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KR20130082267A - Metal aqueous solution, supported catalyst for cnt, and a method for preparing thereof - Google Patents

Metal aqueous solution, supported catalyst for cnt, and a method for preparing thereof Download PDF

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KR20130082267A
KR20130082267A KR1020120003382A KR20120003382A KR20130082267A KR 20130082267 A KR20130082267 A KR 20130082267A KR 1020120003382 A KR1020120003382 A KR 1020120003382A KR 20120003382 A KR20120003382 A KR 20120003382A KR 20130082267 A KR20130082267 A KR 20130082267A
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KR
South Korea
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solution
acid
catalyst
aqueous
precursor
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KR1020120003382A
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Korean (ko)
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강경연
김진도
김성진
윤재근
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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Publication date
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Abstract

본 발명은 금속 수용액, 담지 촉매 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로, 장시간 동안 침전되지 않고, 균일하며 안정한 금속 수용액과 이로부터 제조된, 금속 담지량이 높고 균일하며 소성시 발생할 수 있는 크랙이 없고 견고한 금속 수용액, 담지 촉매 및 이들의 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.The present invention relates to an aqueous metal solution, a supported catalyst, and a method for preparing the same, and does not precipitate for a long time, and is a uniform and stable aqueous metal solution and a metal supported amount, which is produced therefrom, has a high and uniform metal loading, and is free of cracks and hard metals that may occur during firing. There is an effect of providing an aqueous solution, a supported catalyst, and a production method thereof.

Description

금속 수용액, 담지 촉매 및 이들의 제조 방법 {Metal Aqueous Solution, Supported Catalyst for CNT, and a Method for Preparing Thereof}Metal Aqueous Solution, Supported Catalysts and Methods for Making the Same {Metal Aqueous Solution, Supported Catalyst for CNT, and a Method for Preparing Thereof}

본 발명은 금속 수용액, 담지 촉매 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장시간 동안 침전되지 않고, 균일하며 안정한 금속 수용액과 이로부터 제조된, 금속 담지량이 높고 균일하며 소성시 발생할 수 있는 크랙이 없고 견고한 담지 촉매 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an aqueous metal solution, a supported catalyst, and a method for preparing the same, and more particularly, does not precipitate for a long time, and is a uniform and stable aqueous metal solution and a metal supporting amount prepared therefrom, which may have a high and uniform metal loading, and cracks that may occur during firing. It relates to a supported catalyst that is free of solids and a process for producing the same.

카본나노튜브(이하, 'CNT'라 한다)란 3 내지 150 ㎚, 구체적으로는 3 내지 100 ㎚의 직경을 갖고 길이가 직경의 수배, 즉 100 배 이상인 원통형 탄소 튜브를 의미하는 것으로 이해된다. 이러한 튜브는 정렬된 탄소 원자의 층으로 이루어지고 상이한 형태의 코어를 갖는다. 이러한 탄소 나노튜브는 예를 들면 탄소 피브릴 또는 중공 탄소 섬유라고도 불린다. 이러한 탄소 나노튜브의 크기 및 특정 성질로 인해, 본원에서 기술된 탄소 나노튜브는 복합재의 제조에서 산업적으로 중요하다. 전자 용도, 에너지 용도 및 추가의 용도에서 본질적인 추가의 가능성이 있다.
Carbon nanotubes (hereinafter referred to as 'CNT') are understood to mean cylindrical carbon tubes having a diameter of 3 to 150 nm, specifically 3 to 100 nm and a length several times the diameter, that is, 100 times or more. These tubes consist of a layer of aligned carbon atoms and have different types of cores. Such carbon nanotubes are also called carbon fibrils or hollow carbon fibers, for example. Because of the size and specific properties of these carbon nanotubes, the carbon nanotubes described herein are of industrial importance in the manufacture of composites. There is a further possibility inherent in electronic uses, energy uses and further uses.

상기 카본나노튜브는 일반적으로 아크 방전법(arc discharge), 레이저 증발법(laser ablation), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition) 등에 의하여 제조된다. 그러나, 상기 아크 방전법 및 레이저 증발법은 대량 생산이 어렵고, 과다한 아크 생산비용 또는 레이저 장비 구입비용이 문제된다.The carbon nanotubes are generally manufactured by arc discharge, laser ablation, chemical vapor deposition, or the like. However, the arc discharge method and the laser evaporation method are difficult to mass-produce, and an excessive production cost of an arc or a cost of purchasing a laser device is a problem.

또한, 상기 화학 기상 증착법은 기상 분산 촉매를 사용하는 방법인 경우 합성속도가 매우 더디고 합성되는 CNT의 입자가 너무 작은 문제가 있으며, 기판 담지 촉매를 사용하는 방법인 경우 반응기 내의 공간 이용 효율이 크게 떨어져 CNT의 대량 생산에 한계가 있다.
In addition, in the case of the above-mentioned chemical vapor deposition method, there is a problem that the synthesis rate is very slow and the CNT particles to be synthesized are too small in the case of a method using a gas phase dispersion catalyst. There is a limit to the mass production of CNTs.

