Study on catalytic activity and support effect on 3-dimensional metal-oxide nanocatalysts

Abstract

금속-산화물 하이브리드 나노촉매는 금속과 지지체간의 상호작용에 의한 시너지 효과에서 기인한 높은 촉매 활성도를 나타낸다. 금속-산화물 촉매의 활성도를 증강시키기 위해서는 좋은 상호작용을 보이는 산화물 지지체를 사용하고 넓은 표면적을 가진 촉매의 설계가 필수적이다. 이종 금속-산화물 촉매의 합성법으로서 wet-chemical 합성법이 잘 알려져 있다. 일반적으로 wet-chemical 합성법으로 만들어진 촉매는 합성 과정에서 사용되는 유기물질들을 제거하기 위한 소결 과정을 거치게 된다. 소결 과정을 거친 촉매는 금속 입자의 산화 및 촉매 활성도 저하를 일으킬 수 있다. 본 논문에서는 유기물질들을 사용하지 않는 건식공정인 arc plasma deposition (APD) 로 합성된 $Au/TiO_2$ 와 $Pt/TiO_2$ 나노촉매의 일산화탄소 산화 반응에서의 촉매 특성에 대한 연구를 수행하였다. 촉매 활성도는 flow reactor에서 산소를 사용한 일산화탄소 산화 모델 반응으로 측정되었다. APD를 사용한 촉매는 약 2 ~ 4 nm의 백금 입자 크기로 산화울 표면에 균일하게 도포되었다. 일산화탄소 산화 실험 결과 $Au/TiO_2$ 가 $Pt/TiO_2$ 보다 높은 촉매 활성도를 보였다. $Au/TiO_2$ 의 입자 크기 의존성 실험 결과에서는 입자 크기가 작은 시료가 (2.7 nm) 더 높은 촉매 활성도를 보였고, 입자 크기가 큰 시료가 (3.7 nm) 더 낮은 촉매 활성도를 보였다. 또한 본 논문에서는 분무열분해법 (USP) 으로 합성한 백금/산화물 촉매의 일산화탄소 산화 반응에서의 촉매 특성에 대한 연구를 수행하였다. 촉매로 활성화된 백금/산화물 분말들이 분무열분해법으로 합성되었다. 본 논문에서는 백금의 loading (1 %, 4 %, 14 %), 소결 조건 (as synthesized, $600^circ C$, $750^circ C$), support effect $(CeO_2, SiO_2, Al_2O_3, FeAl_2O_4)$ 에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 백금/산화물 나노촉매의 형태, 산화 상태, 입자 크기 분포, active area 등을 측정하기 위해 TEM, XPS, BET, chemisorption 장비가 사용되었다. 일산화탄소 산화 실험 결과 백금 사용량을 감안하였을 때, 4 % loading의 $Pt/TiO_2$ 가 더 높은 전환율을 보였다. $Pt/TiO_2$ 의 turnover rate는 $600^circ C$ 에서의 소결 후 높아졌고, $750^circ C$ 의 소결 후 높은 온도의 소결 조건에서 입자가 엉기고 산화되어 감소하였다. 또한 본 논문에서는 $CeO_2$, $SiO_2$, $Al_2O_3$, $FeAl_2O_4$ 등의 다양한 산화물 지지체를 사용하였다. $Pt/CeO_2$ 의 금속 분포와 active area가 가장 높았고, $Pt/FeAl_2O_4$ 가 가장 낮은 active area를 나타냈다. 네 종류의 백금-산화물 나노촉매들 중, $Pt/CeO_2$ 가 가장 높은 촉매 활성도를 보였고, 금속 촉매와 산화물 사이의 전하 수송에서 기인한 강한 금속 지지체 상호작용을 나타낸 것으로 사료된다.