KR101626857B1 - Preparation method of copper-manganese oxides for removing hazardous gas removal - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일산화탄소, 질소산화물과 같은 유해기체를 효과적으로 제거할 수 있는 무정형 구리-망간 산화물 촉매 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 층상구조형 구리함유 금속수산화물을 우선 합성하고, 이 금속수산화물의 층간에 음이온성 망간 이온종을 층간삽입 시킨 후 열처리하여 무정형의 구리-망간 복합산화물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이와 같이 제조된 무정형의 구리-망간 복합금속산화물 촉매는 일산화탄소, 질소산화물의 산화분해 촉매로 이용된다. The present invention relates to a process for preparing an amorphous copper-manganese oxide catalyst capable of effectively removing harmful gases such as carbon monoxide and nitrogen oxides. More particularly, the present invention relates to a method for preparing an amorphous copper-manganese composite oxide by first synthesizing a layered copper-containing metal hydroxide, intercalating an anionic manganese ion species between the metal hydroxide layers, and then heat-treating the amorphous copper-manganese composite oxide. The amorphous copper-manganese composite metal oxide catalyst thus prepared is used as a catalyst for oxidative decomposition of carbon monoxide and nitrogen oxides.

Description

유해기체 제거용 구리-망간 산화물 제조 방법{Preparation method of copper-manganese oxides for removing hazardous gas removal}Preparation method of copper-manganese oxides for removing hazardous gases [0002]

본 발명은 일산화탄소, 질소산화물과 같은 유해기체를 효과적으로 제거할 수 있는 무정형 구리-망간 산화물 촉매 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 층상구조형 구리함유 금속수산화물을 우선 합성하고, 이 금속수산화물의 층간에 음이온성 망간 이온종을 층간삽입 시킨 후 열처리하여 무정형의 구리-망간 복합산화물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이와 같이 제조된 무정형의 구리-망간 복합금속산화물 촉매는 일산화탄소, 질소산화물의 산화분해 촉매로 이용된다.
The present invention relates to a process for preparing an amorphous copper-manganese oxide catalyst capable of effectively removing harmful gases such as carbon monoxide and nitrogen oxides. More particularly, the present invention relates to a method for preparing an amorphous copper-manganese composite oxide by first synthesizing a layered copper-containing metal hydroxide, intercalating an anionic manganese ion species between the metal hydroxide layers, and then heat-treating the amorphous copper-manganese composite oxide. The amorphous copper-manganese composite metal oxide catalyst thus prepared is used as a catalyst for oxidative decomposition of carbon monoxide and nitrogen oxides.

