KR20070085632A - 개질 나노촉매 및 이러한 촉매의 제조 및 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

개질 과정에 사용되는 경우 촉매의 활성, 선택성 및 수명을 증가시키기 위해 분산제를 사용하여 개질 촉매가 형성된다. 히드록실, 카르복실, 카르보닐, 아미드, 아민, 티올, 술폰산, 술포닐 할로겐화물, 아실 할로겐화물, 유기금속 복합체, 및 이것들의 조합의 군으로부터 선택된 적어도 하나의 작용기를 갖는 분산제를 사용하여 나노촉매 입자가 형성된다. 분산제는 백금과 주석, 루테늄 또는 이리듐 중 한 가지 이상의 합금, 조합, 혼합물, 장식, 또는 분산물을 포함하는 다성분 촉매의 형성에 특히 유용하다. 나노입자의 형성은 촉매원자를 제로가 아닌 산화상태로 유지하면서 불활성 또는 산화 분위기에서 수행되는 열처리 과정을 포함하며, 이로써 분산제와 촉매 원자 사이에 더 강한 결합이 유지된다. 고정된 나노촉매 입자를 갖는 다성분 개질 촉매는 나프타의 개질 및/또는 BTX의 형성에서 사용되었을 때 특히 우수한 활성, 선택성 및 수명을 나타낸다.
탄화수소, 개질, 촉매, 나프타, 옥탄가, BTX, 분산제

Description

개질 나노촉매 및 이러한 촉매의 제조 및 사용 방법{REFORMING NANOCATALYSTS AND METHOD OF MAKING AND USING SUCH CATALYSTS}
본 발명은 일반적으로 개질 나노촉매 및 이러한 촉매의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 이러한 개질 촉매는 지지된 나노촉매 입자를 포함하며, 나프타의 개질 및 BTX의 형성을 위해 사용된다.
나프타는 석유 또는 다른 화석 연료원으로부터 증류된 탄화수소의 휘발성 가연성 액체 혼합물이다. 나프타는 연료로서, 용매로서, 또는 여러 가지 화학약품을 제조하는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 나프타는 약 65℃ 내지 약 195℃에서 비등하며, 미정제 오일 또는 중유 분획을 가공처리하는 것으로부터 얻어지는 탄화수소의 혼합물이다.
촉매 나프타 개질은 중요한 석유 정제 조작이다. 촉매 나프타 개질에 있어서, 촉매는 더욱 가치있는 탄화수소 생성물을 만들기 위해 나프타를 개질하기 위해 사용된다.
예를 들면, 개질 촉매는 나프타 혼합물의 옥탄가를 증가시키기 위해 사용될 수 있고, 이로써 그것을 가솔린 블렌딩을 위해 더 적합하게 만든다. 개질된 생성물, 또는 개질유는 자동차 가솔린 푸울에 대한 두 가지 가장 중요한 공헌물 중 하 나이다. 촉매 개질에 의한 옥탄가 증가는 원료 품질 및 반응 조건에 의존하여 다양하나, 전형적으로 30 내지 70의 범위에 이른다.
나프타 개질의 또 다른 이용분야는 총체적으로 BTX로도 알려진 벤젠, 톨루엔, 및 크실렌의 생산이다. 이들 화합물은 옥탄가를 증가시키기 위해서 유용하며, 또한 여러 화학 산업분야에서 상당한 가치와 용도를 갖는다. 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠 및 다른 방향족 화합물들을 생산하기 위해서는 개질이 최적의 과정이며, 개질 과정은 BTX 조작이라 부른다.
나프타 개질의 추가의 이점은 수소의 생성이다. 수소는 많은 다른 정제 조작에서 사용되며, 나프타 개질은 전형적으로 수소의 순 생산을 갖는 단지 정제 과정이다.
촉매 나프타 개질은 보통 적합한 촉매 위에서 증기 상에서 일어나는 수많은 다른 반응들을 포함한다. 중요한 개질 반응은 나프텐을 탈수소화하여 방향족 화합물을 생성하는 것, 선형 파라핀을 이성질화하여 분지형 파라핀 또는 이소-파라핀을 형성하는 것, 그리고 파라핀을 탈수소폐환하여 방향족 화합물을 형성하는 것을 포함한다.
각 반응은 다소 다른 반응 조건들에 의해서 유리하게 될 수 있고, 다른 촉매 활성 부위들에서 일어날 수 있다. 탈수소화와 같은 이들 반응의 어떤 것들은 금속 부위들에 의해 촉매작용되는 한편, 이성질화 및 탈수소폐환과 같은 다른 것들은 대개 2작용 메카니즘에 의해 일어나는데, 이것은 금속 및 산 촉매 부위를 둘 다 요한다는 것을 의미한다.
바람직하지 않은 반응들이 또한 일어날 수 있다. 바람직하지 못한 반응들의 예는 촉매를 불활성화할 수 있는 코킹, 그리고 대형 파라핀으로부터 경질 탄화수소 기체들을 생성하는 고도의 발열반응인 가수소분해를 포함한다.
수소화분해(hydrocracking)가 나프타의 개질 동안에 일어날 수 있는 또 다른 반응이다. 수소화분해는 C-C 결합의 절단을 수반하여, 더욱 중질의 파라핀으로부터 경질 파라핀의 형성을 가져오고, 나프텐의 개환을 가져온다. 어떤 탄화수소 분자들에 대해서는 수소화분해가 바람직한 한편, 다른 것들은 그렇지 않다. 그럼에도 불구하고 보통 어느 정도는 전형적인 개질 조건하에 일어난다.
나프타 개질 촉매는, 원하지 않는 반응을 최소화하고, 서서히 불활성화하며, 원하는 제품을 향해 고도의 활성 및 선택성을 나타내도록 설계되어 있다. 이들 성질을 달성하기 위해, 나프타 개질 촉매는 전형적으로 백금과 같은 귀금속으로 만들어진다.
현재의 개질 촉매들은 귀금속과 같은 매우 고가의 금속들로 만들어지기 때문에, 개질 촉매의 활성, 선택성 및 장기 안정성을 증가시키는 것이 필요하다. 근년에 개질 촉매에 많은 개선책들이 행해졌으나, 개질 과정의 비용을 감소시키기 위해 이들 및 다른 촉매들의 활성, 선택성, 및 안정성을 더욱 개선하는 것이 여전히 필요하다.
발명의 개요
본 발명은 지지체와 지지체에 고정된 분산된 나노촉매 입자들을 포함하는 지지된 개질 촉매에 관한 것이다. 이러한 촉매는 옥탄가 향상 및/또는 BTX 형성을 위해 나프타의 촉매 개질에 사용된다. 나노입자의 개선된 분산 및 고정 그리고/또는 나노촉매 입자 내의 촉매 성분들의 개선된 분포는, 증가된 수명, 활성 및/또는 선택성을 제공함으로써 종래의 촉매의 단점을 극복한다.
한 구체예에 따라서, 본 발명의 촉매에 따른 지지된 개질 촉매는 (111) 결정면 노출을 갖는 촉매 입자를 포함한다. (111) 결정면 노출을 갖는 촉매는 촉매 원자들(예를 들면, Pt)이 중심 촉매 원자의 주변에 6-원 환으로 배치되기 때문에 방향족 화합물을 형성하는데 구체적인 용도를 갖는다. 본 발명에 따르는 개질 촉매는 종래의 개질 촉매와 비교하여 옥탄가를 향상시키고 및/또는 방향족 화합물을 형성하는 증가된 능력을 갖는 것으로 나타났으며, 따라서, 이 가설을 지지한다. 그것들은 또한 종래의 개질 촉매와 비교하여 순 수소 생산에 있어서의 증가를 가져왔다.
지지체에 고정된 잘 분산된 나노촉매 입자를 갖는 지지된 개질 촉매를 형성하기 위한 하나의 예가 되는 구체예는, (i) 다수의 촉매 원자들을 제공하는 단계; (ii) 촉매 원자들에 결합할 수 있는 적어도 하나의 작용기를 갖는 다수의 유기 분자를 포함하는 분산제를 제공하는 단계; (iii) 분산제를 촉매 원자들과 반응시켜서 지지체에 결합을 형성하거나 또는 달리 고정시킬 수 있는 촉매 복합체를 형성하는 단계; (iv) 촉매 복합체를 지지체 상에 부착하여 촉매 원자들이 제로가 아닌 산화상태에 있는 중간 촉매 조성물을 형성하는 단계; 및 (v) 촉매 원자들을 제로가 아닌 산화상태로 유지하면서 중간 촉매 조성물을 약 50℃ 이상의 온도에서 열처리하여 지지체에 고정된 약 100nm 미만의 크기를 갖는 잘 분산된 나노촉매 입자들을 갖는 지지된 촉매를 형성하도록 하고, 적어도 한 가지의 원하지 않는 성분을 휘발 제거하는 단계를 포함한다.
전술한 방법에 따라 만든 개질 촉매는 적어도 초기에는 제로가 아닌 산화상태의 촉매 금속 원자를 갖는 촉매입자를 포함한다. 열처리 동안에 제로가 아닌 산화상태로 촉매 금속 원자들을 유지하는 것은 바탕(또는 제로 산화) 상태로 촉매 금속 원자들을 갖는 지지된 촉매를 열처리하는 것과 비교하여 촉매 금속 원자와 분산제 사이에 더 강한 결합을 유지한다. 이것은 조그마한 촉매 나노입자들의 응집을 더 잘 억제하는데, 이것은 차례로 나노촉매 입자들의 더 양호한 분산과 더 높은 촉매 활성을 갖는 지지된 촉매를 제공한다. 이러한 촉매는 전형적으로 사용에 앞서 또는 사용의 동안에 제로 산화 상태로 환원된다.
본 발명의 개질 촉매는 나프타와의 개질 반응을 촉진하는데에, 가솔린 블렌딩을 위해 및/또는 BTX 형성을 위해 유용하다. 본 발명에 따르는 단일 및 다성분 지지된 나노촉매는 둘 다 나프타의 개질을 위해 사용될 수 있다. 유용한 단일 성분 개질 촉매의 예들은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 및 이리듐(Ir)을 포함한다. 다성분 개질 촉매는 이것들 중 두 가지 이상을 포함할 수도 있고, 또는 이것들의 한 가지 이상을 1차 촉매 성분으로 하여, 주석(Sn), 레늄(Re), 게르마늄(Ge), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 텅스텐(W), 오스뮴(Os), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 티탄(Ti), 인(P), 갈륨(Ga), 루테늄(Ru), 칼슘(Ca), 마그네슘 (Mg), 바륨(Ba), 및 스트론튬 (Sr)을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 한 가지의 2차 촉매 성분과 조합하여 포함할 수도 있다. 어떤 경우, 2차 촉매 성분은 촉매 활성을 증가시키고, 다른 유용한 반응들을 촉진하며, 그리고/또는 예를 들어서, 코킹에 의한 촉매 불활성화를 방지하는데 도움을 준다.
한 구체예에 따라서, 다성분(예를 들면, 2금속) 지지된 촉매가 만들어질 수 있는데, 여기서 개개 촉매 나노입자는 다른 금속들 또는 성분들의 혼합물(예를 들면, 합금)을 포함한다. 일반적으로, 두 가지 이상의 다른 성분들의 합금 또는 조합을 포함하는 나노입자를 형성하는 것은, (i) 다른 금속들을 단일 나노 입자로 함께 결합을 일으키는데 전형적으로 필요한 고온 때문에, 그리고 (ii) 이러한 고온이 나노입자들을 전형적으로 함께 응집하게 하여 더 큰(예를 들면, 미크론- 또는 더 큰 크기의) 입자들을 형성하기 때문에 열역학적 관점에서 크게 유리하지 못하다. 그럼에도 불구하고, 분산제의 사용은 촉매 형성의 동안에 보통 존재하는 같은 성분 인력을 감소시키거나 또는 제거하며 나노촉매 입자 내에서 금속의 더욱 랜덤한 분포를 야기한다. 나노촉매 입자의 형성시, 입자 내 각 촉매 성분의 분포는 따라서 더욱 랜덤하고 균일하다.
다성분 개질 촉매는 다른 공정들을 사용하여 만들어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 지지된 다성분 나노촉매 입자를 제조하는 방법은 앞서 참고로 포함된 2004년 11월 17일 출원된 공동 계류중인 미국출원 제10/990,616호, 발명의 명칭 "분산제를 사용하여 형성된 다성분 나노입자(MULTICOMPONENT NANOPAR-TICLES FORMED USING A DISPERSING AGENT)"에 개시되어 있다. 상기 출원은 열처리 단계를 요하지 않는 방식으로 지지된 다성분 금속 촉매를 제조하는 방법을 개시한다.
한 구체예에서, 나노촉매 입자는 알루미나 또는 실리카와 같은 기판에 고정된다. 분산제는 촉매 나노입자를 기판에 결합하기 위한 고정수단(anchor)으로서 작용한다. 고정은 사용 중에 입자 응집을 방지하는데 도움을 주며, 또 지지체 물질로부터 나노입자의 누출을 감소시킨다. 따라서, 본 발명 개질 촉매는 개선된 촉매 활성과 불활성화에 더 높은 저항성을 갖는다.
