[go: up one dir, main page]

KR102303999B1 - Sulfated catalyst for selectively reducing nitric oxide and methode for fabrication thereof - Google Patents

Sulfated catalyst for selectively reducing nitric oxide and methode for fabrication thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102303999B1
KR102303999B1 KR1020190036054A KR20190036054A KR102303999B1 KR 102303999 B1 KR102303999 B1 KR 102303999B1 KR 1020190036054 A KR1020190036054 A KR 1020190036054A KR 20190036054 A KR20190036054 A KR 20190036054A KR 102303999 B1 KR102303999 B1 KR 102303999B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
catalyst
crystal grains
copper
vanadate crystal
nitrogen oxides
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
KR1020190036054A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20190139129A (en
Inventor
김종식
하헌필
변지영
김상훈
Original Assignee
한국과학기술연구원
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 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Publication of KR20190139129A publication Critical patent/KR20190139129A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102303999B1 publication Critical patent/KR102303999B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/84Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/847Vanadium, niobium or tantalum or polonium
    • B01J23/8472Vanadium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409Nitrogen oxides
    • B01D53/9413Processes characterised by a specific catalyst
    • B01D53/9418Processes characterised by a specific catalyst for removing nitrogen oxides by selective catalytic reduction [SCR] using a reducing agent in a lean exhaust gas
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/063Titanium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J35/023
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/40Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by dimensions, e.g. grain size
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0201Impregnation
    • B01J37/0207Pretreatment of the support
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066Selective catalytic reduction [SCR]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207Transition metals
    • B01D2255/20723Vanadium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207Transition metals
    • B01D2255/20761Copper
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/209Other metals
    • B01D2255/2098Antimony
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/40Mixed oxides
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/14Nitrogen oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 질소산화물 환원용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터(promoter), 하기의 [화학식 1]로 표시되는 구리 바나듐산염(copper vanadate) 결정입자 및 상기 구리 바나듐산염 결정입자와 상기 프로모터가 담지되는 담지체를 포함하고, 상기 구리 바나듐산염 결정입자는 황산화 처리되어 표면의 적어도 일부에 구리 황산염 또는 바나듐 황산염이 형성된 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
CuXV2OX+5
여기서, X는 3 또는 5의 값을 가지는 정수이다.
The present invention relates to a catalyst for reducing nitrogen oxide and a method for preparing the same, and a promoter including antimony oxide (Sb-oxide), copper vanadate crystal grains represented by the following [Formula 1] and a carrier on which the copper vanadate crystal grains and the promoter are supported, wherein the copper vanadate crystal grains are subjected to sulfation treatment to form copper sulfate or vanadium sulfate on at least a portion of the surface.
[Formula 1]
Cu X V 2 O X+5
Here, X is an integer having a value of 3 or 5.

Description

황산화 처리된 질소산화물 환원용 촉매 및 이의 제조방법 {SULFATED CATALYST FOR SELECTIVELY REDUCING NITRIC OXIDE AND METHODE FOR FABRICATION THEREOF}Sulfuration-treated catalyst for reducing nitrogen oxides and manufacturing method thereof

본 발명은 황산화 처리된 질소산화물 환원용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 암모니아(NH3)를 환원제로 적용하는 선택적 질소산화물 환원 공정(selective catalytic reduction of nitric oxide by NH3, NH3-SCR)에 포함되는 촉매의 표면을 황산화 처리하여 성능이 향상된 질소산화물 환원용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for reducing sulfurized nitrogen oxides and a method for preparing the same. In more detail, nitrogen with improved performance by sulfiding the surface of the catalyst included in the selective catalytic reduction of nitric oxide by NH 3 , NH 3 -SCR using ammonia (NH 3 ) as a reducing agent It relates to a catalyst for reducing oxide and a method for preparing the same.

최근 선박, 발전소 및 디젤 자동차의 배연가스에 포함된, 미세먼지 형성의 주된 전구체들 중 하나인, 질소산화물을 효율적으로 전환할 수 있는 공정에 관한 관심이 증대되고 있다. 이를 위한 효과적인 방법들 중 하나는 암모니아를 환원제로 사용하여 질소산화물을 질소와 수증기로 전환시키는 공정(selective catalytic NOX reduction by NH3, NH3-SCR)으로 이는 식 (1) 및 식 (2)로 표현된다. Recently, interest in a process capable of efficiently converting nitrogen oxide, which is one of the main precursors of fine dust formation, contained in flue gas of ships, power plants, and diesel vehicles, is increasing. One of the effective methods for this is a process of converting nitrogen oxides into nitrogen and water vapor using ammonia as a reducing agent (selective catalytic NO X reduction by NH 3 , NH 3 -SCR), which is obtained by Equations (1) and (2) is expressed as

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (1)4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O (One)

2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O (2)2NO 2 + 4NH 3 + O 2 → 3N 2 + 6H 2 O (2)

상기 공정에 있어서, 1) 촉매물질의 개발, 2) 촉매표면 물성의 증진, 3) NH3-SCR 반응성능 향상, 4)촉매물질의 이산화황/암모늄(SO2/ammonium), 황산염/암모늄 바이설페이트(sulfate/ammonium bisulfate, ABS), 알칼리 금속종(alkali-metal), 열화현상(thermal aging) 등에 대한 내구성(durability) 개선등이 문제가 된다. SO2의 경우, NH3-SCR 반응 도중 산화되어 SO3로 변환되고(식 (3)), SO3는 H2O 또는 H2O/NH3들과의 화학반응을 통하여 H2SO4 또는 ABS 부산물들을 형성하게 된다(식 (4) 및 식 (5)). H2SO4의 경우, NH3-SCR 촉매공정 후단의 심각한 부식문제를 야기하고, ABS의 경우, 촉매표면을 피독(poisoning)시켜 촉매의 질소산화물 전환율을 감소시킨다.In the above process, 1) development of catalyst material, 2) improvement of catalyst surface properties, 3) improvement of NH 3 -SCR reaction performance, 4) sulfur dioxide/ammonium (SO 2 /ammonium), sulfate/ammonium bisulfate of catalyst material Improvement of durability against (sulfate/ammonium bisulfate, ABS), alkali-metal, and thermal aging is a problem. In the case of SO 2, NH 3 -SCR is oxidized during the reaction is converted to SO 3 (formula (3)), SO 3 is H 2 O or H 2 O / NH 3 and reaction with H 2 SO 4 or through the ABS by-products are formed (Eqs. (4) and (5)). In the case of H 2 SO 4 , it causes a serious corrosion problem at the rear end of the NH 3 -SCR catalyst process, and in the case of ABS, the catalyst surface is poisoned to reduce the nitrogen oxide conversion rate of the catalyst.

SO2 + ½ O2 → SO3 … (3)SO 2 + ½ O 2 → SO 3 … (3)

SO3 + 2NH3 + H2O → (NH4)2SO4 … (4)SO 3 + 2NH 3 + H 2 O → (NH 4 ) 2 SO 4 … (4)

SO3 + NH3 + H2O → (NH4)HSO4 … (5)SO 3 + NH 3 + H 2 O → (NH 4 )HSO 4 … (5)

촉매의 내구성 저하에 영향을 줄 수 있는 화합물들 중 하나인, 발전소의 플라이애쉬(fly ash)에 포함된 Na 또는 K 등의 알칼리 금속종들(alkali-metals)의 경우, NH3-SCR 진행을 위한 피드 가스(feed gas)와 혼합되어 촉매 표면으로 공급될 수 있다. 이러한 알칼리 금속종들은 NH3-SCR 반응 도중 촉매표면의 활성산점(Bronsted acid or Lewis acid site)들을 피독시키므로, 질소산화물의 전환율을 저하시키는 주요한 원인이다. 촉매의 내구성을 저하시키는 또 다른 요인 중 하나인 열화현상(thermal aging)의 경우, 디젤 자동차의 장시간 구동 시 촉매표면의 활성점 및 조촉매 입자들의 점진적인 응집현상을 야기한다. 이는 NH3 또는 NOX가 접근 가능한 활성점/조촉매들의 표면 밀도를 감소시키므로, 자동차의 배연 가스에 포함된 질소산화물의 전환율을 저하시키는 주요한 원인이다. In the case of alkali-metals such as Na or K contained in fly ash of power plants, one of the compounds that can affect the deterioration of the durability of the catalyst, NH 3 -SCR progress It may be mixed with a feed gas for supply to the catalyst surface. These alkali metal species poison the active acid sites (Bronsted acid or Lewis acid sites) on the catalyst surface during the NH 3 -SCR reaction, and are a major cause of lowering the conversion rate of nitrogen oxides. In the case of thermal aging, which is another factor that degrades the durability of the catalyst, active points on the catalyst surface and gradual agglomeration of the promoter particles are caused when the diesel vehicle is driven for a long time. This is a major cause of lowering the conversion rate of nitrogen oxides contained in the exhaust gas of automobiles, since NH 3 or NO X reduces the surface density of the accessible active sites/procatalysts.

한편, 구리 바나듐산염(Cu3V2O8 또는 Cu5V2O10)을 활성점으로 포함하여 주기율표의 안티모니 산화물이 프로모터로 혼입된 촉매 및 이를 이용한 질소산화물 환원반응 시스템의 경우, 비슷한 V 함량을 가지는 상용 촉매(V2O5-WO3/ TiO2) 대비 향상된 NH3-SCR 성능 및 SO2/ABS에 대한 내구성을 보인다. On the other hand, in the case of a catalyst containing copper vanadate (Cu 3 V 2 O 8 or Cu 5 V 2 O 10 ) as an active site and an antimony oxide of the periodic table incorporated as a promoter, and a nitrogen oxide reduction reaction system using the same, similar V Compared to a commercial catalyst having a content (V 2 O 5 -WO 3 / TiO 2 ), it shows improved NH 3 -SCR performance and durability against SO 2 /ABS.