상기 촉매는 주로 촉매활성적인 성분이 산화물 형태, 부분 또는 완전 환원된 형태, 또는 수산화물의 형태를 갖고, 통상적으로 CNT 제조에 사용될 수 있는 담지 촉매, 공침촉매 등일 수 있다. 이중 담지 촉매를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 담지 촉매가 사용되는 경우 촉매 자체의 벌크 밀도가 공침 촉매에 비해 높고 공침 촉매와 달리 10 마이크론 이하의 미분이 적어 유동화 과정에서 발생할 수 있는 마모(attrition)에 의한 미분발생 가능성을 줄일 수 있으며, 촉매 자체의 기계적 강도도 우수하여 반응기 운전을 안정하게 할 수 있는 효과를 갖기 때문이다.
The catalyst may be a supported catalyst, a co-precipitation catalyst, etc., in which the catalytically active component has an oxide form, a partially or fully reduced form, or a hydroxide form, and which can be commonly used for preparing CNTs. It is preferable to use a double supported catalyst, which, when used, has a higher bulk density of the catalyst itself than the coprecipitation catalyst, and unlike the coprecipitation catalyst, there is less fineness of less than 10 microns, which prevents attrition that may occur during fluidization. This is because the possibility of fine powder generation can be reduced, and the mechanical strength of the catalyst itself is also excellent, which can stabilize the reactor operation.

또한 이 같은 담지 촉매의 제조 방법으로는 금속 수용액과 지지체를 혼합한 다음 코팅-건조(함침)시켜 촉매를 제조하는 기술이 제시되고 있으나, 이 경우 제조된 촉매는 촉매 적재량의 한계를 갖는 단점이 있다. 또한 활성 성분과 촉매 성분의 불균일한 분포는 CNT 성장 수율 및 CNT 직경 분포에도 중요한 요소로 작용하나, 이를 제어할 수 있는 기술이 제시되어 있지 않다.
In addition, as a method of preparing a supported catalyst, a technique of preparing a catalyst by mixing a metal solution with a support and then coating-drying (impregnating) has been proposed, but in this case, the prepared catalyst has a disadvantage of having a limit of catalyst loading. . In addition, the heterogeneous distribution of the active ingredient and the catalyst ingredient plays an important role in the CNT growth yield and the CNT diameter distribution, but there is no technique to control this.

이에 촉매 적재량을 높일 수 있도록 균일하고 안정적인 금속 수용액에 대한 연구가 필요한 실정이다.
Therefore, the situation is required to study a uniform and stable metal aqueous solution to increase the catalyst loading.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 장시간 동안 침전되지 않고, 균일하며 안정한 금속 수용액과 이로부터 제조된, 금속 담지량이 높고 균일하며 소성시 발생할 수 있는 크랙이 없고 견고한 금속 수용액, 담지 촉매 및 이들의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is not precipitated for a long time, the uniform and stable metal aqueous solution prepared from it, the metal loading amount is high and uniform, there is no cracks and solid metal aqueous solution, which can occur during firing, It is an object to provide a catalyst and a method for producing the same.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 물, 촉매 성분의 전구체, 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산(multicarboxylic acid)을 포함하여 이루어지되, 멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비에 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 곱한 값이 0.5 내지 1.9인 것을 특징으로 하는 금속 수용액을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention comprises water, a precursor of the catalyst component, a precursor of the active component and a multicarboxylic acid (multicarboxylic acid), the multicarboxylic acid in the molar ratio of the multicarboxylic acid and the active component It provides a metal aqueous solution, characterized in that the product of the number of carboxylic acid groups of 0.5 to 1.9.

또한, 본 발명은 상술한 금속 수용액을 사용하여 제조된 담지 촉매와 이들 담지 촉매를 이용하여 제조된 CNT를 제공한다.
The present invention also provides a supported catalyst prepared using the above-described aqueous metal solution and a CNT prepared using these supported catalysts.

또한, 본 발명은 금속 수용액의 제조방법으로서, In addition, the present invention is a method for producing a metal aqueous solution,

a) 활성 성분의 전구체 수용액을 제조하는 단계;a) preparing an aqueous solution of a precursor of the active ingredient;

b) 상기 활성 성분의 전구체 수용액에 멀티카르복실산을 혼합하는 단계; 및b) mixing the multicarboxylic acid into the aqueous solution of the precursor of the active ingredient; And

c) 상기 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산 수용액에 촉매 성분의 전구체를 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
c) mixing the precursor of the catalyst component with the precursor of the active ingredient and the aqueous solution of multicarboxylic acid.

나아가, 본 발명은 담지 촉매의 제조방법으로서, Furthermore, the present invention is a method for producing a supported catalyst,

a) 활성 성분의 전구체 수용액을 제조하는 단계;a) preparing an aqueous solution of a precursor of the active ingredient;

b) 상기 활성 성분의 전구체 수용액에 멀티카르복실산을 혼합하는 단계; b) mixing the multicarboxylic acid into the aqueous solution of the precursor of the active ingredient;

c) 상기 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산 수용액에 촉매 성분의 전구체를 혼합하여 금속 수용액을 제조하는 단계; 및c) preparing a metal aqueous solution by mixing the precursor of the active ingredient and the precursor of the catalyst component with the aqueous solution of multicarboxylic acid; And

d) 상기 금속 수용액에 지지체를 투입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
d) injecting a support into the aqueous metal solution.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 금속 수용액은 물, 촉매 성분의 전구체, 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산(multicarboxylic acid)을 포함하여 이루어지되, 멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비에 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 곱한 값이 0.5 내지 1.9인 것을 일 기술적 특징으로 한다.
The aqueous metal solution of the present invention comprises water, a precursor of a catalyst component, a precursor of an active component, and a multicarboxylic acid, but the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid in the molar ratio of the multicarboxylic acid and the active component. Multiplying by 0.5 to 1.9 as one technical feature.

구체적으로, 본 발명에서 사용되는 촉매 성분은 Fe, Co, 및 Ni로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 하기 실시예에서 규명된 바와 같이 Fe를 사용하는 것이 바람직하다. 촉매 성분 전구체는 Fe, Co, 및 Ni로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 구체적으로는 Co(NO3)2·6H2O, Fe(NO3)2·6H2O, Fe(NO3)2·9H2O 또는 Ni(NO3)2·6H2O와 같은 질화물 등을 사용할 수 있다.
Specifically, the catalyst component used in the present invention may be at least one selected from Fe, Co, and Ni, and it is preferable to use Fe as described in the following examples. The catalyst component precursor may be one or more selected from Fe, Co, and Ni, specifically, Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Fe (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Fe (NO 3 ) 2. Nitrides such as 9H 2 O or Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O can be used.