1차 및 2차 촉매 성분들의 제어된 분포는 부분적으로 촉매의 높은 활성과, 불활성화에의 저항성에 부분적으로 책임이 있다. 예를 들면, 주석, 레늄 및 이리듐은 촉매 활성을 개선하고 코킹과 같은 원하지 않는 반응을 방지한다. 이들 유리한 성질들은 다른 촉매 원자들이 친밀하게 조합, 혼합, 분산, 수식되거나, 또는 함께 합금될 때, 전형적으로 촉진된다.
본 발명에 따르는 개질 촉매는 나프타 개질 조작의 비용을 상당히 감소시킬 수 있다. 촉매의 더 높은 활성은 같은 촉매 로딩으로 더 높은 옥탄가 및/또는 방향족 생성물이 얻어질 수 있음을 의미한다. 대안으로, 촉매 로딩은 원하는 촉매 활성을 유지하면서 감소될 수 있고, 이로써 촉매 비용을 감소시킬 수 있다. 증가된 촉매 수명은 또한 개질 조작에서 촉매의 재생 및/또는 교체가 덜 빈번히 수행될 수도 있기 때문에 개질 공정의 비용을 감소시킬 수도 있다.
본 발명의 이들 및 다른 이점 및 특징은 이후 제시되는 바와 같이 다음의 상세한 설명 및 첨부 청구범위로부터 더욱 충분히 명백해질 것이다.
전형적인 구체예의 상세한 설명
I. 개요
본 발명은 옥탄가 증가 및 BTX 형성을 위한 나프타의 개질에 유용한 신규 개질 나노촉매의 제조에 관한 것이다. 본 발명의 한 양태에 따라서, 신규 개질 나노촉매는 잘 분산된 나노촉매 입자가 지지체에 고정되도록 하는 방식으로 제조된다.
전형적인 구체예에서, 촉매 성분과 결합하고 촉매 성분의 분자 배열을 적어도 일부분 결정하는 분산제가 사용된다. 분산제는 두 가지 이상의 상이한 촉매 성분들이 바람직한 분포 상태로 나노촉매 입자들 사이에 분포되는 것을 확실히 하기 위해서 사용될 수 있다. 이들 나노촉매 입자는 촉매 활성이 개선되고 수명이 증가된 지지된 개질 촉매를 형성하기 위해서 사용될 수 있다.
명세서와 첨부된 청구범위의 목적에 있어서, 용어 "나노입자" 또는 "나노-크기 입자"는 약 100 나노미터(nm) 미만의 직경을 갖는 입자를 의미한다.
용어 "소수 성분"은 입자 내에서 더 낮은 농도로 존재하는 다성분 나노촉매 입자 중의 성분을 의미한다. 입자 내에서 두 가지 이상의 성분이 본질적으로 동일한 농도를 가지는 경우, 소수 성분의 결정은 통계적으로 비실용적이며, 어느 한 성분이 소수 성분으로 고려된다는 사실이 명시된다.
명세서와 첨부된 청구범위의 목적에 있어서, 용어 "수율"(Number Ratio) 또는 "NR"은 NA/NB와 동일한 의미이며, 여기서 NA는 주어진 나노입자 또는 나노입자 세트에서 다수 성분 A의 원자 개수(또는 몰)이고, NB는 이 나노입자 또는 나노입자 세트에서 소수 성분 B의 원자 개수(또는 몰)이다. 특정 나노입자 i에 대해, NR은 특정한 값(NRi)으로 표현될 수 있다. 주어진 나노입자 세트의 전체 나노입자의 평균 NR은 평균 값(NRavg)으로 표현된다.
대부분의 경우, 주어진 샘플 또는 나노입자 세트 내의 여러 입자들에 상응하는 개개의 NR 값은 단일 이산치와 동일하지는 않지만 NR 값의 범위(즉, "NR 범위") 내에는 들어간다. 각 입자 내에 두 가지 이상의 상이한 나노입자 성분을 갖는 주어진 샘플 또는 나노입자 세트의 NR 범위는 상한값 NRmax와 하한값 NRmin을 가진다.
II. 지지된 개질 나노촉매 및 중간체의 제조에 사용된 성분
본 발명에 따른 지지된 개질 나노촉매는 전형적으로 한 가지 이상의 상이한 종류의 촉매 원자, 분산제, 지지체, 및 한 가지 이상의 용매를 사용하여 제조된다. 이후 더욱 상세히 논의되겠지만, 먼저 한 가지 이상의 촉매 금속 또는 성분을 분산제와 반응시켜 촉매 복합체를 형성하는데, 이때 한 가지 이상의 용매를 사용하여 용매, 촉매 복합체, 및 선택적으로 과량의 분산제 및/또는 촉매 성분(들)을 포함하는 용액, 콜로이드 또는 현탁액을 형성한다. 촉매 복합체를 지지체 위에 함침시키거나 부착시켜, 촉매 원자의 산화상태가 제로가 아닌 중간 촉매 조성물을 형성한다. 한 구체예에 따라서, 촉매 원자를 제로가 아닌 산화상태로 유지하면서 중간 촉매 조성물을 열처리하여, 약 100nm 미만의 크기의 잘 분산된 나노촉매 입자가 지지체에 고정된 지지된 촉매를 형성한다. 다른 구체예에서, 본 발명에 따른 개질 촉매(다성분 촉매를 포함하는)는 열처리 단계 없이 제조될 수 있다.
A. 촉매 원자
본 발명의 촉매 나노입자를 형성하는 촉매 원자는 촉매 개질 활성을 나타내는 어떤 금속, 또는 하나 이상의 금속 또는 다른 원소들의 조합을 포함할 수 있다. 유용한 촉매 원자의 예는 백금, 팔라듐, 이리듐, 금, 오스뮴, 류테늄, 로듐 및 레늄을 포함하는 한 가지 이상의 귀금속을 포함한다. 다른 촉매 원자의 예는 한 가지 이상의 기본 전이금속, 희토류 금속, 알칼리 토금속, 알칼리 금속, 및 비금속을 포함하며, 이것들은 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 다른 촉매 재료와 복합체 또는 합금으로 형성될 수 있다.
백금(Pt)이 개질 촉매의 1차 촉매 성분으로서 특히 유용하다. 다소 덜 바람직하지만, 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir)도 1차 촉매 성분으로서 사용될 수 있으며, 또는 이들은 2차 촉매 성분으로서 백금과 조합하여 사용될 수도 있다. 주석(Sn)과 레늄(Re)이 2차 촉매 성분으로서 백금과 조합하여 유리하게 사용될 수 있으며, 게르마늄(Ge), 납(Pb), 비소(As), 안티몬(Sb), 텅스텐(W), 오스뮴(Os), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 티탄(Ti), 인(P), 갈륨(Ga), 루테늄(Ru), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 바륨(Ba) 및 스트론튬(Sr)과 같은 각종 다른 성분들이 마찬가지로 사용될 수 있다.
하기 설명된 대로, 촉매 원자는 적합한 용매 또는 담체에 첨가되어 용액 또는 현탁액을 형성한다. 촉매 원자는 원소(예를 들어, 금속) 형태로 용액에 첨가되거나, 또는 이온 형태로 첨가될 수 있다. 전형적으로, 촉매 원자는 용매 또는 담체 중에서의 보다 용이한 용해 또는 분산을 위하여 이온 형태로 첨가된다. 적합한 이온 형태의 예는 금속 할로겐화물, 질산염 또는 용매 또는 담체 중에서 쉽게 용해되는 다른 적합한 염들을 포함한다. 구체적인 예는 금속 인산염, 황산염, 텅스텐산염, 아세트산염, 시트르산염, 및 글리콜산염을 포함한다.
산화물과 같은 스스로 화합하는 금속 성분이 적합한 화합물 형태로 액체 매질에 첨가될 수 있으며, 또는 상이한 화학적 형태로 첨가된 후, 촉매 형성 동안 적합한 화학적 형태로 전환될 수도 있다.
B. 분산제
분산제는 지지체와 결합하거나 지지체에 고정될 수 있는 촉매 복합체의 형성을 촉진하도록 선택된다. 추가하여, 분산제는 바람직한 안정성, 크기 및/또는 균일성을 갖는 나노촉매 입자를 제공하도록 선택된다. 본 발명의 범위 내의 분산제는 다양한 유기 소분자 뿐만 아니라 폴리머 및 올리고머를 포함한다. 전형적인 분산제는 이온결합, 공유결합, 반데르발스 상호작용/결합, 또는 수소결합을 포함하는 여러 메커니즘을 통해 적합한 용매 또는 담체 중에 용해 또는 분산된 촉매 원자와 상호작용하여 복합체를 형성할 수 있다.
분산제와 촉매 원자 간 결합을 제공하기 위하여 분산제는 하나 이상의 적합한 작용기를 포함한다. 분산제와 촉매 원자의 복합체 형성을 위한 적합한 작용기는 히드록실, 카르복실, 아민, 티올, 에스테르, 아미드, 케톤, 알데히드, 술폰산, 아실 할로겐화물, 술포닐 할로겐화물, 및 이것들의 조합 중 하나 이상을 포함한다. 분산제는 1작용성, 2작용성, 또는 다작용성일 수 있다. 촉매 원자가 금속인 경우, 촉매 원자와 분산제 사이에 형성된 촉매 복합체는 전형적으로 유기금속 복합체이다.
적합한 1작용성 분산제의 예는 알코올, 예를 들어 에탄올 및 프로판올과 카르복실산, 예를 들어 포름산 및 아세트산을 포함한다. 유용한 2작용성 분산제는 2가 산, 예를 들어 옥살산, 말론산, 말레산 등; 2가 알콜, 예를 들어 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-프로판디올 등; 및 히드록시산, 예를 들어 글리콜산, 락트산 등을 포함한다.
다른 유용한 분산제는 에탄올아민, 메르캅토에탄올, 2-메르캅토아세테이트, 아미노산, 예를 들어 글리신 및 알라닌, 술폰산, 예를 들어 술포벤질 알코올 및 술포벤조산, 및 아미노와 티올 작용기를 갖는 다른 술포벤질 화합물을 포함한다.
본 발명에 따른 분산제는 또한 폴리머 또는 올리고머를 포함하며, 이들은 천연산 또는 합성산일 수 있다. 분산제가 올리고머 또는 폴리머인 경우, 수 평균으로 측정된 분자량은 바람직하게는 약 300 내지 약 15,000 달톤 범위, 더욱 바람직하게는 약 600 내지 약 6,000 달톤 범위이다. 그러나, 15,000 이상의 고분자량 폴리머도 용매, 담체 또는 부형제 중에 쉽게 용해되고 촉매 원자와 복합체를 형성할 수 있다면 분산제로서 사용될 수 있음이 인정된다.
폴리머 또는 올리고머 분자의 분자량은 분자 당 바람직한 수의 작용기를 갖는 분산제를 제공하도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 작용기의 수는 분자 당 4개 내지 200개 작용기, 바람직하게는 약 8개 내지 약 80개 작용기, 더욱 바람직하게는 약 10개 내지 약 20개 작용기 범위일 수 있다. 많은 경우, 폴리머 또는 올리고머 내의 작용기의 수는 적어도 대략적으로 반복 단위의 수에 상응한다.
본 발명의 범위 내의 적합한 폴리머 및 올리고머는 폴리아크릴산, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐벤조에이트, 폴리비닐술페이트, 술폰화 스티렌을 포함하는 폴리비닐술포네이트, 폴리비스페놀카보네이트, 폴리벤지미디졸, 폴리피리딘, 술폰화 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하나, 이들에 제한되는 것은 아니다. 다른 적합한 폴리머는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등을 포함한다.
과량의 분산제를 제공하여 촉매 원자의 수에 비해 과량의 작용기를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 과량의 작용기의 포함은 촉매 원자의 전부 또는 실질적으로 전부가 분산제에 의해 복합체로 형성되는 것을 확실히 하는데 도움이 된다. 또한, 과량의 분산제를 제공하는 것은 촉매와 기질의 결합이 바람직한 경우 이러한 결합을 위한 작용기들의 이용을 확실히 하는데 도움이 될 수 있다.
분산제의 특성에 더하여, 촉매 원자에 대한 분산제 작용기의 몰비를 제어하는 것이 또한 유리할 수 있다. 예를 들어, 2가 금속 이온의 경우, 이론적 화학량론 비율을 제공하기 위해서는 2몰 당량의 1가 작용기가 필요할 것이다. (1) 촉매 원자의 전부 또는 실질적으로 전부가 확실히 복합체로 형성되고, (2) 지지체와 나노입자가 결합하고, (3) 나노입자들이 함께 응집되거나 덩어리지지 않도록 나노입자들이 분리되어 유지되는 것을 돕기 위해서, 과량의 분산제 작용기를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 약 1000:1 내지 약 1:1000 범위, 더욱 바람직하게는 약 50:1 내지 약 1:50 범위의 촉매 원자에 대한 분산제 작용기의 몰비를 포함하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 분산제는 매우 작고 균일한 나노입자의 형성을 허용한다. 바람직한 구체예에서, 분산제의 존재하에 형성된 촉매 나노입자는 바람직하게는 약 100nm 미만, 더욱 바람직하게는 약 10nm 미만, 훨씬 더 바람직하게는 약 6nm 미만, 특히 더 바람직하게는 약 5nm 미만, 가장 바람직하게는 약 4nm 미만이다.