상온에서 일산화탄소 제거에 사용되는 촉매로써 산화망간, 산화구리 등의 혼합물로 이루어진 홉켈라이트 (Hopcalite)가 비교적 경제적이며, 일산화탄소를 제거하는 효능이 우수하나, 수분 존재 하에서는 그 효능이 격감하는 단점이 알려져 있다. (M.I. Brittan, H. Bliss, C.A. Walker, AIChE J. 1970, 16, 305). 또한, 금속 산화물에 담지된 나노크기(5nm)의 금(Au) 입자로 구성된 촉매 (G.C. Bond와 D.T. Thompson은 Gold Bulletin 2000, 33(2), pp41-51)는 실온에서 CO를 산화시키는 능력이 우수하나, 금속입자를 나노크기로 균일하게 제조하여 골고루 분산 시키기 위해서는 고도의 기술을 필요로 한다. Au, Pd, Pt와 같은 귀금속 촉매는 우수한 촉매효율, 성능의 항상성 및 지속성, 내피독성 등 촉매로써 성능이 탁월하지만 아직까지 경제적이지 못한 문제가 남아있다. 일본특허 등록 제3321422호 및 일본특허 공개 2000-140577호는 밀폐된 공간 내에 존재하는 미량의 일산화탄소, 니코틴, 아세트알데히드, 암모니아, 이산화황을 제거하는 장치에 관한 것이 공개되어 있는데, 이 장치는 일산화탄소를 제거하기 위하여 알루미나, 실리카, 산화철, 티타니아, 지르코니아, 제올라이트 등의 산화물에 백금, 세륨, 팔라듐, 마그네슘, 티탄 등을 담지시킨 촉매를 사용하고, 알데히드를 제거하기 위하여 활성탄, 실리카겔, 티타니아 등의 흡착제를 사용하고, 암모니아를 제거하기 위하여 점착 활성탄 흡착제를 사용하고, 이산화황을 제거하기 위하여 티타니아, 알루미나, 실리카, 제올라이트 등의 산화물에 망간, 구리를 담지시킨 촉매를 사용하고 있다. 그러나, 이러한 촉매들은 실온보다 높은 40 ∼ 60℃에서 각각의 유독성 기체 제거가 가능하므로 장치를 별도로 가열하여야 하는 단점이 있다. 미국특허 제6,280,691호는 건물내에 공존하는 유독성 가스를 낮은 온도에서 제거하기 위한 장치 내에 저온산화촉매 즉, 백금, 팔라듐 또는 은이 담지된 소재를 장착하여, SOx, NOx, 오존 등을 실온에서 제거하는 방법을 제시하고 있다. 또한, 미국특허 제6,187,276호는 실내에 존재하는 휘발성유기화합물(VOC)을 낮은 온도에서 제거하기 위하여 0.05 ∼ 5 중량% 의 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등의 귀금속이 함유된 산화알루미늄을 촉매로 사용하고 있다. 일본특허 공개 평6-219,721호 및 일본특허 공개 평10-296,087호에서는 세리아, 지르코니아, 티타니아를 은(Ag), 팔라듐 (Pd), 로듐(Rh), 백금(Pt) 등의 귀금속과 공침시켜 만든 촉매가 CO를 산화시키는 능력이 있는 것으로 제시하고 있으나, 이는 150 ∼ 200℃의 고온에서 성능이 우수함을 보여주고 있으나, 실온에서는 활성이 급격히 저하되는 것으로 알려져 있다. 미국특허 제6,492,298호에서는 상온에서 성능을 보이는 산화반응용 촉매의 제조방법에 대해 소개하고 있으며, 환원 처리하여 산소결함자리를 갖는 세리아, 지르코니아 등의 금속산화물에 귀금속을 담지시켜 만든 촉매가 공기중에 포함된 CO, NOx, 에틸렌, 포름알데히드, 트리메틸아민, 메틸머캡탄 및 아세트알데히드 등의 유독성가스를 25℃에서 정화시킬 수 있다고 제시하고 있다. 미국특허 제6,503,462호에서도 대기 중에 공존하는 CO, 휘발성 유기화합물(VOC), 오존 등을 정화하는 장치의 발명에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 등의 귀금속 또는 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe) 등의 전이금속을 표면적이 큰 알루미나, 실리카, 티타니아 등의 무기소재에 담지시킨 산화반응용 촉매를 사용하여 발명을 형성하고 있다.
As a catalyst used for removing carbon monoxide at room temperature, Hopcalite composed of a mixture of manganese oxide and copper oxide is relatively economical and has an excellent effect of removing carbon monoxide, but its effect is reduced in the presence of water . (MI Brittan, H. Bliss, CA Walker, AIChE J. 1970, 16, 305). In addition, catalysts composed of nano-sized (5 nm) gold (Au) particles supported on metal oxides (GC Bond and DT Thompson, Gold Bulletin 2000, 33 (2), pp 41-51) However, a high technology is required to uniformly disperse and uniformly disperse metal particles into nano-sized particles. Precious metal catalysts such as Au, Pd, and Pt have excellent catalytic efficiency, performance consistency and durability, endotoxicity, and excellent performance as catalysts, but they still remain uneconomical. Japanese Patent No. 3321422 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-140577 disclose an apparatus for removing trace amounts of carbon monoxide, nicotine, acetaldehyde, ammonia, and sulfur dioxide present in a closed space. This apparatus removes carbon monoxide Cerium, palladium, magnesium, titanium or the like is supported on an oxide such as alumina, silica, iron oxide, titania, zirconia or zeolite in order to remove aldehyde and an adsorbent such as activated carbon, silica gel or titania is used An adsorbed activated carbon adsorbent is used to remove ammonia, and a catalyst in which manganese or copper is supported on an oxide such as titania, alumina, silica, or zeolite is used to remove sulfur dioxide. However, these catalysts have the disadvantage that they are required to separately heat the apparatus since each of the catalysts can remove toxic gases at a temperature higher than room temperature of 40 to 60 ° C. U.S. Patent No. 6,280,691 discloses a method for removing SOx, NOx, ozone and the like at room temperature by installing a low temperature oxidation catalyst such as platinum, palladium or silver in a device for removing toxic gases coexisting in a building at low temperature . In addition, U.S. Patent No. 6,187,276 discloses a method for removing aluminum oxide (VOC) contained in a room from a low temperature by adding aluminum oxide containing a precious metal such as platinum (Pt), palladium (Pd) . Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-219,721 and 10-296,087 disclose that ceria, zirconia and titania are prepared by coprecipitation with precious metals such as silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh) Although the catalyst shows the ability to oxidize CO, it shows excellent performance at a high temperature of 150 to 200 ° C, but it is known that the activity decreases sharply at room temperature. U.S. Patent No. 6,492,298 discloses a method of preparing a catalyst for oxidation reaction exhibiting performance at room temperature and a catalyst formed by supporting a noble metal on a metal oxide such as ceria or zirconia having an oxygen vacancy site by reduction treatment Toxic gases such as CO, NOx, ethylene, formaldehyde, trimethylamine, methylmercaptan and acetaldehyde can be purified at 25 ° C. U.S. Patent No. 6,503,462 also discloses an apparatus for purifying CO, volatile organic compounds (VOC), ozone, and the like that coexist in the atmosphere, a noble metal such as platinum (Pt), palladium (Pd) Cobalt (Co), and iron (Fe) on an inorganic material such as alumina, silica, or titania having a large surface area is used to form an invention.

상기 문헌분석을 통하여 알아본 바와 같이 상온에서 유해기체인 일산화탄소 (CO), 질소산화물 (NOx)의 산화분해 촉매로 가장 대표적인 것이 귀금속(Au, Pt, Pd등) 담지 다공성 산화물이나 구리-망간산화물 (홉켈라이드포함)이다. 귀금속 함유 촉매는 소재의 단가로 인하여 범용 응용에 제한이 있으며, 구리-망간 산화물 시스템은 우수한 일산화탄소, 휘발성 유기화합물(VOCs)의 상온분해 특성 및 암모니아나 황화수소와 같은 악취원에 대한 우수한 흡착특성을 보여 왔다. 그러나 구리-망간 산화물 시스템의 촉매활성은 결정도 민감하게 영향을 받는 취약점이 있고, 일정시간 사용 후 재생을 하기 위해 열처리 하는 경우 결정도의 변화에 따라 촉매특성이 급격히 저하 및 수분존재하에서의 촉매 특성이 떨어지는 단점이 지적되었다. 또한, 촉매로써 기본적으로 요구되는 비표면적을 좀 더 개선할 필요가 제기 되었다.
As can be seen from the above literature analysis, the most typical oxidative decomposition catalysts for carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NOx) which are harmful gases at room temperature are noble metal (Au, Pt, Pd, etc.) supported porous oxide or copper- Hopkleid). The copper-manganese oxide system exhibits excellent adsorption characteristics for excellent decomposition characteristics of carbon monoxide, VOCs at room temperature, and odor sources such as ammonia and hydrogen sulfide. come. However, the catalytic activity of the copper-manganese oxide system is susceptible to crystallization, and when the catalyst is heat-treated for regeneration after a certain period of time, the catalytic properties of the copper-manganese oxide system deteriorate rapidly in accordance with the change of the crystallinity, Disadvantages were pointed out. In addition, there is a need to further improve the specific surface area required basically as a catalyst.