본 발명은 상기 촉매(예를 들어, Cu3V2O8-Sb/TiO2)의 표면 특성을 보다 향상시켜 NH3-SCR 반응 성능을 개선시키고, SO2/ABS에 대한 촉매의 내구성 증진, 알칼리 금속종 및 열화현상에 대한 촉매의 내구성을 향상시키는 것을 목적으로 한다. The present invention improves the NH 3 -SCR reaction performance by further improving the surface properties of the catalyst (eg, Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 ), and improves the durability of the catalyst for SO 2 /ABS, An object of the present invention is to improve the durability of the catalyst against alkali metal species and deterioration.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터(promoter), 하기의 [화학식 1]로 표시되는 구리 바나듐산염(copper vanadate) 결정입자 및 상기 구리 바나듐산염 결정입자와 상기 프로모터가 담지되는 담지체를 포함하고, 상기 구리 바나듐산염 결정입자는 황산화 처리되어 표면의 적어도 일부에 구리 황산염 또는 바나듐 황산염이 형성된, 질소산화물 환원용 촉매가 제공된다.According to one aspect of the present invention for solving the above problems, a promoter comprising antimony oxide (Sb-oxide), copper vanadate crystal particles represented by the following [Formula 1], and the There is provided a catalyst for reducing nitrogen oxides, comprising copper vanadate crystal grains and a support on which the promoter is supported, wherein the copper vanadate crystal grains are sulfided to form copper sulfate or vanadium sulfate on at least a portion of the surface.

[화학식 1][Formula 1]

CuXV2OX+5 Cu X V 2 O X+5

여기서, X는 3 또는 5의 값을 가지는 정수이다.Here, X is an integer having a value of 3 or 5.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매는 표면이 다공성 구조일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the catalyst may have a porous surface.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 구리 바나듐산염 결정입자는 직경이 0.1 nm 내지 500 ㎛일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the copper vanadate crystal grains may have a diameter of 0.1 nm to 500 μm.

삭제delete

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 담지체는 탄소(C), Al2O3, MgO, ZrO2, CeO2, TiO2 및 SiO2 중 어느 하나이고, 상기 담지체 100중량부 대비 상기 프로모터는 10-4 내지 50중량부를 포함하며, 상기 담지체 100중량부 대비 상기 철 바나듐산염 결정입자는 10-4 내지 50중량부를 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the support is any one of carbon (C), Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , CeO 2 , TiO 2 and SiO 2 , compared to 100 parts by weight of the support. The promoter may include 10 -4 to 50 parts by weight, and the iron vanadate crystal grains may include 10 -4 to 50 parts by weight relative to 100 parts by weight of the carrier.

그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터, 하기의 [화학식 1]로 표시되는 구리 바나듐산염 결정입자 및 담지체를 포함하는 촉매를 준비하는 단계 및 상기 구리 바나듐산염 결정입자를 황산화 처리하는 단계를 포함하는 질소산화물 환원용 촉매를 제조하는 방법이며, 상기 질소산화물 환원용 촉매는, 상기 구리 바나듐산염 결정입자와 상기 프로모터는 상기 담지체에 담지되고, 상기 구리 바나듐산염 결정입자는 표면의 적어도 일부에 구리 황산염 또는 바나듐 황산염이 형성되어 있는, 질소산화물 환원용 촉매의 제조방법이 제공된다.And, according to one aspect of the present invention for solving the above problems, a catalyst comprising a promoter including antimony oxide (Sb-oxide), copper vanadate crystal grains represented by the following [Formula 1], and a support A method for preparing a catalyst for nitrogen oxide reduction comprising the steps of preparing a copper vanadate crystal grain and sulfiding the copper vanadate crystal grain, wherein the nitrogen oxide reduction catalyst comprises the copper vanadate crystal grain and the promoter There is provided a method for producing a catalyst for reducing nitrogen oxides supported on a support, wherein copper sulfate or vanadium sulfate is formed on at least a portion of the surface of the copper vanadate crystal grains.

[화학식 1][Formula 1]

CuXV2OX+5 Cu X V 2 O X+5

여기서, X는 3 또는 5의 값을 가지는 정수이다.Here, X is an integer having a value of 3 or 5.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 황산화 처리는 SO2 및 O2 를 포함하는 반응기체에 의해 수행되고, 상기 반응기체에서 SO2 및 O2의 농도는 10ppm 내지 105ppm의 범위를 가질 수 있다.Further, according to one embodiment of the present invention, the sulfation process is SO 2 and O is performed by the reaction gas comprising 2, the concentration of SO 2 and O 2 in the reaction gas is in the range of 10ppm to 10 5 ppm can have

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기체의 유속(flow rate)은 10-5mL min-1 내지 105mL min-1 의 범위를 가지고, 상기 반응기체의 압력은 10-5bar 내지 105bar 의 범위를 가질 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the flow rate of the reaction gas has a range of 10 -5 mL min -1 to 10 5 mL min -1 , and the pressure of the reaction gas is 10 -5 bar to 10 5 bar.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 황산화 처리는 200℃ 내지 800℃의 온도범위에서 0.1시간 내지 24시간동안 수행될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the sulfuration treatment may be performed at a temperature range of 200° C. to 800° C. for 0.1 hours to 24 hours.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구리 바나듐산염(copper vanadate)계 결정입자(Cu3V2O8 또는 Cu5V2O10)와 안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터(promoter)가 담지체에 분산된 촉매를 제조하고, 촉매 표면을 황산화 처리하여 질소산화물 환원용 촉매의 성능을 향상시킬 수 있다. According to an embodiment of the present invention made as described above, copper vanadate-based crystal grains (Cu 3 V 2 O 8 or Cu 5 V 2 O 10 ) and antimony oxide (Sb-oxide) are included. The performance of the catalyst for reducing nitrogen oxides can be improved by preparing a catalyst in which a promoter is dispersed in a support and sulfiding the catalyst surface.

또한, 본 발명은 상기 촉매의 표면을 황산화 처리하여, 활성산점(예를 들어, Bronsted acid site) 및 산화/환원특성(redox feature)을 향상시켜 NH3-SCR 반응 성능을 개선시키고, SO2/ABS, 알칼리 금속종 및 열화현상에 대한 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention improves the NH 3 -SCR reaction performance by oxidizing the surface of the catalyst to improve the active acid site (eg, Bronsted acid site) and oxidation / reduction characteristics (redox feature) , SO 2 It is possible to improve the durability of the catalyst against /ABS, alkali metal species and deterioration.

도 1은 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매 및 SOY 2-로 기능화된 촉매들의 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD) 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매 및 SOY 2-로 기능화된 촉매들의 고분해능 주사전자현미경(high resolution transmission electron microscopy, HRTEM) 사진이다.
도 3는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매 및 SOY 2-로 기능화된 촉매들의 O 1s 영역 하에서의 X-ray photoelectron (XP) spectra를 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매의 SO2/O2 분위기 및 300℃-500℃ 하에서의 background-subtracted in-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectra를 나타내는 사진이다.
도 5 내지 도 7는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매들의 NH3-SCR 성능분석 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) patterns of catalysts and SO Y 2- functionalized catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention.
2 is a high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) photograph of a catalyst and SO Y 2- functionalized catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention.
3 is a photograph showing X-ray photoelectron (XP) spectra under the O 1s region of catalysts and SO Y 2- functionalized catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention.
4 is a photograph showing a background-subtracted in-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectra under SO 2 /O 2 atmosphere and 300° C.-500° C. of catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention.
5 to 7 are graphs showing NH 3 -SCR performance analysis results of catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예들은 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0023] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions in various aspects, and may be exaggerated for convenience.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily practice the present invention.

본 발명은 표면이 황산화된 질소산화물 환원용 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구리 바나듐산염 결정입자를 포함하는 촉매를 황산화 처리하여, 질소산화물 환원반응 성능과 촉매의 내구성 향상에 관한 것이다. The present invention relates to a catalyst for reducing nitrogen oxides having a sulfated surface and a method for preparing the same. The present invention relates to improvement of nitrogen oxide reduction reaction performance and durability of a catalyst by sulfiding a catalyst containing copper vanadate crystal grains.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 질소산화물 환원용 촉매는 안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터(promoter), 하기의 [화학식 1]로 표시되는 구리 바나듐산염(copper vanadate) 결정입자 및 구리 바나듐산염 결정입자와 상기 프로모터가 담지되는 담지체를 포함하고, 구리 바나듐산염 결정입자는 황산화 처리되어 표면의 적어도 일부에 구리 황산염 또는 바나듐 황산염이 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst for reducing nitrogen oxide is a promoter containing antimony oxide (Sb-oxide), copper vanadate crystal particles represented by the following [Formula 1] and It includes copper vanadate crystal grains and a support on which the promoter is supported, and the copper vanadate crystal grains are subjected to sulfation treatment to form copper sulfate or vanadium sulfate on at least a portion of the surface.

[화학식 1][Formula 1]

CuXV2OX+5 Cu X V 2 O X+5

여기서, X는 3 또는 5의 값을 가지는 정수이다.Here, X is an integer having a value of 3 or 5.

