수소 스필오버 메커니즘에 기반한 과산화수소 직접합성 촉매의 연구

Abstract

과산화수소는 산화제로 사용되었을 때 부산물로 물밖에 나오지 않으며, 넓은 pH 범위에서 높은 산화 포텐셜을 가지는 이점을 바탕으로 친환경적인 산화제로서 주목을 받고 있다. 지금까지 과산화수소는 안트라퀴논 자동 산화 프로세스를 통해 대량 생산이 되었다. 안트라퀴논 자동 산화 프로세스는 알킬안트라퀴논을 유기 용매에 녹인 후, 연속적인 환원-산화 공정을 통해 과산화수소를 생산하게 된다. 하지만, 이 공정은 유독한 유기용매를 사용하며 분리공정에서 많은 양의 에너지를 사용하는 문제점들이 있다. 이러한 단점들은 과산화수소의 생산단가를 높이는 가장 큰 원인이다. 보다 넓은 산업 분야에서 과산화수소를 산화제로 사용하려면 지금보다 낮은 생산단가의 달성이 필수적이다. 따라서 최근 들어 과산화수소를 수소와 산소로부터 직접합성하는 친환경적인 공정을 사용하여 과산화수소의 생산단가를 낮추려는 노력들이 계속되고 있다. 하지만 과산화수소 직접합성에 사용되는 촉매는 생산된 과산화수소의 분해반응 또한 촉진시키게 되며, 이를 막기 위해서는 산 및 할라이드 이온과 같은 첨가물을 필수적으로 반응용액에 넣어주어야 했다. 이렇게 첨가되는 산 및 할로겐 이온은 과산화수소로의 선택도를 굉장히 높여주게 되지만, 활성금속의 용해 및 반응기의 부식을 초래하는 또 다른 문제점을 가져오게 된다. 이 논문에서는, Pt/SBA-15의 표면이 실리카 또는 실리카-탄소 층으로 코팅된 촉매를 합성하여 산 및 할라이드 이온의 첨가가 없이 과산화수소의 직접합성 반응을 시도하였다. 그리고 촉매의 물리적 및 화학적인 성질을 알아내기 위해 TEM, XRD, 질소 물리흡착, EXAFS, 화학흡착, 촉매 반응 등의 실험 등을 수행하였다. 실험 결과, 표면이 실리카-탄소 층으로 코팅된 Pt/SBA-15의 경우 산 및 할라이드 이온의 첨가가 없이도 스필오버된 수소를 통해 과산화수소가 직접합성 됨을 확인할 수 있었다. 그리고 스필오버 수소를 통해 진행되는 반응은 일반적인 Pt 표면에서 일어나는 반응과는 촉매반응성질이 다르다는 것을 알 수 있었다. 또한, 물을 첨가한 후 진행된 화학흡착 실험을 통해서는 이렇게 표면이 코팅된 촉매들의 경우 물 분자가 수소의 활성화 과정에 밀접한 관련이 있다는 점을 확인할 수 있었다.