또한, 본 발명에서 사용되는 활성 성분은 Mo인 것이 바람직하다. Mo 전구체로는 이에 한정하는 것은 아니나, (NH4)6Mo7O24·4H2O와 같은 질화물 등을 증류수에 용해시켜 사용할 수 있다.
In addition, the active ingredient used in the present invention is preferably Mo. Examples of the Mo precursor include, but are not limited to, nitrides such as (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O, and the like.

상기 촉매 성분과 활성 성분은 지지체 100 중량 기준으로 1 내지 15 : 10 내지 30 중량비로 투입되는 것이 CNT 제조 활성 측면에서 바람직하다.
The catalyst component and the active component are preferably added at a weight ratio of 1 to 15: 10 to 30, based on 100 weights of the support, in terms of CNT production activity.

또한, 본 발명에서 사용되는 멀티카르복실산은, 디카르복실산, 트리카르복실산 및 테트라카르복실산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 상기 멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비에 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 곱한 값이 0.5 내지 1.9인 것이 바람직한데, 이는 하한치 미만이면 금속 수용액에 침전이 발생하며, 상한치를 초과하면 산성도가 높아지며 이는 MoO-가 클러스터를 형성하는 옥소엔아이온(oxoanion)을 형성하여 촉매 제조시 Fe와 Mo의 불균일한 분포의 원인이 되며 또한 소성 과정에서 과량의 유기산 분해로 인해 크랙을 유발하여 촉매 안정성을 저하하기 때문에 바람직하지 않다. Moreover, it is preferable that the multicarboxylic acid used by this invention is 1 or more types chosen from the group which consists of dicarboxylic acid, tricarboxylic acid, and tetracarboxylic acid. As described above, it is preferable that the product of the molar ratio of the multicarboxylic acid and the active component multiplied by the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid is 0.5 to 1.9. If it is less than the lower limit, precipitation occurs in the aqueous metal solution. If exceeded, the acidity becomes high, which causes OO-anion in which MoO - forms clusters, which causes heterogeneous distribution of Fe and Mo in the preparation of catalysts, and also causes cracks due to excessive organic acid decomposition during firing. It is not preferable because it lowers catalyst stability.

이는 하기 실시예에서도 규명된 것으로, 구체적으로는 멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비에 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 곱한 값이 0.5 내지 1.9 범위를 만족하는 실시예 1 내지 3의 경우에 상기 계산치가 0.5 미만인 비교예 3, 혹은 계산치가 1.9를 초과하는 비교예 4 대비 CNT 제조 수율이 떨어지는 것으로부터 확인할 수 있듯이, 상기 계산치는 0.5 내지 1.9 범위를 만족하는 것이 바람직한 것이다.
This is also shown in the following examples, specifically, in the case of Examples 1 to 3 where the value of the molar ratio of the multicarboxylic acid and the active component multiplied by the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid satisfies the range of 0.5 to 1.9. As can be seen from the lower yield of CNT production compared to Comparative Example 3 having a calculated value of less than 0.5, or Comparative Example 4 having a calculated value of more than 1.9, the calculated value satisfies the range of 0.5 to 1.9.

이같이 하여 얻어진 금속 균질 수용액의 농도는 0.4 g/ml 이하, 구체적으로는 0.3 g/ml인 것이 반응성을 고려할 때 효율적이다.
The concentration of the homogeneous aqueous solution obtained in this way is 0.4 g / ml or less, specifically 0.3 g / ml, which is efficient when considering the reactivity.

본 발명에서는 또한, 이 같은 금속 수용액을 사용하여 담지 촉매를 제공할 수 있다. 상기 담지 촉매는, CNT 합성에 사용되는 담지 촉매인 것으로, 본 발명에서는 이들 담지 촉매를 이용하여 CNT를 제공할 수 있다.
In the present invention, a supported catalyst can also be provided using such an aqueous metal solution. The supported catalyst is a supported catalyst used for CNT synthesis, and in the present invention, CNTs can be provided using these supported catalysts.

한편, 상기 금속 수용액의 구체적인 제조 방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다: On the other hand, look at with respect to the specific manufacturing method of the aqueous metal solution is as follows:

즉, 활성 성분의 전구체 수용액을 제조하고, 상기 활성 성분의 전구체 수용액에 멀티카르복실산을 혼합한 다음 상기 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산 수용액에 촉매 성분의 전구체를 혼합하는 순서로 이루어지는 것이 바람직하다.
That is, it is preferable to prepare a precursor aqueous solution of the active ingredient, mix the multicarboxylic acid with the precursor aqueous solution of the active ingredient, and then mix the precursor of the active ingredient and the precursor of the catalyst component with the aqueous solution of multicarboxylic acid. Do.

이는 물 내에 촉매 성분으로 Fe 전구체(iron nitrate)를 투입하고, 이어서 활성 성분으로 Mo 전구체(Ammonium Molybdate)를 투입한 경우를 예로 들어 살펴보면, 물 내에는 Fe 3+ 양이온과 MoO- 음이온이 각각 존재하게 되며, This is a case where a Fe precursor (iron nitrate) is added as a catalyst component in water and then a Mo precursor (Ammonium Molybdate) is added as an active ingredient. For example, Fe 3+ cation and MoO- anion are present in water. ,

이들 상온에서 Fe 3+와 MoO-는 Fe3 + 와 3MoO- 의 반응에 의해 Fe(MoO)3↓와 같은 짙은 주황색 침전을 형성하기 때문이다.At room temperature, these Fe 3+ and MoO - because it forms a dark orange precipitate such as Fe (MoO) 3 ↓ by the reaction of-the Fe 3 + and 3MoO.