본 발명은 NH3-SCR용 촉매인 구리 바나듐산염 결정입자, 예를 들어 Cu3V2O8 또는 Cu5V2O10 표면을 황산화 처리하여 SOY 2-(여기서, Y는 3 또는 4의 정수)에 의한 기능화에 관한 것이다. SOY 2-를 이용한 촉매의 기능화는 NH3-SCR 반응 도중 질소산화물의 흡착 및 전환에 유리한 촉매 표면을 구현할 수 있고, 비기능화된 촉매 대비 NH3-SCR 반응의 성능을 개선시킬 수 있다. 또한, SOY 2-를 이용한 촉매의 기능화는 NH3-SCR 반응 도중 알칼리 금속종 및 열화 현상에 대한 내구성을 증가시킬 수 있다. The present invention is NH 3 -SCR catalyst for copper vanadate crystal grains, for example, Cu 3 V 2 O 8 or Cu 5 V 2 O 10 of It relates to functionalization by SO Y 2 - (where Y is an integer of 3 or 4) by sulfiding the surface. Functionalization of the catalyst using SO Y 2- can implement a catalyst surface advantageous for adsorption and conversion of nitrogen oxides during the NH 3 -SCR reaction, and can improve the performance of the NH 3 -SCR reaction compared to the non-functionalized catalyst. In addition, the functionalization of the catalyst using SO Y 2 - may increase the durability against alkali metal species and deterioration during NH 3 -SCR reaction.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 질소산화물 환원용 촉매의 제조방법은, 안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터, 하기의 [화학식 1]로 표시되는 구리 바나듐산염 결정입자 및 담지체를 포함하는 촉매를 준비하는 단계 및 구리 바나듐산염 결정입자를 황산화 처리하는 단계를 포함하는 질소산화물 환원용 촉매를 제조하는 방법이며, 질소산화물 환원용 촉매는, 구리 바나듐산염 결정입자와 프로모터는 담지체에 담지되고, 구리 바나듐산염 결정입자는 표면의 적어도 일부에 구리 황산염 또는 바나듐 황산염이 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the method for preparing a catalyst for reducing nitrogen oxide includes a promoter including antimony oxide (Sb-oxide), copper vanadate crystal particles represented by the following [Formula 1], and a support. A method for preparing a catalyst for nitrogen oxide reduction comprising the steps of preparing a catalyst comprising: sulfiding copper vanadate crystal grains, wherein the catalyst for nitrogen oxide reduction includes copper vanadate crystal grains and a promoter; The copper vanadate crystal grains may have copper sulfate or vanadium sulfate formed on at least a part of the surface thereof.

[화학식 1][Formula 1]

CuXV2OX+5 Cu X V 2 O X+5

여기서, X는 3 또는 5의 값을 가지는 정수이다.Here, X is an integer having a value of 3 or 5.

먼저, 프로모터, 구리 바나듐산염 결정입자 및 담지체를 포함하는 촉매를 준비한다. First, a catalyst including a promoter, copper vanadate crystal grains and a support is prepared.

본 명세서에서, 제안된 질소산화물 환원용 촉매는 구리 바나듐산염 (copper vanadate) 결정입자를 포함할 수 있다. 특히, 많은 양의 구리가 함유된 과구리 바나듐산염 (Cu-rich copper vanadate)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 있어서, "과구리 바나듐산염 (Cu-rich copper vanadate)들이란, 화학양론을 유지한 CuO를 다량 함유한 바나듐산염 (V2O5)들을 의미하며, 예를 들어 Cu3V2O8 (Cu3O3-V2O5), Cu5V2O10 (Cu5O5-V2O5)등을 포함할 수 있다.In the present specification, the proposed catalyst for reducing nitrogen oxides may include copper vanadate crystal grains. In particular, it may include Cu-rich copper vanadate containing a large amount of copper. In the present specification, "percopper vanadates (Cu-rich copper vanadates)" means vanadates (V 2 O 5 ) containing a large amount of CuO maintaining stoichiometry, for example, Cu 3 V 2 O 8 (Cu 3 O 3 -V 2 O 5 ), Cu 5 V 2 O 10 (Cu 5 O 5 -V 2 O 5 ), and the like.

질소산화물 환원용 촉매는 구리 바나듐산염 결정입자를 형성하기 위해 통상적인 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 수열 합성법 (hydrothermal synthesis), 용매열합성법 (solvothermal synthesis), 볼-밀링법 (mechano-chemical method (ball-milling)), 비템플레이트 또는 템플레이트합성법 (non-templated or templated synthesis), 수분함침법 또는 건식함침법 (wet or dry impregnation method), 열분해법 (thermal decomposition method using Cu-V based complex) 들 중 하나 이상의 방법으로 제조될 수 있다. The catalyst for nitrogen oxide reduction may be prepared by a conventional method to form copper vanadate crystal grains. For example, hydrothermal synthesis, solvothermal synthesis, mechano-chemical method (ball-milling), non-templated or templated synthesis, moisture The impregnation method or dry impregnation method (wet or dry impregnation method), thermal decomposition method (thermal decomposition method using Cu-V based complex) may be prepared by one or more methods.

또한, 질소산화물 환원용 촉매는 안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터 (promoter)를 포함할 수 있다.In addition, the catalyst for nitrogen oxide reduction may include a promoter including antimony oxide (Sb-oxide).

이때, 질소산화물 환원용 촉매에 포함되는 안티모니 산화물 (Sb-oxide)을 포함하는 프로모터 (promoter)는 이산화황 (SO2)과 촉매의 표면 사이에 결합에너지 (binding energy)를 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 저온 SCR 반응 도중에 일어날 수 있는 이산화황 (SO2)의 산화반응을 최소화 할 수도 있다. 즉, 이산화황과 암모니아가 반응하여 촉매 표면에 흡착되는 황산암모늄의 양을 최소화하여 촉매의 활성이 감소하거나, 황산에 의한 부식이 일어나는 문제를 방지할 수 있다. 따라서, 질소산화물 환원용 촉매는 프로모터를 포함하여 황 또는 이산화황 (SO2) 피독에 대한 저항성을 가질 수 있고, 활성점인 산성점 (acid site)의 추가적인 제공이 가능하다.In this case, the promoter including antimony oxide (Sb-oxide) included in the catalyst for reducing nitrogen oxides may reduce the binding energy between the sulfur dioxide (SO 2 ) and the surface of the catalyst. Due to this, the oxidation reaction of sulfur dioxide (SO 2 ) that may occur during the low-temperature SCR reaction may be minimized. That is, by minimizing the amount of ammonium sulfate adsorbed on the surface of the catalyst by reacting sulfur dioxide with ammonia, it is possible to prevent a problem in that the activity of the catalyst is reduced or corrosion by sulfuric acid occurs. Therefore, the catalyst for reducing nitrogen oxides, including a promoter, may have resistance to sulfur or sulfur dioxide (SO 2 ) poisoning, and it is possible to additionally provide an active site, an acid site.

삭제delete

그리고, 질소산화물 환원용 촉매는 구리 바나듐산염 결정입자와 프로모터가 담지되는 담지체를 포함할 수 있다. In addition, the catalyst for reducing nitrogen oxides may include a carrier on which copper vanadate crystal grains and a promoter are supported.

촉매의 활성점은 질소산화물 (NOX)의 원활한 흡착 및 전환을 위하여, 큰 산화환원 특성을 가져야 한다. 이는, 질소산화물의 SCR 사이클이 촉매 표면의 활성점에 흡착된 -ONO기를 제거하기 위해 산소 (O2)에 의한 산화환원 반응을 수반하기 때문이다. 이때, 구리 바나듐산염 결정입자를 적절한 담지체에 담지하여 촉매를 제조할 경우, 담지체에 존재하는 반응성이 큰 산소 (O2)종을 활성점에 원활하게 공급할 수 있다. 즉, 촉매의 산화환원 특성을 향상시킬 수 있다. 이와 동시에 구리 바나듐산염 결정입자를 담지체에 고분산시킨 형태로 제조할 수 있기 때문에, 촉매효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기의 환경을 제공할 수 있는 특성을 가진 담지체를 포함하여 질소산화물 환원용 촉매를 제조할 수 있다.The active site of the catalyst must have large redox properties for smooth adsorption and conversion of nitrogen oxides (NO X ). This is because the SCR cycle of nitrogen oxides is accompanied by a redox reaction with oxygen (O 2 ) to remove -ONO groups adsorbed to active sites on the catalyst surface. In this case, when the catalyst is prepared by supporting copper vanadate crystal grains on an appropriate support, highly reactive oxygen (O 2 ) species present in the support can be smoothly supplied to the active site. That is, it is possible to improve the redox characteristics of the catalyst. At the same time, since copper vanadate crystal grains can be prepared in a highly dispersed form on a support, catalyst efficiency can be further improved. Therefore, it is possible to prepare a catalyst for reducing nitrogen oxides including the support having the characteristics to provide the above environment.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 담지체는 탄소 (C), Al2O3, MgO, ZrO2, CeO2, TiO2 및 SiO2 중 어느 하나이고, 담지체 100중량부 대비 산화물은 10-4 내지 50중량부를 포함하고, 담지체 100중량부 대비 구리 바나듐산염 결정입자는 10-4 내지 50중량부를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the support is any one of carbon (C), Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , CeO 2 , TiO 2 and SiO 2 , and the oxide is 10 - based on 100 parts by weight of the support. It contains 4 to 50 parts by weight, and the copper vanadate crystal grains relative to 100 parts by weight of the carrier may include 10 -4 to 50 parts by weight.

다음으로, 상기 준비된 촉매에 황산화 처리를 수행한다. 본 발명에 따른 황산화 처리는 촉매의 SOY 2-에 의한 기능화를 의미한다. 본 명세서에서 "기능화"란, 촉매의 활성점 수를 증가시키거나 반응물과 촉매의 흡착 등과 같은 특성을 개선하여 촉매의 성능을 향상시키는 과정을 의미할 수 있다. 일 예로, 본 발명의 질소산화물 환원용 촉매를 황산화 처리하여, SOy 2-에 의해 기능화 할 경우, 질소산화물의 흡착 및 전환에 유리한 촉매 표면을 구현할 수 있고, 새로운 활성점을 형성할 수도 있다.Next, sulfation treatment is performed on the prepared catalyst. The sulfation treatment according to the present invention means functionalization of the catalyst by SO Y 2- . As used herein, "functionalization" may refer to a process of improving the performance of a catalyst by increasing the number of active points of the catalyst or improving properties such as adsorption of reactants and catalysts. For example, when the catalyst for reducing nitrogen oxides of the present invention is subjected to sulfation treatment and functionalized by SO y 2- , a catalyst surface advantageous for adsorption and conversion of nitrogen oxides can be realized, and a new active site can be formed. .