하기 논의된 대로, 나노촉매 입자는 지지체 표면 위에 지지된다. 지지체 재료가 촉매 복합체의 현탁액 또는 용액에 첨가되었을 때, 분산제가 복합체를 형성한 촉매 원자 및/또는 현탁된 나노입자를 지지체 재료 위에 균일하게 분산시키는 작용을 하는 것으로 여겨진다. 분산제는 나노촉매 입자와 지지체 재료 사이의 고정수단으로서 작용하도록 선택될 수 있는데, 이것에 대해서는 이후 더욱 상세히 설명된다. 나노촉매 입자의 형성 도중과 형성 후에, 분산제는 나노입자를 기질에 고정하는 고정제로서 작용할 수 있다. 바람직하게, 기질은 그 표면에 축합반응 등에 의해 분산제의 하나 이상의 작용기와 화학적으로 결합할 수 있는 복수 개의 히드록실 또는 다른 작용기를 가진다. 또한, 분산제의 하나 이상의 추가의 작용기가 나노입자 내의 하나 이상의 원자와 결합됨으로써 나노입자가 기질에 고정된다.
분산제는 고정작용 동안 응집을 억제하는 능력을 가지는 한편, 분산제를 통해 나노입자가 기질 표면에 화학적으로 결합하는 것은 응집을 방지하기 위한 추가적이고 특히 효과적인 메커니즘이다.
한 구체예에 따라서, 분산제는 (111) 결정면 노출을 갖는 개질 촉매를 제공하도록 선택된다. 일반적으로, 소분자 분산제(예를 들어, 시트르산, 글리콜산, 락트산, 및 에틸렌글리콜) 및 분기형 올리고머 또는 폴리머(예를 들어, 분기형 폴리아크릴산)가 (111) 결정면 노출을 갖는 지지된 촉매 입자의 형성을 촉진하는 것으로 판명되었다.
C. 촉매 복합체
용어 "촉매 복합체"는 분산제와 한 가지 이상의 상이한 종류의 촉매 원자 사이에 결합 또는 배위 복합체가 형성되어 있는 용액, 현탁액, 또는 다른 조성물을 말한다. 분산제와 촉매 원자 간의 "결합"은 이온결합, 공유결합, 정전기 결합일 수 있으며, 또는 비-결합 전자와의 배위, 반데르발스힘 등의 다른 결합력을 수반할 수도 있다.
촉매 복합체는 하나 이상의 상이한 종류의 분산제와 복합체를 형성한 한 가지 이상의 상이한 종류의 촉매 원자를 포함한다. 어떤 경우, 촉매 복합체는 용매 중에서 용액 또는 현탁액 상태로 분산제와 결합된 개개의 촉매 원자를 포함한다. 이러한 경우, 촉매 입자는, 지지체에 촉매 복합체를 부착시켜 중간 촉매 조성물을 형성한 후, 중간 촉매 조성물에 하나 이상의 적합한 가공처리 단계를 행하여 촉매 입자를 수득함으로써 형성된다. 다른 경우, 촉매 복합체는 현탁액 상태의 나노촉매 입자를 포함하거나 또는 이를 형성하며, 그 후 지지체에 촉매 복합체를 적용한다.
또한, 용매를 제거하여 건조된 촉매 복합체를 수득하고, 이것을 추후 복원하여 지지체에 함침되거나 적용될 수 있는 용액 또는 현탁액을 수득하는 것이 본 발명의 범위 내에 들어간다.
촉매 복합체는 유기금속 화합물을 단독으로 또는 다른 또는 추가의 분산제와 조합하여 포함할 수 있다. 전형적인 구체예에서, 유기금속 화합물은 하기 일반식을 가질 수 있다:
Figure 112007040324318-PCT00001
상기 식에서,
a) X 및 X'는 R, OR, OC(=O)R, 할로겐 원자 및 이것들의 조합을 포함하는 군으로부터 서로 독립적으로 선택되며, 여기서 R은 알킬 또는 아릴 기를 나타낸다.
b) Y 및 Y'는 O, N, P, S 등과 같은 전자-공여 원자이다. Y 및 Y'는 단일 배위 화합물에 속할 수 있으며, 또는 독립적으로 배위된 리간의 일부분일 수 있다.
한 구체예에 따라서, 유기금속 복합체의 금속 중심은 백금, 다른 귀금속, 및/또는 바람직한 촉매 활성을 갖는 다른 금속일 수 있다.
D. 용매 및 담체
촉매 원자(전형적으로는 이온 염의 형태) 및/또는 분산제를 합치기 위한 부형제로서 용매 또는 담체가 사용될 수 있다. 본 발명의 선구 조성물을 제조하는데 사용되는 용매는 유기용매, 물 또는 이것들의 조합일 수 있다. 사용될 수 있는 유기용매는 알코올, 에테르, 글리콜, 케톤, 알데히드, 니트릴 등을 포함한다.
바람직한 용매는 금속염을 용해시키기에 충분한 극성을 갖는 액체이다. 이들 바람직한 용매는 물, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로필 알코올, 아세토니트릴, 아세톤, 테트라히드로푸란, 에틸렌글리콜, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 염화메틸렌 등을 포함하며, 이것들의 혼합물도 포함한다.
다른 화학적 변형제가 또한 액체 혼합물에 포함될 수 있다. 예를 들어, 혼합물의 pH를 조정하기 위하여 산 또는 염기가 첨가될 수 있다. 혼합물의 표면장력을 조정하거나 나노입자를 안정화하기 위해서는 계면활성제가 첨가될 수 있다.
나노입자 성분을 위한 용매는 순수한 용매일 수 있으며, 산이 나노입자 성분의 용해를 보조하기 때문에 산성 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 용액은 유기산 및 무기산을 포함한 어떤 적합한 산으로 산성화될 수 있다. 바람직한 산은 황산, 인산, 염산 등이나 이것들의 조합과 같은 광산이다. 광범위한 농도의 산을 사용하는 것이 가능하지만, 일반적으로는 비교적 희석 용액이 바람직한 용해도 증가를 달성한다. 더욱이, 농축 산 용액은 위험과 비용이 더해질 수 있다. 따라서, 현재로서는 희석 산 용액이 바람직하다.
E. 지지체 및 지지체 재료
나노촉매 입자들은 전형적으로 분리된 고체 재료 위에 형성되거나 적용되고, 이로써 지지된 개질 촉매가 수득된다. 고체 지지체 재료는 유기 또는 무기 재료일 수 있으며, 화학반응 환경에서 화학적으로 불활성이거나, 또는 촉매 입자의 기능을 보완하는 촉매 기능을 제공할 수 있다. 개질 조건이 고온을 포함하는 경우, 지지체는 바람직하게 무기 재료를 포함할 것이다.
유용한 촉매 입자 지지체로서 당업자에게 공지된 어떤 고체 지지체 재료라도 본 발명의 나노촉매 입자를 위한 지지체로서 사용될 수 있다. 이들 지지체는 다양한 물리적 형태일 수 있다. 이들은 다공성일 수도 있고 비-다공성일 수 있다. 이들은 분말, 과립, 정제, 압출물, 또는 다른 3-차원 구조와 같은 3-차원 구조일 수 있다. 또한, 지지체는 박막, 막, 도막 또는 다른 주요 2-차원 구조와 같은 2-차원 구조의 형태일 수 있다. 초-박 섬유 및 필라멘트와 같은 1-차원 구조인 것도 지지체로서 생각된다.
한 바람직한 구체예에서, 개질 촉매 지지체는 다공성 무기 재료를 포함한다. 이들은 알루미나, 실리카, 실리카겔, 티타니아, 규조토, 규조성 토양, 벤토나이트, 진흙, 지르코니아, 마그네시아 및 여러 다른 금속의 산화물을 단독으로 또는 조합하여 포함하나, 이들에 제한되는 것은 아니다. 또한, 이들은 천연 또는 합성 제올라이트와 같은 다공성 고체, 및 정렬 또는 준-정렬된 다공 구조를 갖는 동족 재료들을 포함한다. 다공성 고체가 지지체 재료로 사용되는 경우, 지지체의 표면적은 적어도 20㎡/g, 더욱 바람직하게는 50㎡/g 이상인 것이 바람직하다.
다른 유용한 부류의 지지체는 카본블랙, 활성탄, 그래파이트, 불화 탄소 등과 같은 탄소-기재 재료들을 포함한다. 다른 유용한 부류의 지지체 재료는 폴리머 및 금속 및 금속 합금과 같은 유기 고체를 포함한다.
촉매 산성도를 제공하기 위해서, 예를 들어 염소와 같은 할로겐으로 지지체 재료를 처리하는 것이 유리할 수 있다. 대안으로서 또는 추가하여, 지지체를 황화물로 만드는 것이 유리할 수 있다.
나노촉매 입자들은 지지체 재료 위에 광범위한 로딩량으로 부착될 수 있다. 로딩량은 지지된 촉매의 총 중량 중 0.01% 내지 90중량%의 범위일 수 있다. 바람직한 로딩량은 수반되는 구체적인 개질 용도에 의존할 것이다.
III. 개질 촉매
본 발명에 따른 개질 촉매는 적합한 지지체 재료에 고정된 잘 분산된 나노촉매 입자를 포함한다. 옥탄가 증가 또는 BTX 형성을 위한 나프타의 개질에 적합한 개질 촉매는 한 종류의 촉매 금속 또는 성분을 포함할 수 있으며, 또는 이들은 다성분 촉매일 수도 있다. 이후 더 상세히 논의되겠지만, 촉매를 제조하는 한 방법이 복수의 상이한 금속을 포함하는 다성분 나노촉매 입자를 갖는 개질 촉매의 제조에 특히 유용하다.
전형적인 개질 촉매는, 2차 개질 촉매 성분, 바람직하게 주석 또는 레늄 중 하나 이상과 조합되는 1차 촉매 성분으로서, 백금, 팔라듐, 로듐, 또는 이리듐 중 하나 이상을 포함하는 다성분 나노촉매 입자를 포함한다. 다른 2차 개질 촉매 성분은 게르마늄, 납, 비소, 안티몬, 텅스텐, 오스뮴, 카드뮴, 인듐, 티탄, 인, 갈륨, 루테늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨 및 스트론튬 중 하나 이상을 포함한다. 다성분 개질 촉매가 제공되는 경우, 나노촉매 입자는 바람직하게는 촉매 원자의 바람직한 분포를 가질 것이다.
다성분 개질 촉매의 경우, 개질 촉매 중 적어도 약 50%의 나노촉매 입자가 바람직하게는 두 가지 이상의 나노촉매 성분을 포함할 것이다. 더 바람직하게는 개질 촉매 중 적어도 약 75%의 나노촉매 입자가 두 가지 이상의 나노촉매 성분을 포함하고, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 약 85%의 나노촉매 입자가 두 가지 이상의 나노촉매 성분을 포함하며, 가장 바람직하게는 개질 촉매 중 적어도 약 95%의 나노촉매 입자가 두 가지 이상의 나노촉매 성분을 포함한다. 본 발명의 범위 내에는 본 발명에 따른 개질 촉매 중 적어도 약 99%의 나노촉매 입자가 두 가지 이상의 나노촉매 성분을 포함하는 것도 들어간다.
본 발명에 따라서 제조된 다성분 나노촉매 입자의 실질적인 비율이 두 가지 이상의 나노촉매 성분을 포함하기 때문에, 단일 다성분 입자로 촉매 성분을 갖는 것의 이점은, 단일 성분 촉매 입자들의 불균일 혼합물과 비교하여 나노촉매 입자들이 전체에 더욱 균일하게 분포된다는 것이다. 결과적으로, 전체 촉매는 이들 유리한 특성을 더 많이 나타낸다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 본 발명에 따라서 제조된 나노입자들 사이에서 두 가지 이상의 성분의 분포도는 두 가지 이상의 성분을 갖는 주어진 나노입자 세트에 대한 수율(NR) 또는 NR 범위에 의해서 측정될 수 있다. 수율은 NA/NB이며, 여기서 NA는 본 발명에 따른 나노입자 또는 나노입자 세트에서 다수 성분 A의 원자 개수(또는 몰)이고, NB는 이 나노입자 또는 나노입자 세트에서 소수 성분 B의 원자 개수(또는 몰)이다. NR 값은 주어진 세트의 전체 나노입자에 대한 평균 값(NRavg)으로 표현될 수도 있고, 또는 특정 나노입자 i에 대해 특정한 값(NRi)으로 표현될 수도 있다.