본 발명자들은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 지속적으로 연구를 진행한 결과, 층상구조인 Cu2(OH)3(CH3COO).H2O의 층간에 존재하는 음이온인 아세트산 이온을 음이온성 망간 이온종 (MnO4 -)로 치환 후 열처리하면 CuMn2O4 입자와 층상의 CuO 입자의 house-of-card 구조형성에 의한 다공화를 통해 소재 자체의 다공특성을 개선하여 촉매성능을 향상 시키는 방법을 완성하게 되었다. 또한, 층간삽입 화합물을 중간체로 하는 복합산화물 시스템은 반결정성 (semi-crystallinity)을 보이기 때문에 열화나 재처리과정에 의한 촉매특성의 저하나 습도에 의한 영향이 최소화된 시스템을 제공한다.
DISCLOSURE OF THE INVENTION As a result of continuous research to solve the problems of the prior art described above, the present inventors have found that a layered structure of Cu 2 (OH) 3 (CH 3 COO) . The substitution of acetic anions, which are anions in H 2 O, with anionic manganese ion species (MnO 4 - ) and subsequent heat treatment is due to the formation of a house-of-card structure of CuMn 2 O 4 particles and layered CuO particles. Thereby improving the porosity of the material itself and improving the catalyst performance. In addition, since the composite oxide system having an intercalation compound as an intermediate exhibits semi-crystallinity, it provides a system in which the deterioration of the catalyst characteristics due to the deterioration or reprocessing process is minimized, but the influence of humidity is minimized.

본 발명은 유해기체 상온 분해용 촉매인 무정형 구리-망간산화물 (amorphous CuO-CuMn2O4)에 관한 것으로 촉매의 효율, 내구성 및 습도안정성을 개선하기 위하여 고안되었다. 일산화탄소 분해용 촉매로 대표적인 홉켈라이트는 무정형의 구리-망간 산화물 (amorphous CuMn2O4)로 무정형 상태가 결정도가 높은 상태에 비하여 훨씬 뛰어난 촉매 특성을 나타낸다.
The present invention relates to amorphous CuO-CuMn 2 O 4 , which is a catalyst for decomposing harmful gas at room temperature, and is designed to improve catalyst efficiency, durability and humidity stability. Hokkelite is a amorphous copper-manganese oxide (amorphous CuMn 2 O 4 ), which exhibits much better catalytic properties than amorphous and highly crystalline.

본 발명에서 다공성 구리-망간산화물 촉매의 제조방법은 다음과 같은 단계로 구성된다. 구리염화합물 (초산구리, 질산구리, 염화구리)의 가수분해법에 의하여 층상구조를 갖는 Cu2(OH)3(X).H2O (X=CH3COO-, NO3 -, Cl-) 물질을 합성하는 단계, 층상 수산화구리화합물의 층간음이온 (X)을 망간 이온종으로 이온 교환하는 단계, 망간이온이 층간삽입된 수산화층상구리 화합물을 열처리하여 CuO/CuMn2O4 조성의 비화학량론 (non-stoichiometry)이고 무정형의 다공성 복합금속 산화물을 제조하는 단계로 구성된다.
The process for preparing the porous copper-manganese oxide catalyst in the present invention comprises the following steps. Cu 2 (OH) 3 (X) having a layered structure by hydrolysis of a copper salt compound (copper acetate, copper nitrate, copper chloride) . H 2 O (X = CH 3 COO -, NO 3 -, Cl -) a step of synthesizing a material, comprising the steps of ion-exchange the interlayer anions (X) of a layered copper hydroxide compound to manganese ion species, manganese ions are intercalated And a step of heat treating the hydroxide stratiform copper compound to produce a non-stoichiometric and amorphous porous composite metal oxide of CuO / CuMn 2 O 4 composition.