촉매 표면을 황산화 처리하여 SOY 2-에 의한 기능화를 통하여 표면에서 금속종들과 결합된 SOY 2- 종들에 내제된 S-O 결합의 특성을 조절할 수 있다. 구체적으로, 촉매표면에 존재하는 SOY 2- 종들은 이온결합의 특성(ionic character)을 가질 경우, 두자리 결합(bi-dentate binding) 형태로 촉매의 금속종들과 결합하고, 공유결합의 특성(covalent character)를 가질 경우, 한자리 결합(mono-dentate binding) 형태로 촉매의 금속종들과 결합한다. 상기의 결합 형태의 촉매에서의 분포에 따라, 촉매의 NH3-SCR 반응성능이 좌우될 수 있다. The characteristics of the SO bond inherent in the SO Y 2- species bound to the metal species on the surface can be controlled through the functionalization by SO Y 2- by oxidizing the catalyst surface. Specifically, when SO Y 2- species present on the catalyst surface have an ionic character, they bind with the metal species of the catalyst in the form of bi-dentate binding, and have a covalent bond ( covalent character), it binds to the metal species of the catalyst in the form of mono-dentate binding. The NH 3 -SCR reaction performance of the catalyst may be influenced by the distribution in the catalyst of the above-mentioned binding form.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 황산화 처리는 SO2 및 O2를 포함하는 반응기체에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 반응기체는, SO2 및 O2의 농도는 10ppm 내지 105ppm 의 범위를 가지고, 유속(flow rate)은 10-5mL min-1 내지 105mL min-1, 압력은 10-5bar 내지 105bar의 범위를 가질 수 있다. 그리고, 황산화 처리는 200℃ 내지 800℃의 온도범위에서 0.1시간 내지 24시간동안 수행될 수 있다.At this time, according to an embodiment of the present invention, the sulfation treatment may be performed by a reactive gas containing SO 2 and O 2 . And, the reaction gas, the concentration of SO 2 and O 2 has a range of 10ppm to 10 5 ppm, the flow rate (flow rate) is 10 -5 mL min -1 to 10 5 mL min -1 , the pressure is 10 -5 bar to 10 5 bar. In addition, the sulfuration treatment may be performed at a temperature range of 200° C. to 800° C. for 0.1 hours to 24 hours.

촉매의 황산화 처리하기 위한 조건이 전술한 범위 이하인 경우, 촉매의 SOY 2- 기능화 효과가 부족할 수 있다. 또한, 전술한 범위 이상인 경우, 담지체 표면의 과도한 기능화에 의한 NH3-SCR 반응의 활성을 증가시키는 반응성을 가지고 화학적 흡착을 이루는 산소종(Oα)들이 소멸될 수 있다. 따라서, 촉매의 황산화 처리는 상술한 조건의 범위 내에서 수행될 수 있다.When the conditions for the sulfation treatment of the catalyst are less than or equal to the above-described range, the SO Y 2- functionalization effect of the catalyst may be insufficient. In addition, when it is greater than or equal to the above range, oxygen species (Oα) having a reactivity that increases the activity of the NH 3 -SCR reaction due to excessive functionalization of the surface of the support and forming chemical adsorption may be eliminated. Therefore, the sulfation treatment of the catalyst can be performed within the range of the above-mentioned conditions.

황산화 처리되어 SOY 2- 기능화에 의하여 변형된 촉매는 SOY 2--NH4 종들을 추가적으로 형성한다. SOY 2--NH4 종들은 환원제인 암모니아(NH3)를 흡착할 수 있는 브뢴스테드 산점(Bronsted acid site)이 된다. 즉, 본 발명에 따른 황산화 처리되어 기능화된 촉매는 비기능화된 촉매 대비 반응 활성점의 개수를 증가시킬 수 있다. 또한, SOY 2-을 이용한 기능화에 의하여 변형된 촉매는 금속-SOY 2-종들을 추가적으로 형성하여 비기능화된 촉매 대비, 산화/환원 특성을 증대시킬 수 있다. 또한, 금속-SOY 2-종들은 하기의 식(6)의 fast NH3-SCR 반응을 위한 NO2의 생성 효율을 향상시킬 수 있다.The catalyst modified by SO Y 2- functionalization by sulfation is SO Y 2- -NH 4 form additional species. SO Y 2- -NH 4 The species becomes a Bronsted acid site capable of adsorbing the reducing agent ammonia (NH 3 ). That is, the functionalized catalyst subjected to the sulfation treatment according to the present invention can increase the number of reactive sites compared to the non-functionalized catalyst. In addition, the catalyst modified by the functionalization using SO Y 2- may increase the oxidation/reduction characteristics compared to the non-functionalized catalyst by additionally forming metal-SO Y 2- species. In addition, metal-SO Y 2- species can improve the production efficiency of NO 2 for the fast NH 3 -SCR reaction of Equation (6) below.

NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O … (6)NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O … (6)

따라서, 본 발명에 따른 질소산화물 환원용 촉매는 황산화 처리를 통한 SOY 2- 기능화에 의하여 암모니아/질소 산화물의 흡착 및 전환에 유리한 촉매 표면을 구현할 수 있다. 그리고, 상기 촉매의 표면을 황산화 처리하여, 활성산점(예를 들어, Bronsted acid site) 및 산화/환원특성(redox feature)을 향상시켜 NH3-SCR 반응 성능을 개선시키고, SO2/ABS, 알칼리 금속종 및 열화현상에 대한 촉매의 내구성을 향상시킬 수 있다.Therefore, the catalyst for nitrogen oxide reduction according to the present invention can implement a catalyst surface advantageous for adsorption and conversion of ammonia/nitrogen oxide by SO Y 2- functionalization through sulfation treatment. And, by oxidizing the surface of the catalyst, active acid sites (eg, Bronsted acid site) and oxidation / reduction characteristics (redox feature) are improved to improve NH 3 -SCR reaction performance, SO 2 /ABS, It is possible to improve the durability of the catalyst against alkali metal species and deterioration.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments for helping understanding of the present invention will be described. However, the following examples are provided only to help the understanding of the present invention, and the embodiments of the present invention are not limited to only the following examples.

실시예 Example

도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 촉매 합성, 촉매의 황산화 처리에 따른 질소산화물 환원 성능 평가에 대하여 설명한다. 1 to 7, catalyst synthesis according to Examples and Comparative Examples of the present invention, and nitrogen oxide reduction performance evaluation according to the sulfuration treatment of the catalyst will be described.

비교예 1: Sb 프로모터를 포함하는 CuComparative Example 1: Cu containing Sb promoter 33 VV 22 OO 88 -Sb/TiO-Sb/TiO 22 촉매 (pristine)의 제조 Preparation of catalyst (pristine)

1.23g의 Sb(CH3COO)3가 용해된 증류수 500mL(0.5g의 Sb를 포함)에 49.5g의 TiO2를 첨가하고, 이를 교반 및 탈수시킨 뒤, 500℃에서 5시간 동안 하소(calcination) 처리하여, TiO2 대비 3wt.%의 Sb가 혼입된 TiO2 담지체를 준비한다. 상기 제조된 TiO2 담지체를 사용하여 구리 바나듐산염(Cu3V2O8) 결정입자를 수분 함침법(wet impregnation method)로 제조한다. 구체적으로는, 4.5mmol의 Cu(NO3)2·3H2O를 240mL의 증류수에 용해시켜 수용액을 준비한다. 그리고, 3.0mmol의 NH4VO3를 첨가하고, 6g의 상기 TiO2를 상기 수용액에 첨가하여 교반시킨다. 이후, 증류수를 증발시켜 얻어진 고형물을 500℃에서 5시간 동안 하소(calcination)처리하여 Cu3V2O8-Sb/TiO2 촉매를 제조하고 이를 비교예 1이라 지칭한다. 49.5 g of TiO 2 was added to 500 mL of distilled water (containing 0.5 g of Sb) in which 1.23 g of Sb(CH 3 COO) 3 was dissolved, stirred and dehydrated, and then calcined at 500° C. for 5 hours processing, to prepare a TiO 2 carrier with a 3wt.% compared to TiO 2 Sb is incorporated. Using the TiO 2 carrier prepared above, copper vanadate (Cu 3 V 2 O 8 ) crystal grains are prepared by a wet impregnation method. Specifically, an aqueous solution is prepared by dissolving 4.5 mmol of Cu(NO 3 ) 2 ·3H 2 O in 240 mL of distilled water. Then, 3.0 mmol of NH 4 VO 3 is added, and 6 g of TiO 2 is added to the aqueous solution and stirred. Thereafter, the solid obtained by evaporating distilled water was calcined at 500° C. for 5 hours to prepare a Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 catalyst, which is referred to as Comparative Example 1.

실시예 1: 300℃에서 SOExample 1: SO at 300°C YY 2-2- (Y=3 또는 4)로 기능화된 Cu Cu functionalized with (Y=3 or 4) 33 VV 22 OO 88 -Sb/TiO-Sb/TiO 22 촉매 (S300)의 제조 Preparation of catalyst (S300)

상기 비교예 1에 의하여 제조된 Cu3V2O8-Sb/TiO2 촉매를 N2으로 희석(dilution)된 500ppm의 SO2/3vol.%의 O2 분위기 및 500mL min-1의 유속하에서 300℃에서 45분간 노출시키고 이후 N2 분위기 하에서 상온으로 냉각시킨다. 상기의 조건에 따라 황산화 처리되어 SOy 2- 기능화를 통하여 제조된 촉매(S300)을 이하, 실시예 1이라 지칭한다. The Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 catalyst prepared by Comparative Example 1 was diluted with N 2 at 500 ppm of SO 2 /3 vol.% O 2 atmosphere and 500 mL min -1 300 under a flow rate of After exposure at ℃ 45 minutes and then cooled to room temperature under N 2 atmosphere. The catalyst (S300) prepared through SO y 2- functionalization by sulfation under the above conditions is hereinafter referred to as Example 1.