이상적인 경우에, 주어진 본 발명의 나노입자 세트의 각 나노입자 i에 대한 NRi 값은 NRavg와 동일하다. 이 경우, 각 입자 i에서 성분 A와 B의 분포는 동일하다. 또한, 본 발명은 2- 또는 다성분 나노입자의 성분들의 분산을 특정 샘플에서 전체 나노입자에 대한 NR 값의 범위가 바람직한 범위 내에 들어가도록 제어하는 것을 고려한다. NR 범위는 상한값 NRmax와 하한값 NRmix를 가진다. NRavg와 NRmax 및 NRmix의 편차가 적은 경우, NR 범위는 좁아지며, 이것은 나노입자가 더욱 균일함을 나타낸다.
바람직한 구체예에서, NRmax 값은 NRavg 값의 약 5배를 초과하지 않으며, 더욱 바람직하게는 NRavg 값의 약 3배를 초과하지 않고, 가장 바람직하게는 NRavg 값의 약 2배를 초과하지 않는다.
반대로, NRmin 값은 바람직하게는 NRavg 값의 적어도 약 0.2배이고, 더욱 바람직하게는 NRavg 값의 적어도 약 0.33배이며, 가장 바람직하게는 NRavg 값의 적어도 약 0.5배이다.
전술한 바에 따라서, NR 범위는 바람직하게는 NRavg 값의 약 0.2배 내지 약 5배이고, 더욱 바람직하게는 NRavg 값의 약 0.33배 내지 약 3배이며, 가장 바람직하게는 NRavg 값의 약 0.5배 내지 약 2배이다. 전술한 범위는 "범위 외의 것"(즉, 올바로 형성되지 않은 입자와 NRavg로부터 과도하게 벗어나 있어 NR 범위를 벗어난 입자)을 계산하지 않은 것이다. 어떤 경우에 "범위 외의 것"에 대한 NR이 NRavg에 관해 계산될 수도 있지만, 이들은 정의에 따른 "NR 범위" 내에는 들어가지 못한다.
바람직한 구체예에서, 주어진 개질 촉매에서 각 나노입자들의 적어도 약 50%는 NR 범위 내의 NRi를 가질 것이다. 더 바람직하게는 촉매 내의 각 나노입자들의 적어도 약 75%가 NR 범위 내의 NRi를 가질 것이며, 훨씬 더 바람직하게는 촉매 내의 각 나노입자들의 적어도 약 85%가 NR 범위 내의 NRi를 가질 것이고, 가장 바람직하게는 촉매 내의 각 나노입자들의 적어도 약 95%가 NR 범위 내의 NRi를 가질 것이다. 본 발명의 범위 내에는 본 발명에 따른 개질 촉매 내의 각 나노입자들의 적어도 약 99%가 NR 범위 내의 NRi를 갖는 것도 들어간다.
본 발명에 따라서 제조된 나노입자의 NR 범위가 비교적 좁은 것과는 반대로, 선행기술의 나노입자는 매우 넓은 NRi 범위를 가지며, 이것은 어떤 경우 0부터 무한대까지의 범위인데, 이것은 어떤 입자들은 한 성분을 본질적으로 전혀 가지지 않고, 다른 입자들은 나머지 성분(들)을 본질적으로 전혀 가지지 않음을 나타낸다.
다음의 간단한 두 수치 예들이 바람직한 NR 범위를 갖는 본 발명의 나노촉매 입자의 비-제한적인 예를 제공한다. 주어진 나노입자 세트에서 성분 B가 2금속 나노입자 혼합물의 1%를 구성하고 성분 A가 나머지를 구성하는 경우를 생각한다. 이 경우 나노입자 세트의 NRavg는 대략 100이다. 따라서, 나노입자 세트에 대한 바람직한 NR 범위는 20 내지 500이며, 이것은 두 성분을 모두 함유하는 각 나노입자에서 성분 B의 범위가 0.2% 내지 5%인 것을 의미한다. 더욱 바람직한 NR 범위는 33 내지 300이고, 이것은 두 성분을 모두 함유하는 각 나노입자에서 성분 B의 조성 범위가 0.33% 내지 3%인 것을 의미한다. 가장 바람직한 NRi 범위는 50 내지 200이거나, 또는 두 성분을 모두 함유하는 각 나노입자에서 성분 B의 조성 범위가 0.5% 내지 2%인 것이다.
두 번째 간단한 수치 예에서는 전체 NRavg가 1이 되도록 성분 A와 성분 B가 총량의 50%씩 동일한 양으로 각각 존재하는 경우를 생각한다. 이 경우, 바람직한 NRi 범위는 0.2 내지 5이며, 이것은 두 성분을 모두 함유하는 각 나노입자에서 성분 B의 조성 범위가 16% 내지 83%인 것에 해당한다. 더 바람직한 NRi 범위는 0.33 내지 3이며, 이것은 두 성분을 모두 함유하는 각 나노입자에서 성분 B의 조성 범위가 25% 내지 75%인 것에 해당한다. 마지막으로, 가장 바람직한 NRi 범위는 0.5 내지 2이거나, 또는 두 성분을 모두 함유하는 각 나노입자에서 성분 B의 조성 범위가 33% 내지 67%인 것이다.
상기 논의된 대로, 본 발명의 나노촉매 입자의 특징인 바람직한 분산성과 균일성을 제공하기 위하여 본 발명의 분산제가 사용된다. 본 발명에 따른 분산제를 사용함으로써 NR로서 정의된 상기 언급된 균일성이 얻어질 수 있다.
전형적으로 분산제는 개질 촉매의 구성요소로서(즉, 지지체에 나노촉매 입자를 고정하는 고정제로서) 계속 남는다. 본 발명의 발명자는 분산제로 인한 특징적인 특징이 최종 나노촉매 제품에 존재할 수 있다는 것을 알아냈는데, 이것은 분산제가 나노촉매 제조 단계 이후에도 잔존함을 나타낸다.
다성분 나노입자가 모든 성분들을 함유하는 진짜 다성분 화합물 또는 결정 구조를 함유하는 것도 가능하지만 그럴 필요는 없다. 한 구체예에서, 각 나노입자는 성분들의 혼합물로 이루어질 수 있으며, 이들이 어떻게 화학적으로 화합되었는지는 무관하다. 성분들은 상대적으로 분리된 원자들로 존재하거나, 또는 작은 원자 클러스터로 존재할 수 있다. 이들은 또한 비정질 입자로서 존재할 수도 있다. 성분들은 또한 합금을 포함하는 결정립(crystallite)으로서 존재할 수도 있다. 성분 결정은 상대적으로 무작위 결정면 노출을 가질 수도 있고, 또는 특정 결정면의 제어된 또는 선택적인 노출을 가질 수도 있다.
분산제를 사용함으로써 가능해지는 균일성은 개선된 개질 촉매 특성을 제공한다. 수명 등 다성분 개질 촉매의 많은 특성은 두 성분, 예를 들어 백금과 주석의 근접성에 의존한다. 촉매 제조 동안 성분들의 실질적으로 균일한 분포는 이들 상이한 성분들이 서로 가까이 있게 되어 최종 형태의 촉매에 바람직한 기능성 또는 특성을 제공할 가능성을 더욱 높인다.
또한, 분산제는 평균 조성 %를 제어함으로써 성분들의 비율을 매우 정밀하게 선택할 수 있도록 한다. 개개의 다성분 촉매 입자는 평균 조성과 아주 조금 다른 조성 %를 가지기 때문에, 출발 재료들을 조정하여 평균 조성 %를 제어함으로써 각 나노입자의 조성 %가 더욱 정밀하게 제어될 수 있다.
(111) 결정면 노출을 갖는 촉매는 촉매 원자들(예를 들어, Pt)이 중심 촉매 원자의 주변에 6-원 환으로 배치되므로 방향족류를 형성하는데 있어서 특별한 효용성을 가질 것으로 예상된다. 본 발명에 따른 개질 촉매는, 종래의 개질 촉매와 비교하여 옥탄가 증가 및/또는 방향족 화합물 형성에 대한 능력이 증대된 것으로 나타났으며, 따라서 이 가설이 뒷받침된다. 또한, 이들은 종래의 개질 촉매에 비하여 순 수소 생산의 증가를 가져왔다.
IV. 개질 촉매를 제조하는 전형적인 방법
본 발명에 따른 지지된 개질 촉매를 제조하는 전형적인 방법은 다음과 같이 대체적으로 요약될 수 있다. 제 1 단계로, 한 종류 이상의 촉매 원자 및 한 종류 이상의 분산제가 선택된다. 제 2 단계에서, 촉매 원자(예를 들어, 금속 또는 다른 성분)와 분산제가 반응되거나 함께 합쳐져 촉매 복합체가 형성된다. 제 3 단계에서, 촉매 복합체가 지지체 재료 위에 함침되거나 또는 지지체 재료에 부착된다.
한 구체예에 따라서, 개질 촉매는 촉매를 활성화하거나 촉매를 개질 공정에 사용하도록 준비하기 위해서 더 열처리된다. 이 방법은 단일 성분과 다성분 개질 촉매의 제조 모두에 유용하다.
다른 구체예에 따라서, 다-성분 개질 촉매는 2004년 11월 17일자 출원된 미국출원 제10/990,616호, 발명의 명칭 "분산제를 사용하여 형성된 다성분 나노입자"에 개시된 방법에 따라 제조될 수 있으며, 상기 문헌은 참고자료로 본원에 포함된다.
본 발명에 따른 개질 촉매는 열처리 과정을 사용해서도 또는 사용하지 않고도 제조될 수 있다. 열처리 과정은 촉매 원자를 제로가 아닌 산화상태에서 제로의 산화상태로 환원시키기 전이나, 또는 그 후에 수행될 수 있다.
상기 간략히 나타낸 제 2 단계 동안 제조된 촉매 복합체는 일반적으로, 촉매 원자와 분산제를 적합한 용매나 담체에 먼저 용해시키고, 촉매 원자가 촉매 복합체로 다시 결합하도록 하여 용액 또는 현탁액을 형성함으로써 형성된다. 한 구체예에서, 분산된 나노촉매 입자는 현탁액을 형성한다. 다른 구체예에서, 분산제는 하나 이상의 후속 단계에서 지지체 표면 위에 배치되었을 때 나노촉매 입자의 형성을 촉진한다.
촉매 원자는 촉매 복합체를 형성하는데 사용된 용매나 담체 중에 용해 또는 분산될 수 있는 어떤 형태로도 제공될 수 있다. 예를 들어, 촉매 원자는 용매 또는 담체 중에서 쉽게 용해될 수 있는 금속염으로 제공될 수 있다. 전형적으로, 금속 염화물 및 질산염이 다른 금속염들보다 더 가용성이기 때문에, 금속 염화물 및 질산염을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
촉매 원자는 용매 또는 담체에 단독으로 또는 조합하여 첨가될 수 있고, 이로써 다양한 종류의 촉매 원자들의 혼합물을 포함하는 최종 나노촉매 입자가 제공된다. 예를 들어, 먼저 백금의 선구 용액과 주석의 선구 용액을 형성한 다음 선구 용액들을 조합함으로써 백금/주석 개질 촉매가 형성될 수 있다. 일반적으로, 최종 나노촉매 입자의 조성은 선구 용액에 첨가된 촉매 원자들의 종류에 의해 결정될 것이다. 따라서, 선구 용액에 첨가되는 금속염의 양을 제어하는 것이 최종 나노촉매 입자에 있는 상이한 종류의 촉매 원자들의 상대적 농도를 제어하는 편리한 방법을 제공한다.
분산제는 분산제와 촉매 원자의 결합을 촉진하여 촉매 복합체를 형성하도록 하는 방식으로 용매 또는 담체에 첨가된다. 어떤 분산제는 분산제 자체가 용매나 담체 중에서 용해할 수 있다. 카르복실산 기를 포함하는 분산제의 경우, 산의 금속염(예를 들어, 알칼리 금속염 또는 알칼리 토금속염)을 형성하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 폴리아크릴산은 수성 용매 시스템 중에서 쉽게 용해할 뿐만 아니라 촉매 금속염과도 반응할 수 있는 나트륨 폴리아크릴산염으로 제공될 수 있으며, 이로써 용매나 담체 중에 용해하거나 또는 현탁액을 형성할 수 있는 금속-폴리아크릴산 복합체가 형성된다.
본 발명의 한 양태는 매우 작은 나노촉매 입자가 제어되어 형성될 수 있다는 것이다. 본 발명자들은 촉매 원자에 대한 분산제의 상대적 양(또는 비율)이 결과의 촉매 나노입자의 크기를 결정하는데 있어서 한 요인으로 작용할 수 있다고 생각한다. 일반적으로, 화학량론을 초과하는 분산제를 제공하는 것이 입자 응집을 줄이는데 도움이 되며, 이로써 또한 일반적으로 나노입자의 크기도 감소한다.