이 같은 침전 억제를 위하여 멀티카르복실산을 사용하되, 하기 실시예에서 규명된 바와 같이, 물에 촉매 성분을 투입한 다음 멀티카르복실산을 투입하고, 최종적으로 활성 성분을 투입하는 비교예 1, 혹은 물에 활성 성분을 투입한 다음 촉매 성분을 투입하고 최종적으로 멀티카르복실산을 투입한 비교예 2의 경우 모두 여전히 침전이 발생한 것을 확인할 수 있다. In order to suppress such precipitation, but using a multicarboxylic acid, as shown in the following examples, the catalyst component in water, the multi-carboxylic acid is added, and finally the active ingredient in Comparative Example 1, Alternatively, in the case of Comparative Example 2 in which the active ingredient was added to water, then the catalyst ingredient was added, and finally the multicarboxylic acid was added, it was confirmed that precipitation still occurred.

즉, 물에 활성 성분을 투입한 다음 멀티카르복실산을 투입하고, 최종적으로 촉매 성분을 투입한 실시예 1 내지 3의 경우만이 침전이 관찰되지 않은채 맑은 용액 상태로 관찰되었다. That is, only Examples 1 to 3 in which the active ingredient was added to water, followed by the multicarboxylic acid, and finally the catalyst ingredient were added, were observed in a clear solution state without precipitation being observed.

따라서, 촉매 성분이 투입되지 않은 상태에서 멀티카르복실산을 활성 성분에 투입하는데 본 발명의 또다른 기술적 특징을 갖는 것이다.
Therefore, it is another technical feature of the present invention to add multicarboxylic acid to the active component in the state where the catalyst component is not added.

또한, 상기 멀티카르복실산과 활성 성분의 투입량은 멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비에 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 곱한 값이 0.5 내지 1.9를 만족하도록 투입되는 것이 바람직한 것으로, 이는 하한치 미만이면 금속 수용액에 침전이 발생하며, 상한치를 초과하면 소성 과정에서 크랙을 유발하여 촉매 안정성을 저하하기 때문이다.
In addition, the amount of the multicarboxylic acid and the active ingredient is preferably added so that the value obtained by multiplying the molar ratio of the multicarboxylic acid and the active ingredient by the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid is 0.5 to 1.9, which is less than the lower limit. This is because precipitation occurs in the aqueous metal solution, and if the upper limit is exceeded, cracking is caused during the calcination process, thereby lowering the catalyst stability.

따라서, 본 발명에서 담지 촉매를 제조하는 방법은 다음과 같은 순서로 수행되는 것이 바람직하다: Therefore, the process for preparing the supported catalyst in the present invention is preferably carried out in the following order:

a) 활성 성분의 전구체 수용액을 제조하는 단계;a) preparing an aqueous solution of a precursor of the active ingredient;

b) 상기 활성 성분의 전구체 수용액에 멀티카르복실산을 혼합하는 단계; b) mixing the multicarboxylic acid into the aqueous solution of the precursor of the active ingredient;

c) 상기 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산 수용액에 촉매 성분의 전구체를 혼합하여 금속 수용액을 제조하는 단계; 및c) preparing a metal aqueous solution by mixing the precursor of the active ingredient and the precursor of the catalyst component with the aqueous solution of multicarboxylic acid; And

d) 상기 금속 수용액에 지지체를 투입하는 단계.
d) adding a support to the aqueous metal solution.

본 발명에서 사용되는 지지체는 상업적으로 구입할 수 있는 알루미나, 산화마그네슘, 및 실리카 중에서 선택될 수 있으며, 하기 실시예에서 규명된 바와 같이 알루미나를 사용하는 것이 바람직하다. Supports used in the present invention are commercially available alumina, magnesium oxide, and silica. , And it is preferable to use alumina as described in the following examples.

이때 금속 수용액과 지지체의 혼합비는 지지체에 대한 촉매 성분과 활성 성분의 합의 질량비로 결정되며, 상기 질량비는 0.1 내지 0.35 범위 내인 것이 바람직하다.
In this case, the mixing ratio of the aqueous metal solution to the support is determined by the mass ratio of the sum of the catalyst component and the active component to the support, and the mass ratio is preferably in the range of 0.1 to 0.35.

그런 다음 수득된 혼합물을 급속 진공 건조시킨 다음 소성시켜 지지체 표면에 촉매 성분을 함침하고 코팅시킴으로써 담지 촉매를 수득하게 된다. 이때 급속 진공 건조 단계는 45 내지 80 ℃하에 회전 증발시킨 것이 바람직하며, 급속 진공 건조 시간은 30분 내지 3 시간 범위 내인 것이 바람직하다. The mixture obtained is then rapidly vacuum dried and then calcined to impregnate and coat the catalyst component on the support surface to obtain a supported catalyst. At this time, the rapid vacuum drying step is preferably a rotary evaporation under 45 to 80 ℃, the rapid vacuum drying time is preferably in the range of 30 minutes to 3 hours.

상기 담지 촉매는 평균 입경이 30 내지 150 ㎛ 범위 내이고, 표면 입도가 10 내지 50 nm인 구형 타입일 수 있다. The supported catalyst may be a spherical type having an average particle diameter in the range of 30 to 150 μm and a surface particle size of 10 to 50 nm.

또한, 상기 소성 조건은 650 내지 800 ℃ 하에 30분 내지 5시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
In addition, the firing conditions are preferably carried out for 30 minutes to 5 hours at 650 to 800 ℃.