실시예 2: 400℃에서 SOExample 2: SO at 400°C YY 2-2- (Y=3 또는 4)로 기능화된 Cu Cu functionalized with (Y=3 or 4) 33 VV 22 OO 88 -Sb/TiO-Sb/TiO 22 촉매 (S400)의 제조 Preparation of catalyst (S400)

상기 실시예 1에 적용된 온도 조건을 400℃로 변형하는 것을 제외하되, 실시예 1과 동일한 조건으로 Cu3V2O8-Sb/TiO2 촉매표면의 SOY 2-를 이용한 기능화를 실시한다. 이를 통하여 제조된 촉매(S400)를 이하, 실시예 2라 지칭한다.Except for changing the temperature condition applied in Example 1 to 400 ℃, Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 Functionalization using SO Y 2- on the catalyst surface under the same conditions as in Example 1 was performed. The catalyst (S400) prepared through this is hereinafter referred to as Example 2.

실시예 3: 500℃에서 SOExample 3: SO at 500°C YY 2-2- (Y=3 또는 4)로 기능화된 Cu Cu functionalized with (Y=3 or 4) 33 VV 22 OO 88 -Sb/TiO-Sb/TiO 22 촉매 (S500)의 제조 Preparation of catalyst (S500)

상기 실시예 1에 적용된 온도 조건을 500℃로 변형하는 것을 제외하되, 실시예 1과 동일한 조건으로 Cu3V2O8-Sb/TiO2 촉매표면의 SOY 2-를 이용한 기능화를 실시한다. 이를 통하여 제조된 촉매(S500)를 이하, 실시예 3이라 지칭한다.Except for changing the temperature condition applied in Example 1 to 500 ℃, Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 Functionalization using SO Y 2- on the catalyst surface under the same conditions as in Example 1. The catalyst (S500) prepared through this is hereinafter referred to as Example 3.

비교예 2: Na종이 혼입된 CuComparative Example 2: Cu mixed with Na species 33 VV 22 OO 88 -Sb/TiO-Sb/TiO 22 촉매(pristine-Na)의 제조 Preparation of catalyst (pristine-Na)

상기 비교예 1에 의하여 제조된 Cu3V2O8-Sb/TiO2 촉매에 포함된 Cu, V, Sb 전체 몰수 대비 30 mol.%의 Na종을 촉매표면에 혼입시켜 pristine-Na 을 제조한다. 구체적으로, 1.5g의 Cu3V2O8-Sb/TiO2 촉매에 0.0509g의 NaNO3를 물리적혼합(mechanical mixing)하여 얻어진 고형물을 400℃에서 5시간 동안 하소(calcination)처리하여 pristine-Na 촉매를 제조하고, 이를 비교예 2라 지칭한다. The Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 catalyst prepared by Comparative Example 1 contains 30 mol.% of Na species relative to the total number of moles of Cu, V, and Sb contained in the catalyst surface to prepare pristine-Na . Specifically, 1.5 g of Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 catalyst and 0.0509 g of NaNO 3 were physically mixed with a solid obtained by calcination at 400° C. for 5 hours to pristine-Na A catalyst was prepared and referred to as Comparative Example 2.

실시예 4: Na종이 혼입된 S400 촉매(S400-Na)의 제조Example 4: Preparation of S400 catalyst (S400-Na) incorporating Na species

상기 실시예 2에 의하여 제조된 S400을 사용하는 것을 제외하고 비교예 2와 동일한 방법으로 S400-Na 촉매를 제조하고, 이를 실시예 4라 지칭한다.An S400-Na catalyst was prepared in the same manner as in Comparative Example 2 except for using S400 prepared in Example 2, which is referred to as Example 4.

비교예 3: 열화처리된 CuComparative Example 3: Aging Cu 33 VV 22 OO 88 -Sb/TiO-Sb/TiO 22 촉매(pristine-thermal aging)의 제조 Preparation of catalyst (pristine-thermal aging)

상기 비교예 1에 의하여 제조된 Cu3V2O8-Sb/TiO2 촉매를 N2으로 희석(dilution)된 3vol. %의 O2/6vol. %의 수증기 분위기 및 500mL min-1의 gas flow rate 하에서 550℃에서 200 시간 동안 노출시키고 이후 N2 분위기 하에서 상온으로 냉각시켜 pristine-thermal aging 촉매를 제조하고, 이를 비교예 3이라 지칭한다. The Cu 3 V 2 O 8 -Sb/TiO 2 catalyst prepared in Comparative Example 1 was diluted with N 2 3vol. % O 2 /6vol. % of water vapor atmosphere and 500mL min -1 exposed at 550 °C for 200 hours under a gas flow rate and then cooled to room temperature under N 2 atmosphere to prepare a pristine-thermal aging catalyst, which is referred to as Comparative Example 3.

실시예 5: 열화처리된 S400 촉매(S400-thermal aging)의 제조Example 5: Preparation of aging-treated S400 catalyst (S400-thermal aging)

실시예 2에 의하여 제조된 S400을 사용하는 것을 제외하되, 비교예 3과 동일한 방법으로 S400-thermal aging 촉매를 제조하고, 이를 실시예 5라 지칭한다.Except for using S400 prepared according to Example 2, an S400-thermal aging catalyst was prepared in the same manner as in Comparative Example 3, which is referred to as Example 5.

상기 비교예 1 및 실시예 1 내지 3의 질소산화물 환원용 촉매들을 X-선 회절기 (X-ray diffractomer (XRD))를 사용하여 분석하였고, 그 결과 도출된 X-선 회절패턴 (XRD pattern)들을 도 1에 도시하였다. 도 1는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매들의 X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD) 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 모든 촉매들이 TiO2 담지체를 의미하는 정방정(tetragonal) 결정구조를 가지는 아나타제 상(anatase phase (TiO2))의 결정면들을 포함한다. 도 1의 (a)를 참조하면 비교예 1의 촉매는 단사정계(monoclinic) Cu3V2O8의 결정 구조를 나타내는 결정면들이 관찰됨을 알 수 있다. The catalysts for reducing nitrogen oxides of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 were analyzed using an X-ray diffractomer (XRD), and the resultant X-ray diffraction pattern (XRD pattern) are shown in FIG. 1 . 1 is a graph showing X-ray diffraction (XRD) patterns of catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention. 1, includes a crystal plane of all of the catalyst are anatase phase (phase anatase (TiO 2)) having a tetragonal (tetragonal) crystal structure, which means a TiO 2 carrier. Referring to (a) of FIG. 1 , it can be seen that in the catalyst of Comparative Example 1, crystal planes representing the crystal structure of monoclinic Cu 3 V 2 O 8 were observed.

그러나, 도 1의 (b)를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 경우, 단사정계 Cu3V2O8의 결정 구조를 나타내는 결정면들이 관찰되지 않는데, 이는 황산화 처리에 의해, SOY 2-가 Cu3V2O8을 분해하고 Cu 또는 V과 결합하여 새로운 종을 생성하였기 때문이다. 이는 실시예 2 및 3에서 관찰되는 사방정계(orthorhombic) CuSO4 결정면들에 의하여 확인할 수 있다.However, referring to Figure 1 (b), in the case of Examples 1 to 3, crystal planes representing the crystal structure of the monoclinic Cu 3 V 2 O 8 are not observed, which is due to the sulfuration treatment, SO Y 2- This is because Cu 3 V 2 O 8 decomposed and combined with Cu or V to generate new species. This can be confirmed by the orthorhombic CuSO 4 crystal planes observed in Examples 2 and 3.

상기 촉매들의 표면 형상(morphology)을 고분해능 주사전자현미경(high resolution transmission electron microscopy, HRTEM)을 이용하여 분석하였고, 그 결과를 도 2에 도시하였다. 도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매들의 고분해능 주사전자현미경(high resolution transmission electron microscopy, HRTEM) 사진이다. 도 2의 촉매들은 수백 나노미터 크기를 가지는 아나타제 덩어리(anatase agglomerate)에 Cu3V2O8, Cu 또는 V과 SOY 2-의 결합에 의하여 생성된 종들의 입자를 포함하는 다공성 구조를 가짐을 알 수 있었다. 질소기체의 물리적흡착(N2 physisorption)실험에 따르면, 상기 촉매들의 기공 특성들은 BET 표면적이 30m2 g-1 내지 55m2 g-1의 범위의 값을 가지고, BJH 기공부피는 0.18cm3 g-1 내지 0.23cm3 g-1 범위의 값을 가진다.The surface morphology of the catalysts was analyzed using high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and the results are shown in FIG. 2 . FIG. 2 is a high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) photograph of catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention. The catalysts of FIG. 2 have a porous structure including particles of species produced by the bonding of Cu 3 V 2 O 8 , Cu or V and SO Y 2 to anatase agglomerate having a size of several hundred nanometers. Could know. According to the N 2 physisorption experiment, the pore properties of the catalysts have a BET surface area of 30 m 2 g -1 to 55 m 2 g -1 , and a BJH pore volume of 0.18 cm 3 g − It has a value in the range of 1 to 0.23 cm 3 g −1 .