다음에, 촉매 복합체가 지지체 재료에 함침되거나 적용되어 중간 촉매 조성물이 제공된다. 어떤 구체예에서, 촉매 복합체 용액 또는 현탁액이 고체 지지체와 물리적으로 접촉된다. 촉매 복합체와 고체 지지체의 접촉은 전형적으로 촉매 복합체 용액 내의 적합한 용매 또는 담체에 의해 달성되며, 이로써 촉매 복합체가 지지체 표면 위에 적용되거나 함침되어 중간 촉매 조성물이 제공된다.
고체 지지체의 물리적 형태에 따라서, 촉매 복합체를 지지체와 접촉시키거나 적용하는 과정은 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 지지체는 용매 또는 담체와 촉매 복합체를 포함하는 용액 또는 현탁액에 넣어지거나 침지될 수 있다. 대안으로서, 용액 또는 현탁액이 지지체에 분무되거나, 부어지거나, 도장되거나, 또는 조기 습식 함침 등의 다른 식으로 적용될 수 있다. 그 후, 용매 또는 담체가 제거되는데, 이것은 선택적으로 지지체에 분산제가 화학적으로 결합되거나 부착되도록 하는 반응 단계에 연계하여 행해진다. 어느 방식으로든 이 과정은 중간 촉매 조성물을 제공한다.
어떤 구체예에서, 중간 촉매 조성물은 옥탄가 증가 및/또는 BTX 형성을 위한 나프타의 촉매 개질에 사용하도록 지지된 촉매 원자 또는 입자를 더 활성화하거나 준비하기 위하여 열처리된다. 어떤 경우, 개질 촉매로 사용하기 전에 나노촉매 입자에 열처리 과정을 행하는 것은 초기에 촉매를 더욱 활성으로 만드는 것으로 판명되었다. 한 구체예에서, 열처리는 나노촉매 입자로부터 원치 않는 분자를 휘발시키기 위해서 수행된다. 열처리는 또한 나노촉매 입자와 지지체 재료의 고정을 강화하기 위해서 수행된다. 예를 들어, 나프타 개질 촉매에 있어서, 500℃까지 점진적으로 가열하는 것이 나노촉매 입자와 알루미나 또는 실리카와 같은 지지체 재료 간의 결합을 개선할 수 있다. 촉매 복합체를 지지체 재료에 적용하기 전에 현탁액 중에 나노입자가 형성되지 않은 경우, 열처리는 각 복합체 원자로부터 나노촉매 입자가 조기에 형성되도록 할 수 있다.
전형적인 구체예에서, 열처리 과정은 불활성 또는 산화 환경에서 적어도 초기에는 제로가 아닌 산화상태의 촉매 원자에 대해서 수행된다. 적어도 어떤 경우에, 열처리 전에 촉매 원자를 0의 산화상태로 환원시키는 것은 촉매 원자와 분산제 간 상호작용을 약화시키며, 어떤 경우 나노촉매 입자들의 원치 않는 응집을 일으킬 수도 있다고 생각된다. 제로가 아닌 산화상태에서 촉매 원자는 촉매 원자의 전하 때문에 분산제와 훨씬 강한 결합을 형성한다. 열처리 과정이 일부 촉매 원자의 환원을 일으키는 경우, 불활성 또는 산화 분위기에서 열처리 과정을 수행하는 것이, 열처리가 H2 같은 환원 환경에서 수행되었을 경우보다 오랫동안 촉매 원자가 제로가 아닌 산화상태를 유지하는데 도움이 된다.
나노촉매 입자가 다성분 나노입자인 경우, 제로가 아닌 산화상태에서의 열처리는 나노촉매 입자들 간 성분들의 분포를 개선할 수 있다. 분산제와 상이한 나노입자 성분들 간에 더 강한 결합을 유지하는 것은 같은 성분 인력을 감소시킨다. 같은 성분 인력의 감소는, 나노입자들 간 상이한 촉매 원자들의 분포를 더욱 랜덤화하고, 및/또는 같은 성분 인력이 열처리 단계가 수행되기 전에 촉매 나노입자에 이미 존재하고 있는 분포를 파괴하는 것을 방지한다. 심지어 단일 성분 촉매 시스템에서도 촉매 원자를 제로가 아닌 산화상태로 유지하면서 개질 촉매를 열처리하는 것은 열처리 과정에 관련된 고온에서의 원치 않는 응집을 방지하는데 도움이 될 수 있다.
본 발명의 열처리 과정은 바람직하게 약 50℃ 내지 약 600℃ 범위, 더 바람직하게는 약 100℃ 내지 약 500℃ 범위, 가장 바람직하게는 약 150℃ 내지 약 400℃ 범위의 온도에서 수행된다. 열처리 과정의 기간은 바람직하게 약 5분 내지 약 24시간 범위, 더욱 바람직하게는 약 30분 내지 약 12시간 범위, 가장 바람직하게는 약 1시간 내지 약 6시간 범위이다. 열처리 단계를 수행하기 위한 바람직한 불활성 환경은 N2를 포함한다.
금속 촉매 입자를 제로가 아닌 산화상태로 유지하면서 개질 촉매를 열처리하는 것의 한 유리한 특징은 나노입자가 변성되거나 촉매 활성이 감소하지 않는다는 것이다. 분산제가 추가의 안정성을 제공하며, 이것은 분산제와 제로가 아닌 산화상태의 촉매 원자 간 강한 상호작용으로 인하여 나노입자의 파괴나 응집을 방지하는데 도움이 된다.
한 구체예에 따라서, 촉매 원자를 부분적으로 환원시키기 위해서 열처리 전에 부분적 환원 단계가 수행될 수 있다. 이 구체예에서, 환원 단계는 촉매 원자를 제로의 산화상태로 환원시키는 것이 아니며, 다만 촉매 원자가 부분적으로 환원되는 것일 뿐이다(즉, 제로가 아닌 더 높은 산화상태에서 제로가 아닌 더 낮은 산화상태로). 전형적으로, 촉매 원자는 이 환원 단계가 충분히 저온에서 수행될 경우 부분적으로만 환원된다. 전형적인 구체예에서, 백금 촉매 원자는 H2의 존재하에 약 100℃ 미만의 온도로 나노촉매 입자를 가열하는 것에 의해 부분적으로 환원될 수 있다.
일단 열처리 단계가 완료되면, 고온 환원 단계를 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 하기 설명된 대로, 개질 반응기(예를 들어, 촉매 탈수소화 동안 나프타 자체가 환원제로서 작용할 수 있다)에서 환원이 수행될 수 있다. 전술한 열처리 과정 후에 환원 과정을 수행하는 것이 촉매 원자의 분산 및/또는 분포에 미치는 영향이 덜할 수 있다. 제로가 아닌 산화상태에서 촉매 원자를 열처리함으로써 후속 환원 조건에 노출되었을 때 더욱 안정한 더욱 고정된 촉매 입자가 형성된다고 생각된다.
바람직한 경우, 촉매 나노입자는 환원 과정(예를 들어, 수소화)을 사용하여 개질 촉매로 사용하기 전에 환원될 수 있다. 수소가 한 바람직한 환원제이다. 환원제로서 수소의 사용을 대신하여, 또는 거기에 더하여, 각종의 다른 환원제가 사용될 수도 있으며, 이들은 리튬 알루미늄 수소화물, 나트륨 붕소수소화물, 나트륨 중아황산염, 나트륨 티오황산염, 히드로퀴논, 메탄올, 알데히드, 일산화탄소, 암모니아 등을 포함하나, 이들에 제한되는 것은 아니다. 환원 과정은 20℃ 내지 600℃의 온도에서 수행될 수 있다.
마지막으로, 개질 촉매는 특정한 반응기 또는 공정 구성에 적합한 크기와 모양을 가진 마무리된 제품으로 더 가공처리될 수 있다. 예를 들어, 다른 방법들 중에서도 특히, 압출, 펠릿화, 또는 분무건조에 의하여 분말이 가공처리될 수 있다.
V. 탄화수소 개질 방법
본 발명에 따른 개질 촉매는 나프타와 같은 탄화수소류를 개질하는데 사용될 수 있다. 다른 반응들 중에서도 특히, 개질 촉매는 방향족류를 생산하기 위한 나프텐의 탈수소화, 분기형 파라핀 또는 이소-파라핀류를 형성하기 위한 선형 파라핀의 이성질화, 및 방향족류를 형성하기 위한 파라핀의 탈수소폐환에서 사용될 수 있다. 개질 촉매는 연료 블렌딩에 알맞도록 옥탄가를 증가시키는데 사용될 수도 있고, 및/또는 벤젠, 톨루엔, 크실렌류, 에틸벤젠, 및 다른 방향족 화합물들을 얻기 위한 BTX 반응에 사용될 수도 있다.
본 발명에 따른 개질 촉매는, 나노촉매 입자가 지지체에 더욱 강하게 고정되어 있고, 이것이 촉매의 유효 수명을 연장하기 때문에, 본 분야에 공지된 개질 촉매에 비해 우수하다. 다성분 촉매의 경우, 종래의 다성분 나노촉매에서 전형적으로 발견되는 상이한 종류의 단일 성분 촉매 입자들의 완전히 또는 대체로 불균질한 혼합물과는 달리, 본 발명의 개질 촉매는, 이들이 나노촉매 입자 내에 두 가지 이상의 촉매 성분을 포함하는 촉매 입자를 포함하기 때문에 우수하다.
개질 공정은 전형적으로 반응기에서 수행된다. 나프타 촉매 개질 같은 반응을 위한 세 가지 적합한 반응기 구성은: a) 6개월 내지 24개월마다 촉매가 재생되고, 반응기의 폐쇄가 필요한 반-재생 공정; b) 촉매 재생을 위해 한 반응기가 오프라인 상태일 때, 예비 반응기가 온라인 상태로 되는 순환 공정; 및 c) 개질 반응기의 상부에서 하부까지 촉매가 연속 순환한 후 재활성화를 위해 외부 재생 유닛으로 공급되고, 그 다음 반응기의 상부로 보내지는 연속 촉매 재생(CCR) 공정;을 포함한다.
전형적으로, 개질 촉매가 먼저 반응기에 로딩되고, 그 다음 환원 처리된다. 이 처리는 통상 순수한 수소 환경에서 고온(400℃~525℃)으로 촉매를 가열하는 것을 포함한다. 다음에, 나프타가 수소를 계속 흘려보내면서 반응기에 연속 공급된다. 전형적인 수소 대 탄화수소 몰비는 3 내지 8이다.
반응 조건은 옥탄 획득 최대화, 경질 기체 손실 최소화, 및 촉매 수명 연장을 절충하여 선택된다. 촉매 나프타 개질은 코크스 전구물질의 수소화를 촉진하기 위하여 수소 분위기에서 수행되며, 이로써 촉매 비활성화 및 장치 오염도 최소화된다. 동시에, 높은 수소 분압이 탈수소화 반응을 억제하려는 경향을 나타낸다. 전체 작업 압력은 약 300kPa 내지 약 3.5MPa의 범위이다. 온도와 관련해서는, 더 높은 온도가 개질물의 높은 옥탄가 및 경질 기체를 생성하는 수소화분해에 모두 유리하다. 전형적인 작업 온도는 약 460℃ 내지 약 525℃이다.
다음의 전형적인 과정들이 본 발명에 따라서 개질 촉매를 제조하고, 나프타 공급원료의 옥탄가를 개선하고 BTX 방향족류를 생산하는 이들의 능력을 시험하는데 사용된다.
실시예 1
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(Pt: 38-40%, 선택 39%) 1.0209g을 물에 용해하고 100.0mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 백금 용액의 최종 농도는 0.003982g Pt/mL였다.
(ii) SnCl2.2H2O(98%) 1.9390g과 37% HCl 수용액 5.74g을 혼합하여 SnCl2를 용해하여 주석 용액을 제조했다. 그 다음, 주석 용액을 200.0mL로 희석하여 주석 농도가 0.004999g Sn/mL인 용액을 만들었다.
(iii) 0.003982g Pt/mL 용액 23.56g을 희석하여 100g 용액을 만든 다음, 37% HCl 용액 4.4g을 교반하면서 가하여 용액 A를 제조했다.
(iv) 0.004999g Sn/mL 용액 12.96g을 희석하여 100g 용액을 만든 다음, 용액 A를 가하여 용액 B를 제조했다.
(v) 용액 B를 1시간 방치한 다음, 37% HCl 용액 1.67g을 가하여 용액 C를 제조했다.
(vi) 45% 폴리아크릴산 나트륨염 용액 2.73g을 물로 220g으로 희석한 다음, 용액 C를 가하여 용액 D를 제조했다.
(vii) 100mL/분 N2로 1시간 동안 용액 D를 소기시켰다. N2를 20분간 100mL/분 H2로 교체했다. 그 다음, 플라스크를 밀봉하고 하룻밤 동안 계속 교반했다.