특히, 본 발명에서는 상기 급속 진공 건조 전, 45 내지 80 ℃ 하에 회전 또는 교반을 통해 20분 이내로 숙성시키는 것이 보다 바람직하다.
In particular, in the present invention, it is more preferable to ripen within 20 minutes through rotation or stirring at 45 to 80 ℃ before the rapid vacuum drying.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 장시간 동안 침전되지 않고, 균일하며 안정한 금속 수용액과 이로부터 제조된, 금속 담지량이 높고 균일하며 소성 시 발생할 수 있는 크랙이 없고 견고한 담지 촉매 및 이들의 제조방법을 제공할 수 있다.
As described above, according to the present invention, there is provided a stable and stable metal solution which is not precipitated for a long time, and has a uniform and stable metal support, and has a high metal loading amount, uniformity and no cracks that may occur during firing, and a supported catalyst and a method of preparing the same. Can provide.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 촉매를 사용하여 CNT의 SEM 이미지를 도시한 사진이다(x100). 1 is a photograph showing an SEM image of CNTs using the catalyst of Example 1 of the present invention (x100).

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명을 이에 한정하려는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention, but the present invention is not limited thereto.

[실시예] [Example]

실시예Example 1 < 1 < CNTCNT 촉매의 제조-수식 계산치 0.6>  Preparation of Catalyst-Calculated Equation 0.6>

A.금속 수용액 제조A. Metal Aqueous Solution

(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.104 mmol을 3 ml 물에 용해시킨 플라스크 A에 시트르산 0.14 mmol을 투입한 다음 Fe(NO3)2·9H2O 0.89 mmol을 투입하여 준비해두었다. 0.14 mmol of citric acid was added to Flask A in which 0.104 mmol of (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 O was dissolved in 3 ml of water. 0.89 mmol of Fe (NO 3 ) 2 .9H 2 O was added to prepare.

제조된 금속 수용액은 48 시간 경과 후에도 침전 없이 맑은 용액 상태로 관찰되었다. 나아가 30일 이상 방치한 경우 투명한 용액 상태를 유지하는 것을 확인하였다. The prepared aqueous metal solution was observed as a clear solution without precipitation even after 48 hours. Furthermore, when left for 30 days or more, it was confirmed that the transparent solution was maintained.

또한, (NH4)6Mo7O24·4H2O 1mol 당 7 mol의 Mo가 존재하므로, 활성 성분 Mo의 몰 수는 0.73 mmol로 (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수의 0.14/0.73 x 3 의 계산치로 0.57인 것을 확인할 수 있었다.
In addition, since 7 mol of Mo per 1 mol of (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 O exists, the mole number of the active ingredient Mo is 0.73 mmol (molar ratio of the multicarboxylic acid and the active ingredient) x multicarboxylic acid It was confirmed that it was 0.57 by the calculated value of 0.14 / 0.73x3 of the number of the carboxylic acid groups of.

B.지지체 준비B. Support Preparation

또한, Al2O3(D50v=80 micron, D50n=55 micron, pore volume: 0.64cm3/g, surface area: 237 m2/g, Saint Gobain사 제품) 4.9 mmol이 담긴 플라스크 B를 준비해두었다.
In addition, Flask B containing 4.9 mmol of Al 2 O 3 (D50v = 80 micron, D50n = 55 micron, pore volume: 0.64 cm 3 / g, surface area: 237 m 2 / g, manufactured by Saint Gobain) was prepared.

C.금속 수용액과 지지체로부터 담지 촉매 제조C. Preparation of Supported Catalysts from Aqueous Metal Solution and Support

플라스크 B에 상기 플라스크 A를 첨가시켜 촉매활성 금속 전구체를 충분히 Al2O3에 담지시킨 후, 60 ℃ 항온조에서 5분간 교반하여 숙성시킨다. 이를 상기 온도를 유지하면서 진공 건조하에 30 분간 건조시킨다. 건조된 촉매를 700 ℃에서 3시간 소성시켜 균질(homogeneous) 담지 촉매를 제조하였다.
The flask A was added to Flask B to sufficiently support the catalytically active metal precursor in Al 2 O 3 , and then aged by stirring for 5 minutes in a 60 ° C. thermostat. It is dried for 30 minutes under vacuum drying while maintaining the temperature. The dried catalyst was calcined at 700 ° C. for 3 hours to prepare a homogeneous supported catalyst.

실시예Example 2 < 2 < CNTCNT 촉매의 제조-수식 계산치 1.0>  Preparation of Catalysts-Formula 1.0

실시예 1 내 시트르산을 0.24 mmol 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다. The same process as in Example 1 was repeated except that 0.24 mmol of citric acid in Example 1 was added.

제조된 금속 수용액은 48 시간 경과후에도 침전 없이 맑은 용액 상태로 관찰되었으며, 30일 이상 방치시에도 투명한 용액 상태를 유지하였다. The prepared aqueous metal solution was observed as a clear solution without precipitation even after 48 hours, and maintained a clear solution even when left for more than 30 days.

또한, (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 0.98인 것을 확인할 수 있었다.
Moreover, it was confirmed that it was 0.98 as a result of calculating the number of carboxylic acid groups of (molar ratio of multicarboxylic acid and an active component) x multicarboxylic acid.

실시예Example 3 < 3 < CNTCNT 촉매의 제조-수식 계산치 1.5>  Preparation of Catalysts-Formula 1.5

실시예 1 내 시트르산 대신 옥살산 0.53 mmol로 대체한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다. The same process as in Example 1 was repeated except that 0.53 mmol of oxalic acid was substituted for citric acid in Example 1.