실험예 1: 촉매 표면의 특성 분석Experimental Example 1: Characterization of the catalyst surface

상기 비교예 1, 실시예 1 내지 3를 이용하여 NH3-TPD (temperature-programmed desorption), CO-pulsed chemisorption, H2-TPR (temperature-programmed reduction) 실험들을 수행하였고, 그 결과를 하기의 [표 1]에 정리하였다. NH 3 -TPD (temperature-programmed desorption), CO-pulsed chemisorption, and H 2 -TPR (temperature-programmed reduction) experiments were performed using Comparative Example 1 and Examples 1 to 3, and the results were shown in [ Table 1] summarized.

구분division 비교예 1Comparative Example 1 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 mmolNH3 g-1(via NH3-TPD)mmol NH3 g -1 (via NH 3 -TPD) 3.13.1 7.57.5 7.07.0 3.83.8 μmolCO g-1(via CO-pulsed chemisorption)μmol CO g -1 (via CO-pulsed chemisorption) 20.520.5 3.13.1 2.42.4 2.62.6 mmolH2 g-1(via H2-TPR)mmol H2 g -1 (via H 2 -TPR) 3.03.0 3.83.8 4.34.3 4.04.0

상기 [표 1]에 나타낸 CO-pulsed chemisorption 실험 결과들에 의하면, 황산화 처리된 실시예 1 내지 3의 촉매들(S300 내지 S500)이 비교예 1의 비기능화된 촉매(pristine) 대비 매우 적은 양의 루이스 산점(Lewis acid site)을 포함하는 것을 알 수 있다. 이는 촉매의 황산화 처리시 배위결합으로 불포화된 활성점(coordinatively unsaturated, open active site)들이 SOY 2- 종들에 의하여 점유되어 나타난 결과이다. 그러나, 상기 [표 1]에 나타낸 NH3-TPD(temperature-programmed desorption) 실험 결과들에 의하면 황산화 처리된 실시예 1 내지 3의 촉매들이 비교예 1의 비기능화된 촉매에 비하여 보다 많은 양의 산성점(acid site)들을 포함하고 있는 것을 알 수 있다. 이는 황산화 처리를 통해 SOY 2- 기능화된 촉매에 SOY 2--NH4 등의 브뢴스테드 산점(Bronsted acid site) 개수가 증가되었기 때문이다. According to the results of the CO-pulsed chemisorption experiment shown in Table 1, the sulfuration-treated catalysts of Examples 1 to 3 (S300 to S500) were very small compared to the non-functionalized catalyst (pristine) of Comparative Example 1. It can be seen that includes a Lewis acid site of. This is a result of coordinatingly unsaturated, open active sites being occupied by SO Y 2- species during the sulfation treatment of the catalyst. However, according to the NH 3 -TPD (temperature-programmed desorption) test results shown in [Table 1], the catalysts of Examples 1 to 3, which were subjected to sulfuration treatment, had higher amounts of the catalysts than the non-functionalized catalysts of Comparative Example 1. It can be seen that it contains acid sites. This is SO Y 2- functionalized catalyst through sulfation treatment SO Y 2- -NH 4 This is because the number of Bronsted acid sites such as et al. has increased.

또한, 실시예 1 및 2의 촉매가 실시예 3에 비하여 보다 많은 양의 산성점을 포함하고 있는 것을 알 수 있다. 이는 NH3-SCR 반응 시 암모니아를 보다 많이 흡착할 수 있는 실시예 1 및 2가 비교예 1, 실시예 3에 비하여 반응 성능이 우수함을 의미한다. 한편, 촉매의 산화/환원 특성을 알 수 있는 H2-TPR(temperature-programmed reduction)의 경우, 실시예 2가 가장 큰 산화/환원 특성을 지님을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the catalysts of Examples 1 and 2 contained a greater amount of acidic points than those of Example 3. This means that Examples 1 and 2, which can adsorb more ammonia during the NH 3 -SCR reaction, have superior reaction performance compared to Comparative Examples 1 and 3. On the other hand, in the case of H 2 -TPR (temperature-programmed reduction), which can know the oxidation/reduction characteristics of the catalyst, it can be seen that Example 2 has the greatest oxidation/reduction characteristics.

상기 촉매들의 표면에 존재하는 산소종(O2 species)의 상대적인 함량을(relative abundance)를 X-ray photoelectron (XP) spectroscopy를 이용하여 분석하였고, 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3은 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매들의 O 1s 영역에서의 XP spectra 사진이다. 도 3을 참조하면, 모든 촉매들이 O2 2- 또는 촉매 표면에 흡착된 H2O의 산소종(Oα'), 반응성을 가지고 화학적 흡착을 이루는 산소종(Oα), 및 격자형(lattice) 산소종(Oβ)을 포함하고 있음을 알 수 있다. 상기 산소종들 중 촉매의 산화/환원 특성과 연관된 Oα의 상대적인 함량은 실시예 2가 가장 큰 값을 지님을 알 수 있었다 [~ 47mol. % (실시예 2), < 35mol. % (비교예1, 실시예 1 및 3)]. 따라서, 비교예 1, 실시예 1 내지 3들 중 가장 우수한 표면 특성을 보이는 실시예 2가 NH3-SCR 반응에서 가장 우수한 성능을 가진다. The relative abundance of oxygen species (O 2 species) present on the surface of the catalysts was analyzed using X-ray photoelectron (XP) spectroscopy, and the results are shown in FIG. 3 . 3 is an XP spectra photograph in the O 1s region of catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention. Referring to FIG. 3 , all catalysts are O 2 2- or oxygen species of H 2 O adsorbed on the catalyst surface (Oα′), oxygen species having reactivity and chemical adsorption (Oα), and lattice oxygen It can be seen that it contains a species (Oβ). Among the oxygen species, it was found that Example 2 had the highest relative content of Oα related to the oxidation/reduction characteristics of the catalyst [~ 47 mol. % (Example 2), <35 mol. % (Comparative Example 1, Examples 1 and 3)]. Therefore, Comparative Example 1, Example 2, which shows the best surface properties among Examples 1 to 3, has the best performance in the NH 3 -SCR reaction.

실시예 1 내지 3의 표면에 존재하는 금속종들과 결합한 SOY 2-종들에 내재된 S-O 결합의 특성을 분석하기 위하여, in-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy를 사용하였고, 그 결과를 도 4에 도시하였다. 본 실험을 위하여, 비교예 1을 N2 분위기 하에서 400 ℃ 에서 1시간 동안 전처리한 후, 300 ℃, 400 ℃, 및 500 ℃ 에서의 기준 스펙스럼을 얻었다. 이 후, 비교예 1을 1000ppm의 SO2/3vol. %의 O2 분위기 하에서 300 ℃, 400 ℃, 및 500 ℃에서 30분간 노출하였고, 이 때 얻어진 스펙스럼을 각 온도에서의 기준 스펙트럼을 빼준 후 도시하였다. 도 4는 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 촉매들의 SO2/O2 분위기 및 온도하에서의 DRIFT 스펙트럼을 나타내는 사진이다. In order to analyze the properties of SO bonding inherent in SO Y 2- species combined with metal species present on the surface of Examples 1 to 3, in-situ diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) spectroscopy was used, and as a result, is shown in FIG. 4 . For this experiment, Comparative Example 1 was pretreated at 400 °C for 1 hour under N 2 atmosphere, and then reference spectra at 300 °C, 400 °C, and 500 °C were obtained. After that, Comparative Example 1 of 1000ppm SO 2 /3vol. % O 2 In an atmosphere of 300 ℃, 400 ℃, and 500 ℃ exposed for 30 minutes, the spectrum obtained at this time is shown after subtracting the reference spectrum at each temperature. 4 is a photograph showing a DRIFT spectrum under SO 2 /O 2 atmosphere and temperature of catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention.

실시예 1의 경우, 1280 내지 1450cm-1의 영역에서 공유결합의 특성을 지니는 S-O 결합의 피크를 가짐을 알 수 있었고, 이는 촉매의 금속종들과 결합한 SOY 2-가 한자리 결합 형태를 가짐을 의미한다. 실시예 3의 경우, 1250cm-1 이하의 영역에서 이온결합의 특성을 지니는 S-O 결합의 피크를 가짐을 알 수 있었고, 이는 촉매의 금속종들과 결합한 SOY 2-가 두자리 결합 형태를 가짐을 의미한다. In the case of Example 1, it was found to have a peak of SO bonding with covalent bonding properties in the region of 1280 to 1450 cm -1 , which indicates that SO Y 2- bonded to the metal species of the catalyst has a monodentate bonding form. it means. In the case of Example 3, it was found to have a peak of SO bonding having ionic bonding characteristics in the region of 1250 cm -1 or less, which means that SO Y 2- bonded to the metal species of the catalyst has a bidentate bonding form. do.

그러나, 실시예 2의 경우, 촉매의 금속종들과 결합한 SOY 2-가 한자리 결합 형태 및 두자리 결합 형태를 동시에 가짐을 알 수 있었다. 따라서, 다양한 금속-SOY 2-종들이 내재된 실시예 2의 경우, 한 개의 금속-SOY 2-종들만이 내재된 실시예 1 및 3 대비 보다 향상된 NH3-SCR 반응 성능을 보임을 예측할 수 있다.However, in the case of Example 2, it was found that SO Y 2- bound to the metal species of the catalyst has both a monodentate bond form and a bidentate bond form. Therefore, in the case of Example 2 in which various metal-SO Y 2 -species are embedded, it is expected that only one metal-SO Y 2 -species will show improved NH 3 -SCR reaction performance compared to Examples 1 and 3 can

이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참조하여, 상기 실험예 1의 분석을 증명하는 실험예 2 대하여 설명한다. 도 5 내지 도 7은 본 발명의 비교예 및 실시예들에 따른 다양한 촉매들의 NH3-SCR 성능분석 결과를 나타내는 그래프이다.Hereinafter, Experimental Example 2 proving the analysis of Experimental Example 1 will be described with reference to FIGS. 5 to 7 . 5 to 7 are graphs showing NH 3 -SCR performance analysis results of various catalysts according to Comparative Examples and Examples of the present invention.

