
전환율 (%)Conversion Rate (%)
수율 (%)Yield (%)
수율 (%)Yield (%)
숙신산의 전환은 액상 반응으로, 회분식 반응기를 사용하여 수행하였다. 반응을 위해 오토클레이브(autoclave) 반응기에 촉매 0.2 g, 숙신산 0.5 g을 1,4-디옥산 용매 25 ml와 메탄올 25 ml 가 혼합되어있는 용액과 함께 충진 한 후, 질소를 3,4회 흘리면서 반응기 내부의 산소를 모두 제거해 준다. 이후 수소를 주입시켜 40 bar 정도의 압력이 되면 반응온도까지 10 ℃/min 의 승온 속도로 가열시킨다. 반응온도에 다다르면 다시 수소를 이용하여 압력을 80 bar까지 올리고, 이 때를 반응 시작시간으로 한다. 총 반응 시간은 20시간으로 하며, 교반 속도는 물질전달이 최대인 700 rpm에서 수행하였다. 반응이 끝나면 온도를 상온까지 냉각시키고 압력을 제거한 후 촉매와 액상 생성물을 여과법으로 분리하여 가스 크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 생성물은 수소화 생성물로서 중간체인 디메틸숙시네이트, 목표 생성물인 1,4-부탄디올, 부산물인 감마 부티로락톤 등이 생성되었다.The conversion of succinic acid was carried out in a liquid phase reaction, using a batch reactor. To the reaction, 0.2 g of catalyst and 0.5 g of succinic acid were charged in an autoclave reactor together with a mixture of 25 ml of 1,4-dioxane solvent and 25 ml of methanol, It removes all oxygen inside. Subsequently, hydrogen is injected and heated to a reaction temperature at a heating rate of 10 ° C / min when a pressure of about 40 bar is reached. When the reaction temperature is reached, the pressure is increased to 80 bar by using hydrogen again, and this time is defined as the reaction start time. The total reaction time was 20 hours, and the stirring rate was performed at 700 rpm, which is the maximum mass transfer rate. After the reaction was completed, the temperature was cooled to room temperature, the pressure was removed, and the catalyst and the liquid product were separated by filtration and analyzed by gas chromatography (GC). The product was a hydrogenation product, an intermediate dimethyl succinate, a target product 1,4-butanediol, and a by-product gamma butyrolactone.
표 2에서 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 구리가 포함된 탄소에 레늄과 구리가 포함된 촉매 (Re-Cu-MC, Re/Cu-MC, Cu/Re-MC, Re/Cu/MC)의 숙신산 전환율은 모두 100 %로 나타났다. 이는 숙신산의 메틸화가 일어나는 레늄의 촉매작용이 모든 촉매에서 충분하게 일어났음을 의미한다. 한편, 구리의 촉매작용과 연관이 있는 디메틸숙시네이트로부터 1,4-부탄디올로의 전환은 구리의 분산도가 증가할수록 활발한 탈메틸화 반응으로 인해 그 전환율이 증가하였다. 그러나 담지횟수가 증가할수록 분산도가 감소함에 따라 1,4-부탄디올 수율이 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 가장 우수한 표면 특성 및 금속 분산도를 가지는 Re-Cu-MC복합체 촉매가 가장 효율적인 1,4-부탄디올 제조용 촉매인 것을 알 수 있다.(Re-Cu-MC, Re / Cu-MC, Cu / Re-MC and Re / Cu / MC) containing copper and copper in the carbon containing copper according to the present invention The conversion rate was 100%. This means that the catalysis of rhenium in which the methylation of succinic acid occurs takes place well in all catalysts. On the other hand, the conversion of dimethyl succinate to 1,4-butanediol, which is associated with the catalytic action of copper, increased as the degree of dispersion of copper increased, due to active demethylation. However, it can be seen that the 1,4-butanediol yield decreases as the dispersion degree decreases as the number of the supports increases. Therefore, in the present invention, Re-Cu-MC composite catalyst having the most excellent surface properties and metal dispersibility is the most efficient catalyst for producing 1,4-butanediol.
앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.
Claims (6)
ⅰ) 산 용액에 계면활성제, 탄소 전구체, 귀금속 전구체, 전이금속 전구체 및 계면활성제를 용해시킨 후, 실리카 전구체를 첨가하여 탄소/귀금속/전이금속 /계면활성제/실리카 복합체를 제조하는 단계;
ⅱ) 상기 복합체를 공기 분위기하에서 건조시키는 단계;
ⅲ) 상기 건조된 탄소/귀금속/전이금속/계면활성제/실리카 복합체를 질소분위기 하에서 800~1000℃로 열처리하여 탄소 성분을 완전 탄소화함으로써 탄소/귀금속/전이금속/실리카 복합체를 얻는 단계;
ⅳ) 상기 탄소화된 탄소/귀금속/전이금속/실리카 복합체에서 실리카를 제거함으로써 귀금속과 전이금속이 골고루 분산된 귀금속-전이금속-탄소 복합체 촉매를 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체 촉매의 제조방법.As a method for producing a mesoporous noble metal-transition metal-carbon composite catalyst for producing 1,4-butanediol from succinic acid through dimethyl succinate
I) dissolving a surfactant, a carbon precursor, a noble metal precursor, a transition metal precursor and a surfactant in an acid solution, and then adding a silica precursor to prepare a carbon / noble metal / transition metal / surfactant / silica complex;
Ii) drying the composite under an air atmosphere;
Iii) subjecting the dried carbon / noble metal / transition metal / surfactant / silica complex to heat treatment at 800 to 1000 ° C under a nitrogen atmosphere to completely carbonize the carbon component to obtain a carbon / noble metal / transition metal / silica composite;
And iv) obtaining a noble metal-transition metal-carbon composite catalyst in which noble metal and transition metal are evenly dispersed by removing silica from the carbonized carbon / noble metal / transition metal / silica composite. Gt;
Characterized in that 1,4-butanediol is produced from succinic acid through dimethyl succinate by using the catalyst of claim 5 at a temperature of 150 ° C to 400 ° C and a pressure range of 30 to 200 bar.
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