이때 제조된 금속 수용액은 48 시간 경과 후에도 침전 없이 맑은 용액 상태로 관찰되었으며, 또한, (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 1.45인 것을 확인할 수 있었다.
At this time, the prepared aqueous metal solution was observed as a clear solution without precipitation even after 48 hours, and (calculated molar ratio of multicarboxylic acid and active ingredient) x the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid was found to be 1.45. there was.

실시예Example 4 < 4 < CNTCNT 촉매의 제조-수식 계산치 0.7>  Preparation of Catalysts-Formula 0.7>

실시예 1 내 시트르산 대신 타르타르산 0.24 mmol로 대체한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다. The same process as in Example 1 was repeated except that 0.24 mmol of tartaric acid was substituted for citric acid in Example 1.

이때 제조된 금속 수용액은 48 시간 경과 후에도 침전 없이 맑은 용액 상태로 관찰되었으며, 또한, (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 0.66인 것을 확인할 수 있었다.
At this time, the prepared aqueous metal solution was observed as a clear solution without precipitation even after 48 hours, and (calculated molar ratio of multicarboxylic acid and active ingredient) x the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid was found to be 0.66. there was.

비교예Comparative example 1 < 1 < CNTCNT 촉매의 제조-수식 계산치 0.5 미만>  Preparation of catalysts-formula calculated below 0.5>

실시예 1 내 시트르산을 제거한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다. The same process as in Example 1 was repeated except that the citric acid in Example 1 was removed.

이때 제조된 금속 수용액은 침전이 발생하였다가 30시간 강한 교반 후 투명한 용액이 얻어졌으나, 교반을 멈춘 후 방치하자 재침전이 발생하였다. (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 0인 것을 확인할 수 있었다.
At this time, the prepared aqueous metal solution precipitated and a clear solution was obtained after vigorous stirring for 30 hours, but reprecipitation occurred when the stirring was stopped and left to stand. (Molar ratio of multicarboxylic acid and active component) As a result of calculating the number of carboxylic acid groups of x multicarboxylic acid, it was confirmed that it was zero.

비교예Comparative example 2 < 2 < CNTCNT 촉매의 제조-수식 계산치 0.5 미만>  Preparation of catalysts-formula calculated below 0.5>

실시예 1 내 시트르산을 0.048 mmol 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다. The same process as in Example 1 was repeated except that 0.048 mmol of citric acid in Example 1 was added.

이때 제조된 금속 수용액은 침전이 발생하였다가 6시간 강한 교반 후 투명한 용액이 얻어졌으나, 교반을 멈춘 후 방치하자 8시간 후 서서히 재침전이 발생하였다. (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 0.2인 것을 확인할 수 있었다.
At this time, the prepared aqueous metal solution precipitated, but after 6 hours of strong stirring, a clear solution was obtained. However, when the solution was left after stirring, reprecipitation gradually occurred after 8 hours. (Molar ratio of multicarboxylic acid and active component) As a result of calculating the number of carboxylic acid groups of x multicarboxylic acid, it was confirmed that it was 0.2.

비교예Comparative example 3 < 3 < CNTCNT 촉매의 제조-수식 계산치 2.0 이상>  Preparation of Catalysts-Equation 2.0 or higher>

실시예 1 내 시트르산을 0.48 mmol 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정을 반복하였다. The same process as in Example 1 was repeated except that 0.48 mmol of citric acid in Example 1 was added.

이때 제조된 금속 수용액은 침전이 발생하지 않은 투명 용액을 형성하였다. 또한, (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 2.0인 것을 확인할 수 있었다. At this time, the prepared aqueous metal solution formed a transparent solution in which precipitation did not occur. Moreover, it was confirmed that it was 2.0 as a result of calculating the number of carboxylic acid groups of (molar ratio of multicarboxylic acid and an active component) x multicarboxylic acid.

그러나 촉매 제조 후 CNT 성장 수율이 떨어지는 결과를 확인할 수 있었다.
However, after the preparation of the catalyst it was confirmed that the CNT growth yield falls.

비교예Comparative example 4 < 4 < CNTCNT 촉매의 제조-금속 수용액  Preparation of Catalysts-Aqueous Metal Solution 대체1Substitution 1 > >

실시예 2 내 A. 금속 수용액 준비 단계에서, Fe, CA, MoO 의 순으로 순서를 바꿔 투입한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 공정을 반복하였다. In Example A. Aqueous metal solution preparation step in Example 2, The same process as in Example 2 was repeated except that the order was added in the order of Fe, CA, and MoO.

이때 제조된 금속 수용액은 침전이 발생되었으며, 36 시간 정도 강한 교반을 통해 침전은 사라지나, 교반을 멈추면 재침전이 발생하는 것을 관찰할 수 있었고, 또한, (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 0.98인 것을 확인할 수 있었다.
At this time, the prepared aqueous metal solution was precipitated, and the precipitate disappeared through strong stirring for about 36 hours, but when the stirring was stopped, reprecipitation could be observed, and also (molar ratio of multicarboxylic acid and active ingredient). As a result of calculating the number of carboxylic acid groups of the x multicarboxylic acid, it was confirmed that it was 0.98.

비교예Comparative example 5 < 5 < CNTCNT 촉매의 제조-금속 수용액  Preparation of Catalysts-Aqueous Metal Solution 대체2Substitution 2 > >

실시예 2 내 A. 금속 수용액 준비 단계에서, MoO, Fe, CA의 순으로 순서를 바꿔 투입한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 공정을 반복하였다. In Example A. Aqueous metal solution preparation step in Example 2, the same process as in Example 2 was repeated except that the order was changed in the order of MoO, Fe, CA.

이때 제조된 금속 수용액은 침전이 발생되었으며, 36 시간 정도 강한 교반을 통해 이 침전을 사라지나, 교반을 멈추면 재침전이 발생하는 것을 또한 관찰할 수 있었다. At this time, the prepared aqueous metal solution was precipitated, and the precipitate disappeared through strong stirring for about 36 hours, but it was also observed that reprecipitation occurred when the stirring was stopped.