실험예 2: 질소산화물 환원(NHExperimental Example 2: Nitrogen oxide reduction (NH 33 -SCR) 시스템의 성능분석 (1)-SCR) system performance analysis (1)

실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 촉매들을 이용하여 SCR 공정의 성능을 측정하였다. 150℃ 내지 400℃의 온도범위에서, 이산화황(SO2)을 주입하지 않고 측정하였으며, 질소산화물의 전환율[NOx conversion, 도 5의 (a)에 도시] 및 질소 선택도[N2 selectivity, 도 5의 (b)에 도시]를 도 5에 도시하였다. 이때, NH3-SCR 공정의 조건은, 반응유체는 800ppm의 NOx, 800ppm의 NH3, 3vol. %의 O2, 6vol. % H2O 및 비활성 기체(inert gas)인 N2 를 포함하고, 전체 유량 (total flow rate)은 500mL min-1이고, 공간 속도 (space velocity)는 60,000hr-1 이다.The performance of the SCR process was measured using the catalysts of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. In the temperature range of 150 ℃ to 400 ℃, sulfur dioxide (SO 2 ) was measured without injection, the conversion rate of nitrogen oxide [NO x conversion, shown in Fig. 5 (a)] and nitrogen selectivity [N 2 selectivity, Fig. 5 (b)] is shown in FIG. At this time, the conditions of the NH 3 -SCR process, the reaction fluid is 800ppm NO x , 800ppm NH 3 , 3vol. % O 2 , 6 vol. % H 2 O and N 2 as an inert gas, a total flow rate is 500 mL min −1 , and a space velocity of 60,000 hr −1 .

도 5를 참조하면, 실시예 2의 촉매가 다른 촉매에 비해 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 상기 실험예 1의 표면특성 분석에서 설명한 바와 같은 결과이다. 이는, 실시예 2의 촉매가 비교예 1, 실시예 1, 및 실시예 3에 비하여 보다 많은 양의 산성활점들을 제공하고, 보다 향상된 산화환원 특성을 제공하기 때문이다. Referring to FIG. 5 , it can be seen that the catalyst of Example 2 has superior performance compared to other catalysts. This is the same result as described in the surface characteristic analysis of Experimental Example 1. This is because the catalyst of Example 2 provides a greater amount of acidic active sites and provides improved redox properties compared to Comparative Examples 1, 1, and 3, respectively.

실험예 3: 질소산화물 환원(SCR) 시스템의 성능분석 (2)Experimental Example 3: Performance analysis of nitrogen oxide reduction (SCR) system (2)

비교예 2 및 실시예 4의 촉매들을 이용하여 SCR 공정의 성능을 측정하였다. 150℃ 내지 400℃의 온도범위에서, 이산화황(SO2)을 주입하지 않고 측정하였으며, 질소산화물의 전환율[NOx conversion, 도 6의 (a)에 도시] 및 질소 선택도[N2 selectivity, 도 6의 (b)에 도시]를 도 6에 도시하였다. 이때, SCR 공정의 조건은, 반응유체는 800ppm의 NOx, 800ppm의 NH3, 3vol. %의 O2, 6vol. % H2O 및 비활성 기체(inert gas)인 N2 를 포함하고, 전체 유량(total flow rate)은 500mL min-1이고, 공간 속도 (space velocity)는 60,000hr-1 이다.The performance of the SCR process was measured using the catalysts of Comparative Example 2 and Example 4. In the temperature range of 150 ℃ to 400 ℃, sulfur dioxide (SO 2 ) was measured without injection, the conversion rate of nitrogen oxide [NO x conversion, shown in FIG. 6 (a)] and nitrogen selectivity [N 2 selectivity, FIG. 6 (b)] is shown in FIG. At this time, the conditions of the SCR process, the reaction fluid is 800ppm NO x , 800ppm NH 3 , 3vol. % O 2 , 6 vol. % H 2 O and N 2 as an inert gas, the total flow rate is 500 mL min −1 , and the space velocity is 60,000 hr −1 .

도 6을 참조하면, 알칼리 금속종인 Na을 이용하여 촉매 표면을 의도적으로 피독(poisoning)시킨 실시예 4(S400-Na) 및 비교예 2(pristine-Na)의 촉매들이 실시예 2(S400) 및 비교예 1(pristine)의 촉매에 비하여 열등한 NH3-SCR 성능을 보임을 알 수 있다. 그러나, 실시예 4의 촉매가 비교예 2의 촉매에 비하여 보다 우수한 성능을 보임을 알 수 있다. 이는, 황산화 처리된 촉매인 실시예 4가 비기능화된 촉매인 비교예 2 대비, NH3-SCR 도중 향상된 알칼리 금속에 대한 저항성을 가짐을 의미한다.Referring to FIG. 6 , the catalysts of Example 4 (S400-Na) and Comparative Example 2 (pristine-Na) in which the catalyst surface was intentionally poisoned using Na, an alkali metal species, were prepared in Example 2 (S400) and Compared to the catalyst of Comparative Example 1 (pristine), it can be seen that the NH 3 -SCR performance is inferior. However, it can be seen that the catalyst of Example 4 showed better performance than the catalyst of Comparative Example 2. This means that Example 4, which is a sulfated catalyst, has improved resistance to alkali metals during NH 3 -SCR, compared to Comparative Example 2, which is a non-functionalized catalyst.

실험예 4: 질소산화물 환원(SCR) 시스템의 성능분석 (3)Experimental Example 4: Performance analysis of nitrogen oxide reduction (SCR) system (3)

비교예 3 및 실시예 5의 촉매들을 이용하여 SCR 공정의 성능을 측정하였다. 150℃ 내지 400℃의 온도범위에서, 이산화황(SO2)을 주입하지 않고 측정하였으며, 질소산화물의 전환율[NOx conversion, 도 7의 (a)에 도시] 및 질소 선택도[N2 selectivity, 도 7의 (b)에 도시]를 도 7에 도시하였다. 이때, SCR 공정의 조건은, 반응유체는 800ppm의 NOx, 800ppm의 NH3, 3vol. %의 O2, 6vol. % H2O 및 비활성 기체(inert gas)인 N2 를 포함하고, 전체 유량(total flow rate)은 500mL min-1이고, 공간 속도 (space velocity)는 60,000hr-1 이다.The performance of the SCR process was measured using the catalysts of Comparative Examples 3 and 5. In the temperature range of 150 ℃ to 400 ℃, sulfur dioxide (SO 2 ) was measured without injecting, the conversion rate of nitrogen oxide [NO x conversion, shown in Fig. 7 (a)] and nitrogen selectivity [N 2 selectivity, Fig. 7(b)] is shown in FIG. At this time, the conditions of the SCR process, the reaction fluid is 800ppm NO x , 800ppm NH 3 , 3vol. % O 2 , 6 vol. % H 2 O and N 2 as an inert gas, the total flow rate is 500 mL min −1 , and the space velocity is 60,000 hr −1 .

도 7을 참조하면, 열화시킨 실시예 5(S400-themral aging) 및 비교예 3(pristine-thermal aging)의 촉매들이 실시예 2(S400) 및 비교예 1(pristine)의 촉매에 비하여 열등한 NH3-SCR 성능을 보임을 알 수 있다. 그러나, 실시예 5의 촉매가 비교예 3의 촉매에 비하여 보다 우수한 성능을 보임을 알 수 있다. 이는, 황산화 처리된 촉매인 실시예 5가 비기능화된 촉매인 비교예 3 대비, NH3-SCR 도중 향상된 열화현상에 대한 저항성을 가짐을 의미한다.Referring to Figure 7, the catalysts of Example 5 (S400-thermral aging) and Comparative Example 3 (pristine-thermal aging) that were degraded compared to the catalysts of Example 2 (S400) and Comparative Example 1 (pristine) Inferior NH 3 It can be seen that -SCR performance is shown. However, it can be seen that the catalyst of Example 5 showed better performance than the catalyst of Comparative Example 3. This means that the sulfated catalyst Example 5 has improved resistance to degradation during NH 3 -SCR, compared to Comparative Example 3, which is a non-functionalized catalyst.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments and is not limited to the above-described embodiments, and various methods can be obtained by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope of the present invention. Transformation and change are possible. Such modifications and variations are intended to fall within the scope of the present invention and the appended claims.