우선, 층상구조의 염기성 구리염화합물, Cu2(OH)3(X).H2O (X=CH3COO-, NO3 -, Cl-),의 합성은 출발물질로 구리염화합물, 예를 들면 초산구리 (Cu(CH3COO)2), 질산구리 (Cu(NO3)2), 염화구리 (CuCl2) 또는 이들의 수화물이 이용될 수 있다. 이들 구리염을 증류수에 용해시킨 구리 수용액을 제조하고 여기에 수용액에 용해시키고 여기에 침전제로 염기를 적정하여 가수분해 반응에 의한 침전반응을 유도한다. 이때 수용액의 pH를 높이기 위한 염기는 수산화나트륨, 수산화칼률, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 요소 등 용액의 pH를 높여주는 염기면 제한 없이 사용될 수 있으나 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨 수용액이 가장 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 가수분해를 위한 용액의 pH는 층간에 삽입되는 음이온의 종류에 따라 다소 달라질 수는 있으나 통상적으로 pH = 6 ~ 10 범위로 조절한다. pH가 6 이하인 경우는 가수분해에 의한 염기성 층상화합물이 형성되지 않으며, 또 pH가 10 이상인 경우 일부 재용해에 의하여 반응물의 수율이 저하되는 문제를 일으킬 수 있다. 가수분해 반응 과정에서 온도는 특별하게 제한 되지 않으나 40 ~ 60℃ 의 범위가 바람직하다. 통상적으로 가수분해 반응결과로 녹색의 침전물이 얻어진다. 가수분해 반응 완료 후 분리 및 수세 공정을 거쳐 건조하면 분말상의 염기성 층상구리염 화합물, Cu2(OH)3(X).H2O,이 얻어진다. 층상구조 화합물의 형성 여부는 X-선 회절 분석법 (XRD)을 이용하여 용이하게 확인 할 수 있는데, 100℃로 건조한 시료의 경우 층간음이온의 종류에 따라 5.7 ~ 9.3Å 범위의 층간거리 (basal spacing)을 나타낸다. 예를 들어 초산 음이온 (CH3COO-)이 층간에 존재하는 경우 층간거리는 9.3Å값을 보인다.
First, a layered basic copper salt compound, Cu 2 (OH) 3 (X) . H 2 O (X = CH 3 COO -, NO 3 -, Cl -), the synthesis is a copper salt compound, as the starting material, for example copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ), copper nitrate (Cu (NO 3 ) 2 ), copper chloride (CuCl 2 ), or a hydrate thereof may be used. A copper aqueous solution in which these copper salts are dissolved in distilled water is prepared, dissolved in an aqueous solution thereof, and a base is titrated with a precipitant to induce a precipitation reaction by a hydrolysis reaction. At this time, the base for increasing the pH of the aqueous solution may be used without limitation of the base surface for increasing the pH of the solution such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, urea, etc. However, sodium hydroxide, potassium hydroxide and sodium carbonate aqueous solution are most preferably used . Also, the pH of the solution for hydrolysis may be somewhat varied depending on the kind of anions to be inserted between the layers, but the pH is usually adjusted within the range of 6 to 10. When the pH is less than 6, a basic layered compound by hydrolysis is not formed, and when the pH is 10 or more, the yield of the reactant may be lowered due to some redissolving. The temperature in the hydrolysis reaction is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 60 ° C. A green precipitate is usually obtained as a result of the hydrolysis reaction. After completion of the hydrolysis reaction, it is separated and washed and dried to obtain a basic layered copper salt compound, Cu 2 (OH) 3 (X) . H 2 O is obtained. Formation of a layered compound can be easily confirmed by X-ray diffraction (XRD). In the case of a sample dried at 100 ° C, basal spacing in the range of 5.7 to 9.3 Å, . For example, when acetic anion (CH 3 COO - ) exists between layers, the interlayer distance is 9.3 Å.

두 번째 공정은 상기 과정을 통해서 합성된 염기성 층상구리 화합물의 층간 음이온을 망간 이온종 으로 이온교환 (ion-exchange)하는 과정으로 구성된다. 염기성 층상구리화합물의 층간에 존재하는 음이온 (CH3COO-, NO3 -, Cl-, Br-, I-, ClO- 등)은 외부의 다른 음이온으로 치환될 수 있는데 본 발명에서는 MnO4 -와 같은 망간 포함 음이온 종으로 치환하였다. 망간 이온종을 층간에 삽입시키기 위해서는 먼저 상기 가수분해 과정에서 합성된 층상구리염 화합물을 용매에 분산시키고 여기에 망간 이온종을 첨가하여 이온교환 반응을 진행한다. 이때 반응용매는 층상구리염 화합물의 분산 및 손님물질(guest species), 이 경우 망간 이온종, 의 용해가 가능한 용매이면 통상적인 수용매 및 유기용매가 제한 없이 사용될 수 있으며 보통 증류수를 사용하거나, 알콜, 아세톤을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이온교환반응 조건은 특별하게 제한되지 않으며 온도는 상온에서 100℃, 시간은 0.5 ~ 24시간이 바람직하다. 망간 이온종으로 음이온성을 띠면 제한 없이 적용될 수 있으나 보통 KMnO4가 바람직하게 사용된다. 용액상에서 이온교환반응의 구동력 (driving force)은 통상적으로 농도차 (concentration gradient)에 의한 것으로 화학량론적 양보다는 과량을 투입하여 이온교환 반응 시킨다. 이온교환반응에서 화학량론의 기본이 되는 것은 이온교환능(ion-exchange capacity, mequiv./g)으로 보통 이온교환능의 1 ~ 5 배의 물질을 투입하여 이온교환 반응을 유도한다. 한편, 반응의 완성도, 즉, 층간이온종의 교환율을 높여주기 위해서는 상기와 같은 이온 교환 반응을 반복하여 실시 할 수도 있다. 망간이온종의 층간삽입에 의한 이온교환 반응이 완료되면 고-액분리 및 수세과정을 반복하여 염기성 구리-망간 층상화합물, Cu2(OH)3(MnOx),을 합성할 수 있다. 이온교환반응의 완성도는 원소분석법이나 X-선 회절 분석법을 이용하여 용이하게 확인 할 수 있는데, 100℃로 건조한 시료의 경우 MnO4 -가 층간삽입되는 경우 층간거리는 7.2Å값을 보인다. The second step consists of ion-exchange of the interlayer anions of the basic layered copper compound synthesized through the above process with manganese ion species. Anions present in the interlayer of the basic layer of copper compound (CH 3 COO -, NO 3 -, Cl -, Br -, I -, ClO - , etc.) may be substituted with other anions of the outer in the present invention, MnO 4 - and And replaced with the same manganese - containing anion species. In order to insert the manganese ion species into the interlayer, first, the layered copper salt compound synthesized in the hydrolysis process is dispersed in a solvent, and manganese ion species is added thereto to conduct the ion exchange reaction. In this case, the reaction solvent may be any conventional solvent and organic solvent as long as it is a solvent capable of dissolving the guest species, in this case manganese ion species, in the dispersion of the layered copper salt compound and usually using distilled water, , And acetone may be used alone or in combination. The ion exchange reaction conditions are not particularly limited, and the temperature is preferably 100 ° C at room temperature and 0.5-24 hours. Manganese ion species can be applied without restriction as long as they are anionic, but KMnO 4 is usually used. The driving force of the ion exchange reaction in solution is usually due to the concentration gradient, which is ion exchanged by introducing an excess amount rather than a stoichiometric amount. The basic stoichiometry of the ion exchange reaction is ion exchange capacity (mequiv./g), which is usually 1 to 5 times the ion exchange capacity. On the other hand, in order to increase the degree of completion of the reaction, that is, the exchange rate of the interlayer ion species, the ion exchange reaction as described above may be repeated. When the ion exchange reaction by intercalation of manganese ion species is completed, the basic copper-manganese layer compound and Cu 2 (OH) 3 (MnO x ) can be synthesized by repeating solid-liquid separation and washing. The completeness of the ion exchange reaction can easily be confirmed by elemental analysis or X-ray diffraction analysis. In the case of the sample dried at 100 ° C, the interlayer distance is 7.2 Å when MnO 4 - is intercalated.

