Catalytic effects from mesoporous structure of nanomorphic zeolite : investigation of catalytic activity and selectivity

Abstract

본 연구에서는 나노형상 제올라이트의 메조구조에 의한 촉매활성과 선택성에 대해 분석하였다. 제올라이트는 1 나노미터 이하의 미세 기공을 가지는 결정성 물질로서, 구조 내에 존재하는 강한 산점으로 인해 석유화학 공정 및 정밀화학 분야에서 매우 중요한 물질로 알려져 있다. 상업용 제올라이트는 두께가 수 마이크로 미터로 미세기공의 크기에 비해 매우 큰 결정으로 이루어져있다. 이렇게 큰 결정에서는 분자의 확산이 용이하지 못해 기공 내부에서 코크가 형성되어 촉매가 쉽게 비활성화 되는 경향이 있었다. 이때 결정 내부에 존재하는 대부분의 산점은 화학반응에 참여하지 못하게 되는 문제를 가지고 있었다. 한편, 여러가지 합성 방법을 통해 나노결정 형태의 제올라이트가 보고되었다. 나노결정 형태의 제올라이트는 여러 반응에서 향상된 촉매 특성을 나타냈다. 그 중 제올라이트 구조유도체가 관능화 되어있는 유기계면활성제를 이용한 수열합성법 이용하면 메조구조를 가지는 나노형상 제올라이트를 합성할 수 있다. 나노형상 제올라이트는 상용 물질에 비해 비약적으로 얇은 결정의 크기를 가지며, 균일한 크기의 메조 기공이 미세 기공과 함께 동시에 존재하여 위계다공성 구조를 갖게 된다. 이렇게 합성된 메조구조를 가지는 나노형상 제올라이트의 촉매 특성은 보고된 바가 없었다. 본 연구에서는 나노형상 제올라이트의 촉매 특성을 다양한 기상, 액상 반응을 통해 분석하여 메조 구조가 촉매 반응성과 선택성에 미치는 영향을 알아보았다. 나노형상 제올라이트의 얇은 결정 크기는 분자들의 확산을 촉진시켜 촉매의 지속성을 향상 시켰다. 또한 넓은 외부 표면적에 존재하는 강한 산점은 미세기공 크기보다 큰 분자들의 화학반응에서 매우 향상된 촉매 반응성을 보였다. 게다가 균일한 크기의 메조 기공은 코발트 나노입자를 원하는 크기로 담지시켰으며, 담지체에 존재하는 강한 산점은 유기 분자의 이성질화, 크래킹 반응을 통해 특정 물질의 선택성을 높일 수 있었다. 이러한 결과를 통해 나노형상 제올라이트의 메조구조는 촉매 특성을 향상 시키는데 매우 중요한 역할을 하는 것을 확인 할 수 있었다.