Claims (9)

안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터(promoter);
하기의 [화학식 1]로 표시되는 구리 바나듐산염(copper vanadate) 결정입자; 및
상기 구리 바나듐산염 결정입자와 상기 프로모터가 담지되는 담지체;
를 포함하고,
상기 구리 바나듐산염 결정입자는 황산화 처리되어 표면의 적어도 일부에 구리 황산염 또는 바나듐 황산염이 형성되되,
상기 구리 황산염 또는 바나듐 황산염에 내제된 S-O 결합은 공유결합의 특성(covalent character)을 갖거나, 상기 공유결합 및 이온결합의 특성(ionic character)을 동시에 갖도록 마련된,
질소산화물 환원용 촉매.
[화학식 1]
CuXV2OX+5
여기서, X는 3 또는 5의 값을 가지는 정수이다.
a promoter including antimony oxide (Sb-oxide);
Copper vanadate crystal grains represented by the following [Formula 1]; and
a carrier on which the copper vanadate crystal grains and the promoter are supported;
including,
The copper vanadate crystal grains are sulphated to form copper sulfate or vanadium sulfate on at least a portion of the surface,
The SO bond contained in the copper sulfate or vanadium sulfate is provided to have a covalent character, or to have both the covalent bond and the ionic character.
Catalyst for nitrogen oxide reduction.
[Formula 1]
Cu X V 2 O X+5
Here, X is an integer having a value of 3 or 5.
제 1 항에 있어서,
표면이 다공성 구조인, 질소산화물 환원용 촉매.
The method of claim 1,
A catalyst for reducing nitrogen oxides having a porous surface.
제 1 항에 있어서,
상기 구리 바나듐산염 결정입자는 직경이 0.1 nm 내지 500 ㎛인, 질소산화물 환원용 촉매.
The method of claim 1,
The copper vanadate crystal grains have a diameter of 0.1 nm to 500 μm, a catalyst for nitrogen oxide reduction.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 담지체는 탄소 (C), Al2O3, MgO, ZrO2, CeO2, TiO2 및 SiO2 중 어느 하나이고,
상기 담지체 100 중량부 대비 상기 프로모터는 10-4 내지 50 중량부를 포함하며,
상기 담지체 100 중량부 대비 상기 구리 바나듐산염 결정입자는 10-4 내지 50 중량부를 포함하는, 질소산화물 환원용 촉매.
The method of claim 1,
The carrier is any one of carbon (C), Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , CeO 2 , TiO 2 and SiO 2 ,
The promoter contains 10 -4 to 50 parts by weight relative to 100 parts by weight of the carrier,
The copper vanadate crystal grains are 10 -4 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the support, a catalyst for reducing nitrogen oxides.
안티모니 산화물(Sb-oxide)을 포함하는 프로모터, 하기의 [화학식 1]로 표시되는 구리 바나듐산염 결정입자 및 담지체를 포함하는 촉매를 준비하는 단계; 및
상기 구리 바나듐산염 결정입자를 황산화 처리하는 단계를 포함하는 질소산화물 환원용 촉매를 제조하는 방법이며,
상기 질소산화물 환원용 촉매는,
상기 구리 바나듐산염 결정입자와 상기 프로모터는 상기 담지체에 담지되고, 상기 구리 바나듐산염 결정입자는 표면의 적어도 일부에 구리 황산염 또는 바나듐 황산염이 형성되어 있되,
상기 황산화 처리는 200℃ 내지 400℃의 온도범위에서 0.1시간 내지 24시간동안 수행되어,
상기 구리 황산염 또는 바나듐 황산염에 내제된 S-O 결합은 공유결합의 특성(covalent character)을 갖거나, 상기 공유결합 및 이온결합의 특성(ionic character)을 동시에 갖도록 마련된,
질소산화물 환원용 촉매의 제조방법.
[화학식 1]
CuXV2OX+5
여기서, X는 3 또는 5의 값을 가지는 정수이다.
Preparing a catalyst including a promoter containing antimony oxide (Sb-oxide), copper vanadate crystal grains represented by the following [Formula 1], and a support; and
A method for preparing a catalyst for reducing nitrogen oxides, comprising the step of sulfiding the copper vanadate crystal grains,
The catalyst for reducing nitrogen oxides,
The copper vanadate crystal grains and the promoter are supported on the carrier, and the copper vanadate crystal grains have copper sulfate or vanadium sulfate formed on at least a portion of a surface thereof,
The sulfuration treatment is carried out at a temperature range of 200 ° C to 400 ° C for 0.1 hours to 24 hours,
The SO bond contained in the copper sulfate or vanadium sulfate is provided to have a covalent character, or to have both the covalent bond and the ionic character.
A method for producing a catalyst for reducing nitrogen oxides.
[Formula 1]
Cu X V 2 O X+5
Here, X is an integer having a value of 3 or 5.
제 6 항에 있어서,
상기 황산화 처리는 SO2 및 O2 를 포함하는 반응기체에 의해 수행되고,
상기 반응기체에서 SO2 및 O2의 농도는 각각 10ppm 내지 105ppm의 범위를 가지는, 질소산화물 환원용 촉매의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The sulfuration treatment is performed by a reactive gas containing SO 2 and O 2 ,
The concentration of SO 2 and O 2 in the reactive gas is in the range of 10 ppm to 10 5 ppm, respectively, a method for producing a catalyst for reducing nitrogen oxides.
제 7 항에 있어서,
상기 반응기체의 유속(flow rate)은 10-5mL min-1 내지 105mL min-1 의 범위를 가지고, 상기 반응기체의 압력은 10-5bar 내지 105bar 의 범위를 가지는, 질소산화물 환원용 촉매의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The flow rate of the reaction gas is in the range of 10 -5 mL min -1 to 10 5 mL min -1 , and the pressure of the reaction gas is in the range of 10 -5 bar to 10 5 bar, nitrogen oxides A method for producing a catalyst for reduction.
삭제delete
KR1020190036054A 2018-06-07 2019-03-28 Sulfated catalyst for selectively reducing nitric oxide and methode for fabrication thereof Active KR102303999B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20180065441 2018-06-07
KR1020180065441 2018-06-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190139129A KR20190139129A (en) 2019-12-17
KR102303999B1 true KR102303999B1 (en) 2021-09-24

Family

ID=69056775

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190036054A Active KR102303999B1 (en) 2018-06-07 2019-03-28 Sulfated catalyst for selectively reducing nitric oxide and methode for fabrication thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102303999B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230112778A (en) 2022-01-20 2023-07-28 제주대학교 산학협력단 PRE-TREATMENT DEVICE FOR NOx REDUCING AGENT CAPABLE OF ENHANCING CATALYSIS REDUCTION PERFORMANCE OF NOx AND NOx REDUCTION APPARATUS INCLUDING THE PRE-TREATMENT DEVICE

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102308717B1 (en) * 2020-04-27 2021-10-05 한국과학기술연구원 Rare-Earth Metal Vanadates Catalysts for Nitrogen Oxide Reduction at Low Temperatures

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
인용문헌 1. Jongsik Kim. et al., Appl. Catal. B, 236 (2018) 314-325 (2018.5.15.)*
인용문헌 2. Dong Wook Kwon et al., RSC Adv., 2016, 6, 1169-1181 (2015.12.17.)*
인용문헌 3. Xiaoyu Guo et al., Appl. Catal. B, 92 (2009) 30-40 (2009.8.3.)*

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230112778A (en) 2022-01-20 2023-07-28 제주대학교 산학협력단 PRE-TREATMENT DEVICE FOR NOx REDUCING AGENT CAPABLE OF ENHANCING CATALYSIS REDUCTION PERFORMANCE OF NOx AND NOx REDUCTION APPARATUS INCLUDING THE PRE-TREATMENT DEVICE

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190139129A (en) 2019-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110116005B (en) Catalyst for reducing nitrogen oxides and preparation method thereof
Chen et al. Selective catalytic oxidation of ammonia over AMn2O5 (A= Sm, Y, Gd) and reaction selectivity promotion through Nb decoration
Wang et al. A superior cerium-tungsten bimetal oxide catalyst with flower-like structure for selective catalytic reduction of NOx by NH3
US20240116043A1 (en) Highly dispersed metal supported oxide as nh3-scr catalyst and synthesis processes
Wang et al. Pt/MnO 2 nanosheets: facile synthesis and highly efficient catalyst for ethylene oxidation at low temperature
EA008338B1 (en) CATALYST ON VANADIUM BASED ON TITANIUM OXIDE TO REMOVE NITROGEN IN THE INTERVAL OF LOW TEMPERATURES AND METHOD FOR REMOVING NITROGEN OXIDE
KR102303999B1 (en) Sulfated catalyst for selectively reducing nitric oxide and methode for fabrication thereof
Kwon et al. New insight into the role of Mo–Sb addition towards VMoSbTi catalysts with enhanced activity for selective catalytic reduction with NH3
KR102187494B1 (en) Catalyst for selective reduction of nitric oxide and methode for fabrication thereof
KR102067668B1 (en) Catalyst for selectively reducing nitric oxide and nitric oxide reduction system using the same
Jiang et al. Synthesis of Co-doped MnO 2 catalysts with the assistance of PVP for low-temperature SCR
Kim et al. Enhanced NH3-SCR activity at low temperatures over MnOx supported on two-dimensional TiO2 derived from ZIF-8
Lee et al. Enhanced NO x removal efficiency for SCR catalyst of well-dispersed Mn-Ce nanoparticles on hexagonal boron nitride
KR101036104B1 (en) Selective reduction denitrification catalyst containing silver hydroxide apatite
KR102308717B1 (en) Rare-Earth Metal Vanadates Catalysts for Nitrogen Oxide Reduction at Low Temperatures
El Arrouji et al. Catalytic reduction of NOx with NH3 over CeO2 and SiO2 supported tungstophosphoric acid: promoting effects of ceria support and cobalt proton substitute
Zhang et al. Zeolite-like ion-exchanged Cu-attapulgite catalysts for promoted selective oxidation of ammonia
KR102084504B1 (en) Selective reduction of nitric oxide at high temperatures
KR102068063B1 (en) Catalyst for selectively reducing nitric oxide and nitric oxide reduction system using the same
KR20220071359A (en) Hydrocarbon adsorption and desorption complex comprising zeolite with controlled cation ratio and preparation method thereof
KR20070028102A (en) Method for preparing a copper-manganese oxide catalyst of nanoparticles and the catalyst prepared accordingly
KR102469119B1 (en) Phosphorylated Metal Vanadate Catalysts for Nitrogen oxides Reduction
KR20230143257A (en) Manganese-antimony oxide composite catalyst and method for manufacturing the same
Bentrup et al. Nb-Modified Ce/Ti Oxide Catalyst for the Selective Catalytic Reduction of NO with NH3
KR101770914B1 (en) Nitrogen oxide reduction catalyst and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20190328

PA0201 Request for examination
PG1501 Laying open of application
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20200910

Patent event code: PE09021S01D

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20210311

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20210913

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20210914

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20210915

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240823

Start annual number: 4

End annual number: 4