(viii) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 27.60g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분간 약 80mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 D에 Al2O3 지지체를 가했다. 결과의 혼합물을 모든 액체가 증발할 때까지 회전시키면서 IR 램프로 가열했다.
(ix) 그 다음, 초기에는 제로가 아닌 산화상태로 백금과 주석 원자를 포함했던 샘플을 머플로(muffle furnace)에 넣고 다음 과정에 따라 N2 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 120℃에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 300℃에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(x) 실온으로 냉각한 후 샘플을 꺼내어 온수(80-90℃)로 2번 세척했는데, 매번 100mL씩 사용했다. 뒤이어 실온에서 물로 3번 세척했는데, 매번 100mL씩 사용해서 어떤 잔류한 나트륨 이온을 제거한다. 그 다음, 샘플을 2시간 동안 건조 오븐에 넣어 두었다.
(xi) 그 다음, 37% HCl 용액 0.83g과 물 29.2g을 혼합하여 제조한 HCl 용액으로 샘플을 함침시켰다. 샘플을 실온에서 건조시킨 후, 건조 오븐에서 2시간 건조시키고, 마지막으로 샘플을 공기 유동 하에 200℃에서 2시간 동안 머플로에 두었다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 1.08% Cl의 중량 조성을 가졌다.
비교 연구
비교 연구에서는, 실시예 1의 본 발명의 Pt-Sn 개질 촉매를 고정층 반응기에 로딩하여 나프타의 촉매 개질에 사용했다. 직접 비교를 위해서 종래의 개질 촉매(즉, 분산제를 사용하지 않고 제조한)를 사용했다. 종래의 개질 촉매는 실시예 1의 본 발명 개질 촉매와 동일한 재료 위에 지지되었고 동일한 원소 조성을 가졌지만, 분산제를 사용하지 않고 제조된 것이었다. 종래의 개질 촉매와 실시예 1의 본 발명 개질 촉매를 동일한 반응기에 로딩하고, 동일한 전처리 및 반응 조건을 적용했다.
각 반응 시험을 위하여, 대략 21g의 고체 촉매를 관형 반응기에 로딩했는데, 여기서 가열 부피는 재가열 구역에 의해 분리된 두 개의 동일한 촉매층으로 나눠져 있다. 두 촉매를 불활성 유리 비드로 희석하여 촉매층의 등온성을 개선했다. 밀도가 59.6 °API(0.7405g/cc)이, 불순물 수준은 황과 질소에 대해 모두 1ppm 이하이고, 초기 및 최종 비등점이 각각 68.7℃ 및 143℃인 나프타 원료를 분자체 층을 통해 흘려보내서 건조시켜 수분 수준을 20ppm 이하로 했다. 반응 전에 산화된 촉매를 480℃에서 12시간 동안 순수한 수소 중에서 환원시켰다. 나프타를 50g/시간으로 수소를 2.11scf/시간으로 연속 공급하면서 개질 반응을 480℃ 및 100psig에서 수행했다. 이것은 2.4h-1의 중량공간속도(WHSV) 및 5.0의 수소 대 탄화수소 몰비에 해당한다. 이들 값은 종래의 CCR 반응기에 대한 통상적인 작업 범위 내의 값이다. 기체 크로마토그래피(GC)로 출구 기체를 분석하여 생성된 수소 및 경질 탄화수소 기체(C1-C4)의 양을 측정했다. 반응은 90시간 동안 행했고, 90시간째에 기체 공급을 중단하고 액체 생성물을 수집하여 그것의 상세한 조성 및 조사 옥탄가(RON)를 측정했다.
실시예 1의 지지된 개질 촉매 사용과 종래의 개질 촉매 사용을 비교한 결과를 표 I에 나타낸다. 조사 옥탄가(RON)는 표준 ASTM 엔진 시험법으로 측정했다.
Figure 112007040324318-PCT00002
표 I의 결과는 실시예 1의 본 발명 개질 촉매가 이 시험에서 사용된 종래의 개질 촉매와 비교하여 매우 개선된 옥탄가, 수소 생성, 및 액체 개질 산물 중 방향족류 함량을 가진다는 것을 나타낸다. 종래의 개질 촉매를 사용하여 형성된 산물을 능가하는 실시예 1의 본 발명 개질 촉매를 사용하여 형성된 산물의 개선된 비중 증가는 실시예 1의 개질 촉매를 사용하여 생성된 수소의 더 높은 수준의 값과 일치한다. 이들 결과는 본 발명의 개질 촉매가 전동기 연료의 옥탄가를 증가시키는데 뿐만 아니라 BTX 및 다른 방향족류의 생산에도 사용될 수 있음을 나타낸다.
또한, 이 시험은 함께 블렌드된 백금과 주석 원자를 모두 포함하는 촉매 입자를 갖는 개질 촉매의 제공이 우수한 촉매 개질 활성을 제공함을 시사한다. 이것은 백금 및 주석 원자가, 제로가 아닌 산화상태의 촉매 원자와 분산제/고정제 사이의 강한 결합 없이 열처리되거나 하소된 종래의 개질 촉매에 비하여, 지지된 촉매 전체에 더욱 균일하게 분산됨을 시사한다.
실시예 2
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 지지체 30g을 2시간 동안 2.0% 수산화 나트륨 용액 150mL으로 함침시켰다. 필터로 Al2O3를 수집하고 물과 아세톤으로 세척한 다음, 90℃에서 4시간 건조시켰다.
(ii) 시스-디클로로비스(디에틸술피드)-백금(II) 0.2335g과 디클로로비스(아세틸아세토네이트)-주석(IV) 0.2254g을 톨루엔 20mL에 용해했다.
(iii) 단계 (i)로부터의 Al2O3 30g을 톨루엔 30mL에 가한 다음, 이어서 단계 (ii)에서 제조된 용액을 가했다. 혼합물을 질소 분위기에서 12시간 동안 현탁 교반 막대로 부드럽게 교반하여 고체 샘플을 만들었다. 고체 샘플을 여과하고 톨루엔으로 세척한 다음, 90℃에서 2시간 건조시켰다.
(iv) 그 다음, 초기에는 제로가 아닌 산화상태로 백금과 주석 원자를 포함했던 샘플을 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 공기 중에서 열처리했다:
1) 7℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
2) 2시간 동안 300℃ 유지
3) 3℃/분으로 300℃에서부터 500℃까지 가열
4) 2시간 동안 500℃ 유지
(v) 실온 냉각한 후, 샘플을 8시간 동안 희석 HCl 용액(37% HCl 용액 0.83g과 물 29.2g을 혼합하여 제조한)으로 함침시켰다. 샘플을 12시간 동안 80℃ 건조 오븐에서 건조시켰다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 1.08% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 3
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) Pt(acac)2 209.1mg과 Sn(acac)2Cl2 229.2mg을 100mL 아세톤에 용해했다.
(ii) Al2O3 지지체 30g을 2시간 동안 100mL 아세톤 중에서 소킹했다. 그 다음, 상층을 가만히 부어서 아세톤을 제거했다.
(iii) 단계 (i)로부터의 용액을 단계 (ii)의 전처리된 Al2O3 지지체에 첨가하고, 회전 진공 증발에 의해 건조시켰다.
(iv) 단계 (iii)으로부터의 결과의 혼합물을 6시간 동안 70℃의 오븐에 넣어 둔 다음, 예열한 머플로로 이동시켜 질소 분위기에서 300℃에서 1시간 그리고 480℃에서 3시간 두었다.
(v) 실온으로 냉각한 후, 샘플을 37% HCl 용액 0.93g과 물 25mL를 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 함침시켰다. 샘플을 실온에서 건조시키고, 이어서 건조 오븐에서 2시간 건조시켰다. 실온 냉각한 후 샘플을 칭량하여 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 1.08% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 4
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O 275.52g(0.532mmol)과 SnCl2.2H2O 133.36g(0.591mmol)을 30mL 에틸렌글리콜에 용해했다.
(ii) 용액을 Al2O3 지지체 30g 위에 함침시켰다.
(iii) 결과의 혼합물을 100℃ 진공 오븐에서 6시간 건조시켰다.
(iv) 그 다음, 초기에는 제로가 아닌 산화상태로 백금과 주석 원자를 포함했던 샘플을 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 N2 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 120℃에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 300℃에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(v) 실온으로 냉각한 후 샘플을 풍부한 물로 세척했다. 그 다음, 샘플을 2시간 동안 80℃에서 건조시켰다.
(vi) 실온으로 냉각한 후, 샘플을 37% HCl 용액 0.93g과 물 25mL를 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 샘플을 함침시켰다. 샘플을 실온에서 건조시킨 후, 80℃ 오븐에서 2시간 건조시켰다. 실온 냉각 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 1.08% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 5
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(Pt: 38-40%, 선택 39%) 0.9950g을 물에 용해하고 100.0mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 백금 용액의 최종 농도는 0.003881g Pt/mL였다.
(ii) SnCl2.2H2O(98%) 7.66g과 37% HCl 수용액 10g을 혼합하여 SnCl2를 용해하여 주석 용액을 제조했다. 그 다음, 주석 용액을 200.0mL로 희석하여 주석 농도가 0.01976g Sn/mL인 용액을 만들었다.
(iii) 37% HCl 4.0g, 단계 (i)에서 제조된 0.003881g Pt/mL 용액 24.18g, 및 단계 (ii)에서 제조된 0.01976g Sn/mL 용액 3.21g을 혼합한 다음, 0.001169g/mL 글리콜산 용액 6.26g을 가하여 용액 A를 제조했다.
(iv) 용액 A를 10분간 환류시키면서 비등점까지 가열한 다음, 실온으로 냉각하여 용액 B를 제조했다.
(v) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 27.60g을 30분간 진공에 둔 다음, 50mL 메탄올로 30분간 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 B에 Al2O3를 가하고, 모든 액체가 증발할 때까지 실온에서 함침시켰다.
(vi) 그 다음, 샘플을 건조 오븐에서 3시간 동안 건조시킨 다음, 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 공기 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 실온에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(vii) 실온 냉각 후 샘플을 꺼냈다. 그 다음, 샘플을 37% HCl 용액 0.83g과 물 29.2g을 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 샘플을 함침시켰다.
(viii) 샘플을 실온에서 건조시킨 다음, 건조 오븐에서 하룻밤 건조시켰다. 실온 냉각 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 1.08% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 6
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(Pt: 38-40%, 선택 39%) 1.0200g을 물에 용해하고 100.0mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 백금 용액의 최종 농도는 0.003978g Pt/mL였다.
(ii) SnCl2.2H2O(98%) 1.23g과 37% HCl 수용액 4.3g을 혼합하여 SnCl2를 용해하여 주석 용액을 제조했다. 그 다음, 주석 용액을 200.0mL로 희석하여 주석 농도가 0.003236g Sn/mL인 용액을 만들었다.
(iii) 단계 (i)로부터의 0.003978g Pt/mL 용액 23.59g을 물로 희석하여 100g 용액을 만든 다음, 37% HCl 용액 4.4g을 교반하면서 가하여 용액 A를 제조했다.
(iv) 단계 (ii)로부터의 0.003236g Sn/mL 용액 19.62g을 물로 희석하고, 이 용액을 용액 A를 가한 다음, 37% HCl 1.67g를 용액 B에 가하여 용액 B를 제조했다.
(v) 45% 폴리아크릴산(나트륨염) 용액 2.73g을 물로 220g으로 희석한 다음, 이것을 용액 B에 가하여 용액 C를 제조했다.
(vi) 100mL/분 N2로 1시간 동안 용액 C를 소기시켰다. 그 후, N2를 20분간 100mL/분 H2로 교체했다. 그 다음, 플라스크를 밀봉하고 하룻밤 동안 계속 교반했다.
(vii) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 27.60g을 30분간 진공에 둔 다음, 50mL 메탄올로 30분간 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 C를 Al2O3에 가했다. 결과의 혼합물을 모든 액체가 증발할 때까지 회전시키면서 IR 램프로 가열했다.
(viii) 그 다음, 샘플을 진공 오븐에서 하룻밤 건조시킨 다음, 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 N2 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 실온에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(ix) 실온 냉각한 후 샘플을 꺼내어 온수(80-90℃)로 2번 세척했는데, 매번 100mL씩 사용했다. 뒤이어 실온에서 물로 3번 세척했는데, 매번 100mL씩 사용해서 어떤 잔류한 나트륨 이온을 제거한다. 그 다음에, 샘플을 건조 오븐에 4시간 동안 넣어 두었다.
(x) 그 다음, 샘플을 희석 HCl 용액(37% HCl 용액 0.42g과 물 29.6g을 혼합하여 제조한)으로 실온에서 하룻밤 함침시켰다. 그 다음, 샘플을 약 40℃에서 건조시킨 다음, 4시간 동안 건조 오븐에서 건조시켰다. 실온 냉각 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 0.54% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 7
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) 25.52wt% H2PtCl6 수성 용액 406.35mg을 물로 15mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다.
(ii) SnCl2.2H2O(98%) 133.36g과 37% HCl 4g과 함께 탈이온수 15mL로 용해하여 주석 용액을 제조했다.