세번째 공정은 염기성 구리-망간 층상화합물, Cu2(OH)3(MnOx),을 열처리하여 CuO/CuMn2O4 조성의 비화학량론적이고 무정형의 복합금속산화물을 제조하는 단계이다. 무정형의 금속복합 산화물 촉매를 얻기 위한 열처리는 250 ~ 500℃의 온도 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 250℃ 이하의 경우 탈수반응이 충분하지 못하여 산화물로의 전환이 부족할 수 있으며 다공구종의 형성에도 바람직하지 않다. 반면에 열처리 온도가 500℃ 이상의 경우 구성 금속산화물간의 반응이 일어나 결정성 복합금속산화물, 예를 들면 스핀넬 형 CuMn2O4 등,이 형성될 수 있고, 다공구조가 입자간의 소결로 감소하여 촉매특성을 저하 시키는 원인일 될 수 있다. 반응시간은 0.5 ~ 24시간의 범위에서 선택 할 수 있는데 0.5 시간 이하인 경우 마찬가지로 탈수반응이 완전하게 일어나지 않을 수 있고, 24시간 이상의 경우 부분결정화나 입자간의 소결 문제와 더불어 경제적으로 유리하지 않다.
The third step is to heat-treat the basic copper-manganese layered compound, Cu 2 (OH) 3 (MnO x ), to prepare a non-stoichiometric and amorphous composite metal oxide of CuO / CuMn 2 O 4 composition. The heat treatment for obtaining the amorphous metal complex oxide catalyst is preferably carried out in a temperature range of 250 to 500 ° C. When the temperature is lower than 250 ° C, the dehydration reaction is insufficient and the conversion to oxides may be insufficient. On the other hand, when the heat treatment temperature is 500 ° C or more, a reaction occurs between the constituent metal oxides to form a crystalline composite metal oxide, for example, spinel CuMn 2 O 4 , and the porous structure is reduced in sintering between particles, It may be a cause of degrading the characteristics. The reaction time can be selected in the range of 0.5 to 24 hours. If the reaction time is less than 0.5 hour, the dehydration reaction may not occur completely. If the reaction time is more than 24 hours, the partial crystallization or sintering between particles is not economically advantageous.

상기의 과정을 통해 얻어진 무정형의 구리-망간 산화물 복합체는 1차적으로 층상구조를 형성했다가 금속산화물 전환됨에 따라 국부적으로 결정상태가 유지된 층상형 입자구조를 나타날 수 있으며 순수한 무정형의 구리-망간 금속산화물에 비하여 열안정성, 내구성이 우수하고, 습도에 의한 촉매 특성의 저하문제의 개선이 가능하다.
The amorphous copper-manganese oxide composite obtained through the above process may form a layered structure, and may have a layered structure in which the crystal state is maintained as the metal oxide is converted, and a pure amorphous copper-manganese oxide Thermal stability and durability are superior to those of oxides, and the problem of deterioration of the catalyst characteristics due to humidity can be improved.

본 발명을 통해서 얻어진 비화학량론적이고 무정형의 구리-망간 복합금속 산화물 다공성 촉매는 산업현장, 자동차, 화학플랜트, 발전소, 소각로, 보일러, 지하도로 및 터널, 지하상가, 지하주차장, 일반가정용 공종기 분야에서 유해기체인 일산화탄소, 질소산화물, 황산화물 등에 대한 흡착제거 및 분해제거를 목적으로 하는 곳에 효과적으로 적용될 수 있는 특징을 갖는다.
The non-stoichiometric and amorphous copper-manganese composite metal oxide porous catalysts obtained through the present invention can be used in industrial fields, automobiles, chemical plants, power plants, incinerators, boilers, underpasses and tunnels, underground malls, underground parking lots, And can be effectively applied to adsorption, decomposition and removal of harmful gases such as carbon monoxide, nitrogen oxides, sulfur oxides, and the like.