한편, (멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비) x 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 계산한 결과 0.98인 것을 확인할 수 있었다.
On the other hand, it was confirmed that it was 0.98 as a result of calculating the number of carboxylic acid groups of (molar ratio of multicarboxylic acid and an active component) x multicarboxylic acid.

CNTCNT 제조예Manufacturing example

실시예 1 내지 4에서 제조된 CNT 합성용 촉매를 이용하여 실험실 규모의 고정층 반응장치에서 탄소나노튜브 합성을 시험하였다.
Carbon nanotube synthesis was tested in a laboratory scale fixed bed reactor using the catalyst for synthesizing CNTs prepared in Examples 1 to 4.

제조된 CNT 합성용 촉매를 20 mm의 내경과 550 mm 높이를 가진 수직성 석영관의 중간부에 장착한 후, 질소와 수소의 부피 혼합비 50:3에서 700 ℃까지 승온한 다음 유지시키고, 질소와 수소, 그리고 에틸렌 가스의 부피 혼합비를 50:3:10으로 상부에서 하부로 흘리면서 1시간동안 합성하여 소정량의 탄소나노튜브를 합성하였다.
The prepared CNT synthesis catalyst was mounted in the middle of a vertical quartz tube having an inner diameter of 20 mm and a height of 550 mm, and then heated up to 700 ° C. at a volume mixing ratio of nitrogen and hydrogen at 50: 3, and then maintained. A volume mixing ratio of hydrogen and ethylene gas was synthesized for 1 hour while flowing from top to bottom at 50: 3: 10 to synthesize a predetermined amount of carbon nanotubes.

합성된 탄소나노튜브를 상온에서 수득하여 그 함량을 전자저울을 이용하여 측정하였다. 이때 반응 수율은 사용한 CNT 합성용 촉매의 중량과 반응 후 중량 증가량을 기준으로 하기 식에 의거하여 계산하였다. Synthesized carbon nanotubes were obtained at room temperature, and their contents were measured using an electronic balance. In this case, the reaction yield was calculated based on the weight of the catalyst for synthesizing CNT and the weight increase after the reaction.

CNT 수율(%) = (반응 후 총 중량(g)-사용한 촉매의 중량(g)) / 사용한 촉매의 중량(g) x 100
CNT yield (%) = (total weight after reaction (g)-weight of catalyst used (g)) / weight of catalyst used (g) x 100

상기 1시간 반응 후 CNT 회수기에 수집된 CNT는 실시예 1의 경우 촉매 투입량 대비 363 %의 CNT 수율을 나타내었으며, 이때 얻어진 CNT의 평균 외경은 20 nm 이었다. 실시예 2 내지 4의 결과는 하기표 1에 함께 정리하였다. 또한 본 발명의 실시예 1의 촉매를 사용하여 CNT의 SEM 이미지를 도 1에 도시하였다. 도 1에서 보듯이, 구형 타입의 CNT가 제조되는 것을 확인할 수 있었다.
The CNTs collected in the CNT recovery unit after the 1 hour reaction showed a CNT yield of 363% compared to the catalyst input in Example 1, and the average outer diameter of the obtained CNTs was 20 nm. The results of Examples 2 to 4 are summarized together in Table 1 below. In addition, SEM images of CNTs are shown in FIG. 1 using the catalyst of Example 1 of the present invention. As shown in Figure 1, it was confirmed that the spherical type of CNT is produced.

비교제조예Comparative Manufacturing Example 1 One

상기 실시예 1의 촉매 대신 비교예 1 내지 5의 촉매를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.Except for using the catalyst of Comparative Examples 1 to 5 instead of the catalyst of Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1.

상기 1 시간 반응 후 CNT 회수기에 수집된 CNT는 비교예 1의 경우 촉매 투입량 대비 248%의 수율을 나타내었으며, 이때 얻어진 CNT의 평균 외경은 20 nm 이었다. 비교예 2 내지 5의 결과 또한 하기 표 1에 함께 정리하였다. CNT collected in the CNT recovery unit after the 1 hour reaction showed a yield of 248% compared to the catalyst input in the case of Comparative Example 1, and the average outer diameter of the obtained CNT was 20 nm. The results of Comparative Examples 2 to 5 are also summarized in Table 1 below.

구분 division 실시예Example 비교예Comparative example 1One 22 33 44 1One 22 33 44 55 혼합 순서Mixed order MoO -> CA -> FeMoO-> CA-> Fe MoO -> CA -> FeMoO-> CA-> Fe MoO -> CA -> FeMoO-> CA-> Fe MoO -> CA -> FeMoO-> CA-> Fe MoO -> CA -> FeMoO-> CA-> Fe MoO -> CA -> FeMoO-> CA-> Fe MoO -> CA -> FeMoO-> CA-> Fe Fe->CA->MoFe-> CA-> Mo MoO->Fe->CAMoO-> Fe-> CA CA 종류CA type 시트르산Citric acid 시트르산Citric acid 옥살산Oxalic acid 타르타르산Tartaric acid 시트르산Citric acid 시트르산Citric acid 시트르산Citric acid 시트르산Citric acid 시트르산Citric acid Fe/Mo/
Al2O3
Fe / Mo /
Al 2 O 3
14/11/7514/11/75
CA mmolCA mmol 0.140.14 0.240.24 0.530.53 0.240.24 -- 0.0480.048 0.480.48 0.240.24 0.240.24 CA/Mo [A]CA / Mo [A] 0.200.20 0.330.33 0.740.74 0.330.33 -- 0.070.07 0.650.65 0.330.33 0.330.33 CA의COOH 수 [B]COOH number of CA [B] 33 33 22 22 33 33 33 33 33 [A]*[B][A] * [B] 0.570.57 0.980.98 1.451.45 0.660.66 0.00.0 0.20.2 2.02.0 0.980.98 0.980.98 용해(hr)Dissolution (hr) 00 00 00 00 3030 66 00 3636 3636 재침전발생(hr)Reprecipitation (hr) NANA NANA NANA NANA 침전Sedimentation 88 NANA 침전Sedimentation 침전Sedimentation 열처리후 무게변화(%)Weight change after heat treatment (%) 7575 7474 7575 7777 7878 7777 6969 -- -- CNT 수율(%)CNT yield (%) 363363 380380 313313 320320 248248 280280 224224 -- --