(iii) 단계 (i)로부터의 백금 용액과 단계 (ii)로부터의 주석 용액을 혼합하여 용액 A를 제조했다.
(iv) 용액 A에 215.75mg 시트르산을 가하여 용액 B를 제조했다.
(v) 용액 B를 1시간 환류시킨 다음, 계속 교반하면서 실온으로 냉각했다.
(vi) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 30g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분 동안 약 50mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 B에 Al2O3 지지체를 가했다. 결과의 혼합물을 모든 액체가 증발할 때까지 핫플레이트에서 가열했다.
(vii) 결과의 혼합물을 3시간 동안 80℃ 오븐에 넣어 두었다.
(viii) 그 다음, 초기에는 제로가 아닌 산화상태로 백금과 주석 원자를 포함했던 샘플을 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 N2 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 120℃에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 300℃에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(ix) 실온 냉각 후 열처리된 촉매를 1500mL 탈이온수(750mL 냉수 + 750mL 온수(약 80℃))로 세척했다.
(xi) 그 다음, 샘플을 37% HCl 용액 0.93g과 물 25mL를 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 함침시켰다. 샘플을 실온에서 건조시키고, 이어서 건조 오븐에서 2시간 건조시켰다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 1.08% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 8
본 발명에 따른 개질 촉매를 활성 성분인 백금, 알루미나 지지체, 및 에틸렌글리콜 분산제를 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(39wt% Pt) 5g을 에틸렌글리콜에 용해하고 200mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 백금 용액의 최종 농도는 0.00975g Pt/mL였다.
(ii) 단계 (i)로부터의 0.00975g Pt/mL H2PtCl6 용액 9mL를 물로 21.5mL로 희석하여 용액 A를 제조했다.
(iii) 계속 교반하면서 용액 A에 1mol/L NaOH/에틸렌글리콜 용액 4.5mL를 가하여 용액 B를 제조했다.
(iv) 용액 B를 30분간 130℃에 유지한 다음, 계속 교반하면서 실온으로 냉각했다.
(v) Al2O3 28.86g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분간 약 50mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 단계 (iv)로부터의 용액 B를 처리된 Al2O3 지지체에 가했다.
(vi) 결과의 혼합물을 모든 액체가 증발할 때까지 6시간 동안 100℃ 오븐에 넣어 두었다.
(vii) 실온 냉각 후, 건조된 촉매를 1500mL 탈이온수(750mL 냉수 + 750mL 온수(약 80℃))로 세척했다. 그 다음, 샘플을 80℃에서 2시간 건조시켰다.
(viii) 그 다음, 37% HCl 용액 0.81g과 물 25mL를 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 샘플을 함침시켰다. 샘플을 실온에서 건조시키고, 이어서 건조 오븐에서 2시간 건조시켰다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.3% Pt 및 1% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 2-8의 지지된 개질 촉매를 사용하여, 실시예 1과 관련하여 상기 설명된 것과 동일한 과정을 이용하여 나프타를 개질했다. 실시예 2-8의 촉매를 사용한 개질 과정의 결과를 표 II에 나타낸다.
Figure 112007040324318-PCT00003
실시예 9
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(Pt: 38-40%, 선택 39%) 1.0200g을 물에 용해하고 100.0mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 이 용액의 최종 백금 농도는 0.003978g Pt/mL였다.
(ii) 0.001169g/mL 글리콜산 용액 3.00g을 22.6g으로 희석한 다음, 이것을 0.003978g Pt/mL 용액 22.62g과 혼합하여 용액 A를 제조했다.
(iii) 용액 A를 10분간 환류시키면서 비등점까지 가열한 다음, 실온으로 냉각하여 용액 B를 제조했다.
(iv) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 30.00g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분간 80mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 B를 Al2O3에 가하고, 실온에서 하룻밤 함침시켰다.
(v) 샘플을 약 40℃까지 가열하고 건조될 때까지 유지한 다음, 건조 오븐에서 3시간 동안 건조시키고, 그 다음 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 N2 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 실온에서부터 480℃까지 가열
6) 2시간 동안 480℃ 유지
(vi) 실온으로 냉각한 후 샘플을 머플로에서 꺼냈다. 그 다음, 37% HCl 용액 0.80g과 물 29.2g을 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 샘플을 함침시켰다.
(vii) 샘플을 약 40℃에서 건조시킨 다음 건조 오븐에서 하룻밤 건조시켰다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.3% Pt 및 1% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 10
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(Pt: 38-40%, 선택 39%) 1.0200g을 물에 용해하고 100.0mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 이 용액의 최종 백금 농도는 0.003978g Pt/mL였다.
(ii) 단계 (i)로부터의 0.003978g Pt/mL 용액 22.62g을 물로 204mL로 희석하여 용액 A를 제조했다.
(iii) 45% 폴리아크릴산(나트륨염) 용액 1.23g을 물로 204mL로 희석한 다음, 이것을 용액 A에 가하여 용액 B를 제조했다.
(iv) 용액 B를 1시간 동안 100mL/분으로 N2로 소기시켰다. 그 후, N2를 20분 동안 100mL/분 H2로 교체했다. 그 다음, 플라스크를 밀봉하고 하룻밤 동안 계속 교반했다.
(v) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 30.00g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분간 80mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 B를 처리된 Al2O3에 가했다. 결과의 혼합물을 모든 액체가 증발할 때까지 IR 램프로 가열했다.
(vi) 샘플을 건조 오븐에서 하룻밤 건조시킨 다음, 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 N2 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 실온에서부터 480℃까지 가열
6) 2시간 동안 480℃ 유지
(vii) 실온으로 냉각한 후, 샘플을 꺼내서 온수(80~90℃)로 2번 세척했는데, 매번 100mL씩 사용했다. 뒤이어 실온에서 물로 3번 세척했는데, 매번 100mL씩 사용해서 어떤 잔류한 나트륨 이온을 제거한다. 그 다음, 샘플을 건조 오븐에 2시간 동안 넣어 두었다.
(viii) 그 다음, 샘플을 37% HCl 용액 0.80g과 물 29.2g을 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 함침시켰다. 샘플을 약 40℃에서 건조시킨 다음, 하룻밤 건조 오븐에서 건조시켰다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.3% Pt 및 1% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 11
본 발명에 따른 지지된 개질 촉매를 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 지지체 30g을 2시간 동안 2.0% 수산화 나트륨 용액 150mL으로 함침시켰다. 여과하여 처리된 Al2O3를 수집하고 물과 아세톤으로 세척한 다음, 90℃에서 4시간 건조시켰다.
(ii) 시스-디클로로비스(디에틸술피드)-백금(II) 0.206g을 20mL 톨루엔에 용해했다.
(iii) 단계 (i)로부터의 처리된 Al2O3 30g을 톨루엔 30mL에 가한 다음, 이어서 단계 (ii)에서 제조된 용액을 가했다. 전체 혼합물을 질소 분위기에서 12시간 동안 현탁 교반 막대로 부드럽게 교반하여 고체 샘플을 만들었다. 고체 샘플을 여과하여 분리하고 톨루엔으로 세척한 다음, 90℃에서 2시간 건조시켰다.
(iv) 실온 냉각 후, 샘플을 8시간 동안 희석 HCl 용액(37% HCl 용액 0.768g과 물 29.2g을 혼합하여 제조한)으로 함침시켰다. 샘플을 12시간 동안 80℃ 건조 오븐에서 건조시켰다. 결과의 촉매는 0.30% Pt 및 1.0% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 12
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(Pt: 38-40%, 선택 39%) 5.0942g을 물에 용해하고 100.0mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 이 용액의 최종 백금 농도는 0.01987g Pt/mL였다.
(ii) 단계 (i)로부터의 0.01987g Pt/mL 용액 4.53g과 98% 글리신 0.035g을 혼합한 다음 25g으로 희석하여 용액 A를 제조했다.
(iii) 용액 A를 30분간 환류시키면서 비등점까지 가열한 다음, 실온으로 냉각하여 용액 B를 제조했다.
(v) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 30.00g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분간 50mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 B를 처리된 Al2O3에 가하고, 건조될 때까지 약 40℃에서 함침시켰다.
(vi) 샘플을 건조 오븐에서 하룻밤 건조시킨 다음, 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 공기 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 실온에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(vii) 실온으로 냉각한 후 샘플을 머플로에서 꺼냈다. 그 다음, 샘플을 37% HCl 용액 0.83g과 물 24.2g을 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 함침시켰다.
(viii) 샘플을 약 40℃에서 건조시킨 다음, 3시간 동안 건조 오븐에서 건조시켰다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.3% Pt 및 1% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 13
본 발명에 따른 개질 촉매를 활성 성분인 백금, 알루미나 지지체, 및 시트르산 분산제를 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) 25.52% H2PtCl6 수성 용액 343.73mg을 물로 50mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다.
(ii) 시트르산 86.45mg을 물로 50mL로 용해한 다음, 단계 (i)로부터의 상기 H2PtCl6 수성 용액을 가했다.
(iii) 단계 (ii)의 혼합물을 1시간 환류시킨 다음, 계속 교반하면서 실온으로 냉각했다.
(iv) Al2O3 28.26g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분간 약 50mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 단계 (iii)으로부터의 용액에 Al2O3 지지체를 가했다. 결과의 혼합물을 모든 액체가 증발할 때까지 핫플레이트에서 건조시켰다.
(v) 결과의 혼합물을 3시간 동안 80℃ 오븐에 넣어 두었다.
(vi) 그 다음, 초기에는 제로가 아닌 산화상태로 백금 원자를 포함했던 샘플을 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 N2 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 120℃에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 300℃에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(vii) 실온으로 냉각한 후, 열처리된 촉매를 1500mL 탈이온수(750mL 냉수 + 750mL 온수(약 80℃))로 세척했다.
(viii) 그 다음, 37% HCl 용액 0.81g과 물 25mL를 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 샘플을 함침시켰다. 샘플을 실온에서 건조시키고, 이어서 80℃ 건조 오븐에서 2시간 건조시켰다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.3% Pt 및 1% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 14
단계 (iii) 후에 다음 과정에 따라 고체 샘플을 머플로에서 열처리했다는 것을 제외하고는, 상기 실시예 11에서 설명된 것과 본질적으로 동일한 과정을 사용하여 개질 촉매를 제조했다:
1) 공기 분위기 중에서 7℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
2) 2시간 동안 300℃ 유지
3) 질소 분위기로 바꾸어 3℃/분으로 300℃에서부터 500℃까지 가열
4) 3시간 동안 500℃ 유지
결과의 촉매는 0.30% Pt 및 1.0% Cl의 중량 조성을 가졌다.
실시예 9-14의 지지된 개질 촉매를 사용하여, 실시예 1과 관련하여 상기 설명된 것과 동일한 과정을 이용하여 나프타를 개질했다. 실시예 9-14의 촉매를 사용한 개질 과정의 결과를 표 III에 나타낸다.
Figure 112007040324318-PCT00004
실시예 15
본 발명에 따른 개질 촉매를 백금과 주석을 촉매 성분으로 사용하여 제조했다. 촉매는 다음의 단계 및 농도를 사용하여 제조했다:
(i) H2PtCl6.6H2O(Pt: 38-40%, 선택 39%) 1.0200g을 물에 용해하고 100.0mL로 희석하여 백금 용액을 제조했다. 이 용액의 백금 최종 농도는 0.003978g Pt/mL였다.
(ii) SnCl2.2H2O(98%) 1.23g과 37% HCl 수용액 4.3g을 혼합하여 SnCl2를 용해하여 주석 용액을 제조했다. 그 다음, 주석 용액을 물로 200.0mL로 희석하여 주석 농도가 0.003236g Sn/mL인 용액을 만들었다.
(iii) 37% HCl 4.0g, 단계 (i)로부터의 0.003978g Pt/mL 용액 23.59g, 단계 (ii)로부터의 0.003236g Sn/mL 용액 19.62g, 및 글리신 0.08g을 혼합하여 용액 A를 제조했다.
(iv) 용액 A를 30분간 환류시키면서 비등점까지 가열한 다음, 실온으로 냉각하여 용액 B를 제조했다.
(v) 1/16 인치 직경의 구형 Al2O3 27.60g을 30분간 진공에 둔 다음, 30분간 50mL 메탄올로 함침시켰다. 초과한 메탄올을 피펫으로 제거했다. 그 다음, 용액 B를 처리된 Al2O3에 가하고, 실온에서 하룻밤 함침시켰다. 그 다음, 샘플을 모든 액체가 증발할 때까지 약 40℃에서 가열했다.
(vi) 그 다음, 샘플을 건조 오븐에서 하룻밤 건조시킨 다음, 머플로에 넣고 다음 과정에 따라 공기 중에서 열처리했다:
1) 3℃/분으로 실온에서부터 120℃까지 가열
2) 2시간 동안 120℃ 유지
3) 3℃/분으로 실온에서부터 300℃까지 가열
4) 2시간 동안 300℃ 유지
5) 1℃/분으로 실온에서부터 500℃까지 가열
6) 2시간 동안 500℃ 유지
(vii) 실온으로 냉각한 후 샘플을 꺼냈다. 그 다음, 37% HCl 용액 0.83g과 물 24.2g을 혼합하여 제조한 희석 HCl 용액으로 샘플을 함침시켰다.