도 1. 무정형 CuO-CuMn2O4 복합금속 산화물 제조공정도
도 2. 합성과정중 얻어지는 시료에 대한 X-선 회절분석 결과
도 3. 400℃ 열처리를 통해 합성한 무정형 CuO-CuMn2O4 복합금속 산화물의 질소 흡착-탈착 등온선 곡선
도 4. 400℃ 열처리를 통해 합성한 무정형 CuO-CuMn2O4 복합금속 산화물의 일산화탄소 제거율Figure 1. Diagram of amorphous CuO-CuMn 2 O 4 composite metal oxide
2. Results of X-ray diffraction analysis on samples obtained during the synthesis process
Figure 3. Nitrogen adsorption-desorption isotherm curves of amorphous CuO-CuMn 2 O 4 composite metal oxides synthesized by heat treatment at 400 ° C
4. The carbon monoxide removal rate of the amorphous CuO-CuMn 2 O 4 composite metal oxide synthesized through the heat treatment at 400 ° C.

실시예를 통하여 본 발명의 구체적인 예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 발명의 구체적인 예를 보여주기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 실시예에 의하여 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다.
A specific example of the present invention is presented through examples. However, the following examples are intended to illustrate specific examples of the invention, but the scope of the invention should not be construed as being limited by the examples.

실시예 1Example 1

염기성 층상 구리수산화물염의 제조공정도는 도1에 도시하였다. 초산구리 (Cu(CH3COO)2)를 증류수에 용해시켜 1.0 M 초산구리 수용액 500mL 제조하고, 여기에 1.0 N NaOH 수용액 500 mL 를 천천히 적정하였다. NaOH 수용액의 첨가량이 증가함에 따라 용액의 pH 높아지고 반응 용액중에 녹색의 침전물이 발생된다. NaOH의 적정이 완료되면 용액의 온도를 60℃로 올리고 4시간 동안 교반하면서 가수분해 반응을 실시하였다. 가수분해 반응이 완료되면 원심분리 방법으로 고-액 분리를 실시하고, 증류수를 이용하여 3회 수세하여 미반응 물질 및 분술물을 제거하였다. 이렇게 얻어진 침전물을 120℃에서 2시간 동안 건조시켜 염기성 층상 구리 수산화물염, Cu2(OH)3(CH3COO).H2O,을 제조하였다. 염기성 층상구리 수산화물염의 형성은 도 2에 도시된 바와 같이 9.3Å의 층간거리를 갖는 층상격자 화합물이 제조되었음을 알 수 있었다. 9.3Å의 층간거리는 구리수산화물 층격자 사이에 초산분자 이온과 물분자가 삽입되었음을 의미하는 결과이다.
A process flow diagram of the basic layered copper hydroxide salt is shown in Fig. 500 mL of 1.0 M aqueous copper acetate solution was prepared by dissolving copper acetate (Cu (CH 3 COO) 2 ) in distilled water, and 500 mL of 1.0 N NaOH aqueous solution was slowly titrated. As the amount of NaOH aqueous solution is increased, the pH of the solution is increased and a green precipitate is generated in the reaction solution. When the titration of NaOH was completed, the temperature of the solution was raised to 60 DEG C and the hydrolysis reaction was carried out with stirring for 4 hours. When the hydrolysis reaction was completed, solid-liquid separation was carried out by centrifugation and unreacted material and impurities were removed by washing three times with distilled water. The precipitate thus obtained was dried at 120 ° C for 2 hours to obtain a basic layered copper hydroxide salt, Cu 2 (OH) 3 (CH 3 COO) . H 2 O, was prepared. The formation of the basic layered copper hydroxide salt was found to produce a layered lattice compound having an interlayer distance of 9.3 Å as shown in FIG. The interlayer distance of 9.3 Å is the result of the insertion of acetic acid molecule ions and water molecules between the copper hydroxide layer lattices.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1의 합성과정을 통해 얻어진 염기성 층상 구리 수산화물염, Cu2(OH)3(CH3COO).H2O,의 층간에 망간이온종의 이온교환 반응을 실시하였다. 제조공정도는 도 1에 도시하였다. 실시예 1에서 합성한 Cu2(OH)3(CH3COO).H2O 10g을 증류수 1000 mL 에 투입하고, 1시간동안 교반하여 재분산 시켰다. 여기에 0.1 몰 KMnO4 수용액 500 mL를 첨가하고 교반하면서 이온교환반응 시켰다. 이온교환 반응은 60℃에서 12시간 동안 실시하였다. 이온교환반응이 완료되면 원심분리 방법으로 고-액 분리를 실시하고, 증류수를 이용하여 3회 수세하여 미반응 물질 및 분술물을 제거하였다. 이렇게 얻어진 이온교환반응물을 120℃에서 2시간 동안 건조시켜 망간이온이 층간에 삽입된 염기성 층상 구리 수산화물염, Cu2(OH)3(MnO4), 을 제조하였다. 망간이온이 교환되면 층간거리는 도 2에 도시된 바와 같이 7.2Å로 감소하였고, 7.2Å의 층간거리는 구리수산화물 층격자 사이에 망간이온이 삽입되었음을 의미하는 결과이다.
The basic layered copper hydroxide salt, Cu 2 (OH) 3 (CH 3 COO), obtained through the synthesis procedure of Example 1 above . Ion exchange reaction of manganese ion species was carried out between layers of H 2 O. The manufacturing process is shown in Fig. Cu 2 (OH) 3 (CH 3 COO) synthesized in Example 1 . 10 g of H 2 O was added to 1000 mL of distilled water and redispersed by stirring for 1 hour. 500 mL of a 0.1 mol KMnO 4 aqueous solution was added thereto, followed by ion exchange reaction with stirring. The ion exchange reaction was carried out at 60 DEG C for 12 hours. When the ion exchange reaction was completed, solid-liquid separation was carried out by centrifugation, and unreacted materials and impurities were removed by rinsing three times with distilled water. The ion exchange reactant thus obtained was dried at 120 ° C for 2 hours to prepare a basic layered copper hydroxide salt, Cu 2 (OH) 3 (MnO 4 ), intercalated with manganese ions. When the manganese ions were exchanged, the interlayer distance decreased to 7.2 Å as shown in FIG. 2, and the interlayer distance of 7.2 Å was the result that manganese ions were inserted between the copper hydroxide layer lattices.