상기 표에서 보듯이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 경우 비교예 1 내지 5 대비 장시간 동안 재침전이 발생하지 않고 개선된 CNT 수율을 갖는 것을 확인할 수 있었다. As shown in the table, in Examples 1 to 4 according to the present invention it was confirmed that the reprecipitation does not occur for a long time compared to Comparative Examples 1 to 5 and has an improved CNT yield.

Claims (13)

물, 촉매 성분의 전구체, 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산(multicarboxylic acid)을 포함하여 이루어지되,
멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비에 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 곱한 값이 0.5 내지 1.9인 것을 특징으로 하는 금속 수용액.
It comprises water, precursors of the catalytic component, precursors of the active component and multicarboxylic acid,
A metal aqueous solution, wherein a value obtained by multiplying the molar ratio of the multicarboxylic acid and the active component by the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid is 0.5 to 1.9.
제 1항에 있어서,
상기 금속 수용액은, CNT 합성용 담지 촉매의 제조에 사용되는 금속 수용액인 것을 특징으로 하는 금속 수용액.
The method of claim 1,
The aqueous metal solution is an aqueous metal solution, characterized in that the metal aqueous solution used for the production of the supported catalyst for CNT synthesis.
제 1항에 있어서,
상기 촉매 성분은 Fe, Co 및 Ni 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 수용액.
The method of claim 1,
The catalyst component is an aqueous metal solution, characterized in that at least one selected from Fe, Co and Ni.
제 1항에 있어서,
상기 활성 성분은 Mo인 것을 특징으로 하는 금속 수용액.
The method of claim 1,
The active ingredient is an aqueous metal solution, characterized in that Mo.
제 1항에 있어서,
상기 멀티카르복실산은, 디카르복실산, 트리카르복실산 및 테트라카르복실산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속 수용액.
The method of claim 1,
The multicarboxylic acid is at least one member selected from the group consisting of dicarboxylic acid, tricarboxylic acid and tetracarboxylic acid.
제 1항에 있어서,
상기 촉매 성분과 활성 성분은 지지체 100 중량을 기준으로 1 내지 15 : 10 내지 30의 중량비를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 수용액.
The method of claim 1,
The catalyst component and the active component is an aqueous metal solution, characterized in that the weight ratio of 1 to 15: 10 to 30 based on the weight of the support 100.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 금속 수용액을 사용하여 제조된 담지 촉매.
Supported catalyst prepared using the aqueous metal solution of any one of claims 1 to 6.
제 7항에 있어서,
상기 담지 촉매는, CNT 합성에 사용되는 담지 촉매인 것을 특징으로 하는 담지 촉매.
8. The method of claim 7,
The supported catalyst is a supported catalyst, which is used for CNT synthesis.
제 7항의 담지 촉매를 이용하여 제조된 CNT.
CNT prepared using the supported catalyst of claim 7.
a) 활성 성분의 전구체 수용액을 제조하는 단계;
b) 상기 활성 성분의 전구체 수용액에 멀티카르복실산을 혼합하는 단계; 및
c) 상기 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산 수용액에 촉매 성분의 전구체를 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 수용액의 제조방법.
a) preparing an aqueous solution of a precursor of the active ingredient;
b) mixing the multicarboxylic acid into the aqueous solution of the precursor of the active ingredient; And
c) mixing the precursor of the catalyst component with the precursor of the active ingredient and the aqueous solution of multicarboxylic acid.
제 10항에 있어서,
상기 금속 수용액은, 멀티카르복실산과 활성 성분의 몰비에 멀티카르복실산의 카르복실산기 개수를 곱한 값이 0.5 내지 1.9인 것을 특징으로 하는 금속 수용액의 제조방법.
The method of claim 10,
The metal aqueous solution is a method of producing an aqueous metal solution, wherein a value obtained by multiplying the molar ratio of the multicarboxylic acid and the active component by the number of carboxylic acid groups of the multicarboxylic acid is 0.5 to 1.9.
a) 활성 성분의 전구체 수용액을 제조하는 단계;
b) 상기 활성 성분의 전구체 수용액에 멀티카르복실산을 혼합하는 단계;
c) 상기 활성 성분의 전구체 및 멀티카르복실산 수용액에 촉매 성분의 전구체를 혼합하여 금속 수용액을 제조하는 단계; 및
d) 상기 금속 수용액에 지지체를 투입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조방법.
a) preparing an aqueous solution of a precursor of the active ingredient;
b) mixing the multicarboxylic acid into the aqueous solution of the precursor of the active ingredient;
c) preparing a metal aqueous solution by mixing the precursor of the active ingredient and the precursor of the catalyst component with the aqueous solution of multicarboxylic acid; And
and d) injecting a support into the aqueous metal solution.
제 12항에 있어서,
상기 지지체는 알루미나, 산화마그네슘, 및 실리카 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 담지 촉매의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The support is alumina, magnesium oxide, and silica Method for producing a supported catalyst, characterized in that selected from.
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