(viii) 샘플을 2시간 동안 실온에서 건조시킨 다음, 모든 액체가 증발할 때까지 약 40℃로 가열하고, 그 다음 3시간 동안 건조 오븐에서 건조시켰다. 실온으로 냉각한 후 샘플을 칭량하고 병에 담았다. 결과의 촉매는 0.34% Pt, 0.23% Sn, 및 1.08% Cl의 중량 조성을 가졌다.
본 발명은 발명의 정신 및 본질적인 특성을 벗어나지 않는 다른 특정한 형태로 구현될 수도 있다. 설명된 구체예들은 모두 예시일 뿐이며 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타내어 진다. 청구범위와 동등한 의미와 범위에 들어가는 모든 변화들도 청구범위 내에 포함되어야 한다.

Claims (30)

  1. 약 10nm 미만의 크기를 갖는 다수의 나노촉매 입자;
    지지 촉매; 및
    지지 촉매에 나노촉매 입자의 적어도 일부를 고정하기 위한 분산제를 포함하며,
    나노촉매 입자의 적어도 일부는 다성분 입자를 포함하며, 각 다성분 입자는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 및 이것들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 제 1 성분과 주석, 레늄, 게르마늄, 납, 비소, 안티몬, 텅스텐, 오스뮴, 카드뮴, 인듐, 티탄, 인, 갈륨, 루테튬, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 스트론튬 및 이것들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 제 2 성분을 포함하며,
    분산제는 나노촉매 입자에 결합할 수 있는 적어도 하나의 작용기와 지지체 물질에 결합할 수 있는 적어도 하나의 다른 작용기를 갖는 다수의 유기 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소를 개질하는데 사용하기 위한 다성분 개질 촉매.
  2. 제 1항에 있어서, 나노촉매 입자들에서 원자들의 적어도 일부는 제로가 아닌 산화 상태에 있는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  3. 제 1항에 있어서, 나노촉매 입자들에서 원자들의 적어도 일부는 제로 산화 상태에 있는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  4. 제 1항에 있어서, 다성분 촉매 입자가 1차 촉매 성분으로서 백금을 포함하고, 2차 촉매 성분으로서 주석, 레늄 또는 이리듐 중 한 가지 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  5. 제 1항에 있어서, 다성분 촉매 입자가 비유사 금속들의 합금, 조합, 혼합물, 분산물, 또는 장식을 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  6. 제 1항에 있어서, 나노촉매 입자가 약 10 nm 미만의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  7. 제 1항에 있어서, 나노 촉매 입자가 약 5 nm 미만의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  8. 제 1항에 있어서, 분산제는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐벤조에이트, 폴리비닐 설페이트, 술폰화 스티렌을 포함하는 폴리비닐 술포네이트, 폴리비스페놀 카보네이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리피리딘, 술폰화 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 및 이것들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  9. 제 1항에 있어서, 분산제는 글리신, 알라닌, 글리콜산, 락트산, 당, 글루코스, 시트르산, 히드록시 디카르복실산, 옥살산, 말론산, 말레산, 에탄올아민, 메르캅토에탄올, 2-메르캅토아세테이트, 술포벤질 알콜, 술포벤조산, 술포벤질 티올, 술포벤질 아민, 및 이것들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로하는 다성분 개질 촉매.
  10. 제 1항의 다성분 개질 촉매를 사용하여 방향족 화합물 또는 분지된 파라핀 중 적어도 하나의 형성을 촉매작용시키는 것을 포함하는 탄화수소의 개질 방법.
  11. 백금, 팔라듐, 로듐, 또는 이리듐 중 한 가지 이상과 주석, 레늄, 게르마늄, 납, 비소, 안티몬, 텅스텐, 오스뮴, 카드뮴, 인듐, 티탄, 인, 갈륨, 루테튬, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 또는 스트론튬 중 한 가지 이상을 포함하며, 100nm 미만의 크기를 갖고 탄화수소 개질을 위한 촉매 활성을 제공하는 다수의 나노촉매 입자;
    지지 촉매; 및
    아미드, 아민, 티올, 술폰산, 술포닐 할라이드, 아실 할라이드, 카르복실, 카르보닐, 히드록실, 이것들의 유도체, 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 작용기를 갖는 폴리머 또는 유기 분자 중 적어도 하나를 포함하며, 지지 촉매에 나노촉매 입자의 적어도 일부를 고정시키는 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소를 개질하는데 사용하기 위한 다성분 개질 촉매.
  12. 제 11항에 있어서, 분산제는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산염, 폴리비닐벤조에이트, 폴리비닐 설페이트, 술폰화 스티렌을 포함하는 폴리비닐 술포네이트, 폴리비스페놀 카보네이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리피리딘, 술폰화 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 및 이것들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  13. 제 11항에 있어서, 분산제는 글리신, 알라닌, 글리콜산, 락트산, 당, 글루코스, 시트르산, 히드록시 디카르복실산, 옥살산, 말론산, 말레산, 에탄올아민, 메르캅토에탄올, 2-메르캅토아세테이트, 술포벤질 알콜, 술포벤조산, 술포벤질 티올, 술포벤질 아민, 및 이것들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로하는 다성분 개질 촉매.
  14. 제 11항에 있어서, 나노촉매 입자의 적어도 일부가 다른 금속들의 합금, 조합, 혼합물, 분산물, 또는 장식을 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매.
  15. (i) 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 및 이것들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 제 1 성분과 주석, 레늄, 게르마늄, 납, 비소, 안티몬, 텅스텐, 오스뮴, 카드뮴, 인듐, 티탄, 인, 갈륨, 루테튬, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 스트론튬 및 그 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 제 2 성분을 포함하는 다수의 촉매 원자를 제공하는 단계;
    (ii) 다수의 촉매 원자에 결합할 수 있는 적어도 하나의 작용기를 갖고 지지체 물질에 결합할 수 있는 제 2의 작용기를 갖는 다수의 유기 분자를 포함하는 분산제를 제공하는 단계;
    (iii) 분산제를 제 1 및 제 2 성분들과 반응시켜 촉매 복합체를 형성하는 단계;
    (iv) 촉매 복합체를 지지체에 적용시켜 다수의 촉매 원자들이 제로가 아닌 산화상태에 있는 중간 촉매 조성물을 수득하는 단계; 그리고
    (v) 약 100nm 미만의 크기를 갖는 나노촉매 입자들을 지지체 물질에 고정되도록 하고, 나노촉매 입자들의 적어도 일부는 각각 제 1 및 제 2 성분을 포함하는 다성분 입자들을 포함하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 개질 촉매의 제조 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 제 1 및 제 2 작용기들은 히드록실, 카르복실, 카르보닐, 아미드, 아민, 티올, 술폰산, 술포닐 할라이드, 아실 할라이드, 유기 금속 복합체, 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 멤버를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 지지체 물질은 실리카, 알루미나, 제올라이트, 또는 금속 산화물 중 적어도 한 가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 15항에 있어서, 촉매 복합체의 적어도 일부는 하기 일반식을 갖는 유기 금속 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007040324318-PCT00005
    상기 식에서:
    a) X 및 X'는 R, OR, OC(=O)R, 할로겐 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 서로 독립적으로 선택되며, 여기서 R은 알킬 또는 아릴 기를 나타내고; 그리고
    b) Y 및 Y'는 O, N, P, S, 및 이것들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 전자 공여 원자들이다.
  19. 제 15항에 있어서, 촉매 원자의 적어도 일부는 제로가 아닌 산화 상태로 유지되면서 다성분 개질 촉매를 열처리하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 15항에 있어서, (iii)에서 형성된 하나 이상의 촉매 복합체로부터 용매의 적어도 일부를 제거하여 건조된 촉매 복합체 물질을 수득하고 이것을 나중에 (iv)를 수행하기에 앞서 하나 이상의 용매를 사용하여 복원하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. (i) 백금과 선택적으로 적어도 한 가지의 다른 형태의 금속을 포함하는 다수의 촉매 원자를 제공하는 단계;
    (ii) 촉매 원자들에 결합할 수 있는 적어도 하나의 작용기를 갖는 다수의 유기 분자를 포함하는 분산제를 제공하는 단계;
    (iii) 분산제를 촉매 원자들과 반응시켜 촉매 복합체를 형성하는 단계;
    (iv) 촉매 복합체를 지지체에 적용시켜 촉매 원자들의 적어도 일부가 제로가 아닌 산화상태에 있는 중간 촉매 조성물을 수득하는 단계; 그리고
    (v) 중간 촉매 조성물을 촉매 원자의 적어도 일부를 제로가 아닌 산화 상태로 유지하기 위하여 비활성 또는 산화 환경에서 약 50℃ 이상의 온도에서 열처리하는 단계를 포함하며,
    백금과, 선택적으로 적어도 한 가지 다른 형태의 금속을 포함하고 약 100nm 미만의 크기를 갖는 다수의 나노촉매 입자들이 지지체 물질에 고정되어 있는 지지된 개질 촉매를 수득하는 것을 특징으로 하는 지지된 개질 촉매의 제조 방법.
  22. 제 21항에 있어서, (v)를 수행하기에 앞서 촉매 원자들을 더 높은 산화 상태로부터 더 낮은 제로가 아닌 산화 상태로 부분적으로 환원시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 나노촉매 입자들을 약 100℃ 아래의 온도에서 H2에 노출 시킴으로써 촉매 원자들을 부분적으로 환원시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 21항에 있어서, (v)를 수행한 후 촉매 원자들을 제로 산화 상태로 환원시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 21항에 있어서, 분산제의 적어도 하나의 작용기는 히드록실, 카르복실, 카르보닐, 아미드, 아민, 티올, 술폰산, 술포닐 할라이드, 아실 할라이드, 유기금속 복합체 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 21항에 있어서, 나노촉매 입자들의 적어도 일부는 백금과, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 주석, 레늄, 게르마늄, 납, 비소, 안티몬, 텅스텐, 오스뮴, 카드뮴, 인듐, 티탄, 인, 갈륨, 루테늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 또는 스트론튬 중 적어도 한 가지의 합금, 조합, 혼합물, 장식, 또는 분산물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 21항의 방법에 따라 제조된 지지된 개질 촉매.
  28. 제 27항의 지지된 개질 촉매를 사용하여 방향족 화합물 또는 분지된 파라핀 중 적어도 하나의 형성을 촉매작용하는 것을 포함하는 탄화수소의 개질 방법.
  29. 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐 및 이것들의 혼합물로 이루어지는 군으로 부터 선택된 제 1 성분과 주석, 레늄, 게르마늄, 납, 비소, 안티몬, 텅스텐, 오스뮴, 카드뮴, 인듐, 티탄, 인, 갈륨, 루테늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 스트론튬 및 이것들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 제 2 성분을 포함하는 다수의 촉매 원자들; 그리고
    촉매 원자에 결합할 수 있는 적어도 하나의 작용기와 지지된 개질 촉매를 형성하기 위해 사용된 지지체 물질에 결합할 수 있는 적어도 하나의 다른 작용기를 갖는 유기 분자; 또는
    아미드, 아민, 티올, 술폰산, 술포닐 할라이드, 아실 할라이드, 카르복실, 카르보닐, 히드록실, 그의 유도체, 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 작용기를 갖는 폴리머 또는 유기 분자 중 적어도 하나를 포함하며 촉매원자와 복합체 형성된 분산제
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지된 개질 촉매를 제조하는데 사용하기 위한 다성분 촉매 복합체.
  30. (i) 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐 및 이것들의 혼합물로 이루어지는 군으로 부터 선택된 제 1 성분과 주석, 레늄, 게르마늄, 납, 비소, 안티몬, 텅스텐, 오스뮴, 카드뮴, 인듐, 티탄, 인, 갈륨, 루테늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 스트론튬 및 이것들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 제 2 성분을 포함하는 다수의 촉매 원자들을 제공하는 단계; 그리고
    (ii) 촉매 원자에 결합할 수 있는 적어도 하나의 작용기와 지지된 개질 촉매를 형성하기 위해 사용된 지지체 물질에 결합할 수 있는 적어도 하나의 다른 작용기를 갖는 유기 분자; 또는
    아미드, 아민, 티올, 술폰산, 술포닐 할라이드, 아실 할라이드, 카르복실, 카르보닐, 히드록실, 그의 유도체, 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 작용기를 갖는 폴리머 또는 유기 분자 중 적어도 하나를 포함하는 분산제를 제공하는 단계; 그리고
    (iii) 분산제를 제 1 및 제 2 성분과 반응시켜 다성분 촉매 복합체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지된 개질 촉매를 제조하는데 사용하기 위한 다성분 촉매 복합체의 제조 방법.
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