실시예 3Example 3

실시예 1에서 초산구리 대신 구리 원료물질로 질산구리 (CuNO3)를 적용하여 염기성 층상구리수산화물을 합성하였다. 증류수에 용해시켜 1.0 M 질산구리 수용액 500mL 제조하고, 여기에 1.0 N NaOH 수용액 600 mL를 천천히 적정하였으며 적정량이 많아짐에 따라 반응 용액중에 녹색의 침전물이 발생된다. 이후의 공정은 실시예 1가 동일하게 진행하여 질산이온 (NO3 -)이 층간에 삽입된 형태의 염기성 층상 구리 수산화물염, Cu2(OH)3(NO3),을 제조하였으며, X-선 회절분석을 통한 층간거리는 6.9Å로 층간에 질산이온 (NO3 -) 삽입되었음을 의미하는 결과이다.
In Example 1, basic layered copper hydroxide was synthesized by using copper nitrate (CuNO 3 ) as a copper raw material instead of copper acetate. Dissolved in distilled water to prepare 500 mL of a 1.0 M aqueous copper nitrate solution. 600 mL of 1.0 N NaOH aqueous solution was slowly titrated thereto, and a green precipitate was generated in the reaction solution as the titration amount increased. In the subsequent steps, the basic layered copper hydroxide salt, Cu 2 (OH) 3 (NO 3 ), in which nitrate ions (NO 3 - ) were intercalated between layers was prepared in the same manner as in Example 1, The interlayer distance through diffraction analysis was 6.9 Å, which means that nitrate ions (NO 3 - ) were intercalated into the interlayer.

실시예 4Example 4

실시예 2를 통해 얻어진 Cu2(OH)3(MnO4)의 열처리를 실시하였다. 건조된 분말을 박스형 전기로를 이용하여 400℃ 에서 2시간 동안 실시하였다. 열처리 후 얻어진 시료를 X-선 회절분석 측정을 실시하였으며 결과는 도 2에 도시하였다. 400℃에서 열처리하면 층상격자 구조에 의한 회절선이 사라지고 무정형의 X-선 회절패턴이 관찰되었다.
The heat treatment of Cu 2 (OH) 3 (MnO 4 ) obtained through Example 2 was carried out. The dried powder was subjected to a box-type electric furnace at 400 ° C for 2 hours. The X-ray diffraction analysis of the sample obtained after the heat treatment was carried out and the results are shown in Fig. When annealed at 400 ° C, the diffraction line due to the layered lattice structure disappeared and an amorphous X-ray diffraction pattern was observed.

실시예 5Example 5

실시예 2를 통해 얻어진 Cu2(OH)3(MnO4)의 열처리를 실시하였다. 건조된 분말을 박스형 전기로를 이용하여 800℃ 에서 2시간 동안 실시하였다. 800℃에서 열처리 하면 400℃ 열처리 시료에서 관찰되었던 무정형 특성 대신에 결정성 회절패턴이 관찰되었다. 결정형 회절패턴은 결정성 CuO와 스핀넬 (spinel) 구조를 갖는 CuMn2O4 로 해석되었다. 이러한 결과는 염기성 층상구리 화합물의 이온교환 반응에 의해 얻어진 구리-망간 산화물 촉매는 CuO/CuMn2O4 조성식으로 표현되는 비화학량론적인 복합금속산화물 임을 알 수 있었다.
The heat treatment of Cu 2 (OH) 3 (MnO 4 ) obtained through Example 2 was carried out. The dried powder was carried out in a box-type electric furnace at 800 DEG C for 2 hours. Crystalline diffraction patterns were observed instead of the amorphous characteristics observed in the 400 ° C heat treated samples when annealed at 800 ° C. The crystal diffraction pattern was interpreted as CuMn 2 O 4 with crystalline CuO and spinel structure. These results indicate that the copper-manganese oxide catalyst obtained by the ion exchange reaction of the basic layered copper compound is a non-stoichiometric composite metal oxide represented by the composition formula CuO / CuMn 2 O 4 .

실시예 6Example 6

실시예 4에서 400℃ 에서 2시간 동안 열처리하여 얻어진 무정형의 CuO/CuMn2O4의 다공특성을 질소 흡착-탈착 등온선 분석법을 통하여 평가하였다. 질소 흡착-탈착 등온선 분석은 액체질소 온도 (77K)에서 측정하였으며, 측정 전에 모든 샘플은 200의 진공조건에서 2시간 동안 전처리를 실시하였다. 이렇게 측정한 질소 흡착-탈착 등온선 분석결과와 비표면적 계산결과는 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터 층상격자화합물의 층간삽입 반응을 이용하여 합성한 구리-망간 산화물 촉매인 CuO/CuMn2O4는 미세동공이 발달된 다공성 금속산화물임을 확인 할 수 있었고 계산된 비표면적은 88.4 m2/g 이었다.
The porosity of amorphous CuO / CuMn 2 O 4 obtained by heat treatment at 400 ° C for 2 hours in Example 4 was evaluated by nitrogen adsorption-desorption isotherm. Nitrogen adsorption - desorption isotherms were measured at liquid nitrogen temperature (77K) and all samples were pretreated for 2 hours at 200 vacuum conditions. The results of the nitrogen adsorption-desorption isotherms and the specific surface area calculations thus obtained are shown in FIG. From FIG. 3, CuO / CuMn 2 O 4 , a copper-manganese oxide catalyst synthesized by the intercalation reaction of a layered lattice compound, was confirmed to be a porous metal oxide having micropores developed, and the calculated specific surface area was 88.4 m 2 / g.

실시예 7Example 7

실시예 4에서 400℃ 에서 2시간 동안 열처리하여 얻어진 무정형의 CuO/CuMn2O4 촉매 물질의 일산화탄소 제거 효율을 평가하였다. 일산화탄소 제거효율 평가는 10L 테들라백에 구리-망간 산화물 시료를 10g 넣고 일산화탄소의 농도는 50ppm을 주입한 후 시간에 따른 농도의 변화를 Gastec 검지관을 이용하여 측정하여 제거효율을 비교하였다. 도 4는 1시간 경과 후 일산화탄소 제거효율을 비교한 그래프이다. 비교 대상 물질로는 1급 활성탄 (비표면적 1200 m2/g)을 이용하였으며, 측정은 실온에서 실시하였다.The carbon monoxide removal efficiency of the amorphous CuO / CuMn 2 O 4 catalyst material obtained by heat treatment at 400 ° C for 2 hours in Example 4 was evaluated. The carbon monoxide removal efficiency was evaluated by comparing the removal efficiency with 10 g of copper-manganese oxide sample in a 10 L tapered bag, concentration of carbon monoxide was 50 ppm, and the change in concentration with time was measured using a Gastec detection tube. 4 is a graph comparing carbon monoxide removal efficiency after 1 hour. As a comparative substance, first grade activated carbon (specific surface area 1200 m 2 / g) was used and measurement was carried out at room temperature.

Claims (9)

구리염 화합물의 가수분해법에 의하여 염기성 층상구리 수산화물 구조를 갖는 Cu2(OH)3(X).H2O(X=CH3COO-, NO3 -, Cl- 중 선택되는 1종 이상의 음이온)을 합성하는 단계,
층상 수산화구리화합물의 층간음이온 (X)을 망간 이온종으로 이온 교환하는 단계, 망간이온이 층간삽입된 수산화층상구리 화합물을 열처리하여 무정형의 다공성 CuO/CuMn2O4 산화물을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 가수분해법 조건은 20 ~ 80℃에서 0.5 ~ 20 시간이고, 상기 이온교환 반응은 10 ~ 100℃에서 0.5 ~ 24 시간이며, 상기 열처리는 250 ~ 500℃에서 0.5 ~ 24 시간에서 실시하는 것을 특징으로 하는 유해기체 분해용 촉매 제조 방법.Cu 2 (OH) 3 (X) with basic layered copper hydroxide structure by hydrolysis of copper salt compounds . H 2 O step of synthesizing (X = CH 3 COO -, NO 3 - -, Cl least one anion selected from),
Ion exchanging an interlayer anion (X) of the layered copper hydroxide compound with a manganese ion species, and heat treating the hydroxide layered copper compound intercalated with manganese ions to produce an amorphous porous CuO / CuMn 2 O 4 oxide , The hydrolysis process is performed at 20 to 80 ° C for 0.5 to 20 hours, the ion exchange reaction is performed at 10 to 100 ° C for 0.5 to 24 hours, and the heat treatment is performed at 250 to 500 ° C for 0.5 to 24 hours By weight based on the total weight of the catalyst. 제1항에 있어서, 구리염화합물에는 초산구리, 질산구리 또는 염화구리 중 1종 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein at least one of copper acetate, copper nitrate or copper chloride is selected as the copper salt compound. 제1항에 있어서 망간 이온종으로는 KMnO4 인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the manganese ion species is KMnO 4 . 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서 염기성 층상 구리수산화물의 X-선 분석에 의한 층간거리가 5.5 ~ 15Å 인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1, wherein the interlayer distance by X-ray analysis of the basic layered copper hydroxide is 5.5 to 15 ANGSTROM. 제1항 내지 제3항 및 제7항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되되 비표면적이 50 ~ 150 m2/g이고, 다공부피는 0.05 ~ 0.3mL/g 인 것을 특징으로 하는 유해기체 제거용 무정형 CuO/CuMn2O4 촉매 산화물.A process for producing a harmful gas according to any one of claims 1 to 3, wherein the specific surface area is 50 to 150 m 2 / g and the polished surface is 0.05 to 0.3 mL / g. Amorphous CuO / CuMn 2 O 4 catalyst oxide. 제8항에 있어서, 상기 유해기체는 암모니아, 황화수소, 알데히드, 일산화탄소, 질소산화물 중 선택되는 1종 이상이며, 상기 촉매 산화물은 상기 유해기체의 농도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 유해기체 제거용 무정형 CuO/CuMn2O4 촉매 산화물.9. The method of claim 8, wherein the harmful gas is at least one selected from ammonia, hydrogen sulfide, aldehyde, carbon monoxide and nitrogen oxides, and the catalytic oxide reduces the concentration of the harmful gas. / CuMn 2 O 4 catalyst oxide.
KR1020140058546A 2014-05-15 2014-05-15 Preparation method of copper-manganese oxides for removing hazardous gas removal KR101626857B1 (en)

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