알루미나에 담지된 Ru 촉매 상에서 일산화탄소의 선택적인 산화반응에 대한 연구

Abstract

금속의 입자 크기는 금속 자체의 전자적 특성 및 표면의 금속 원자배열에 영향을 주어서 입자의 표면에서 진행되는 촉매 반응과 밀접한 관련이 있다. 본 논문에서는 일산화탄소의 선택적인 산화반응과 수소화 반응에서 귀금속인 루테늄(Ru) 촉매를 기반으로 Ru 입자 크기에 따른 반응성에 대한 영향을 연구하였다. Ru 입자크기는 다양한 지지체를 사용하고 다른 온도에서의 전 처리하는 방법을 통하여 조절하였다. 제 1장에서는 연구에 대한 배경 및 논문의 개요와 목적에 대해 소개하였다. 또한, 귀금속 촉매를 이용한 일산화탄소의 선택적인 산화반응에 관한 전반적인 문헌조사와 배경지식에 대해 기술하였다. 제 2장에서는 우수한 열적 안정성을 지니는 core-shell 형태의 Al@Al2O3 지지체를 이용하여 선택적인 일산화탄소 산화반응에서의 지지체효과에 대해 기술하였다. 제 3장에서는 Ru/α-Al2O3 촉매를 기반으로 Ru 입자 크기에 따른 촉매 활성과 Pt을 이용한 Ru 입자의 산화 방지 효과에 대해 기술하였다. 마지막 장에서는 다양한 단일 알루미나 상 지지체에 담지된 Ru 촉매를 이용하여 일산화탄소의 산화반응과 메탄화 반응에서의 Ru 입자의 크기와 분산도에 따른 반응특성에 대해 기술하였다. 먼저 다른 알루미나에 담지한 Ru 촉매를 비교하였는데 Ru/α-Al2O3 촉매는 이산화탄소와 수증기가 존재하지 않는 이상적인 조건에서 가장 우수한 촉매 활성을 보였으나 이산화탄소와 수증기가 존재하는 경우에는 일산화탄소의 완전 제거를 달성하지 못하였다. 반면에 Ru/Al@Al2O3 촉매는 이산화탄소와 수증기가 존재하는 조건에서도 일산화탄소가 완전 제거하였다. Ru/γ-Al2O3 촉매는 다른 촉매에 비해 Ru 입자의 크기가 가장 작게 형성되었으나 낮은 일산화탄소 전환율을 보였다. 촉매의 활성점으로 작용하는 Ru 금속은 Ru 입자의 크기가 작을수록 RuO2로 쉽게 산화되어 촉매 활성에 안 좋은 영향을 미쳤다. Ru/Al@Al2O3 촉매를 대상으로 다른 온도에서 산화와 환원 과정을 반복하여 Ru 입자의 크기를 조절하고 이를 이용하여 선택적인 일산화탄소의 산화반응을 수행하였는데 2.2 nm의 Ru 입자가 가장 우수한 활성을 보이는 것으로 나타났다. 낮은 비표면적으로 매우 큰 입자크기를 가지는 Ru/α-Al2O3 촉매의 Ru 입자크기를 조절하기 위하여 Ru의 함량을 낮추어서 촉매를 제조한 후 촉매 활성을 비교한 결과 작은 Ru 입자는 쉽게 산화되어 촉매 활성에 안 좋은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이를 개선하기 위하여 Pt을 추가로 첨가하여 작은 Ru 입자의 산화를 방지하며 개선된 촉매 활성을 얻었다. 다양한 단일 알루미나 상 지지체를 사용하여 Ru 입자의 크기에 따른 촉매 반응성을 확인하였는데 반응물로 산소가 존재하는 산화반응에서는 Ru 입자의 크기가 작을 경우, 촉매의 활성점으로 작용하는 Ru metal이 RuO2로 쉽게 산화되어 촉매 활성을 보이지 않았지만 메탄화 반응에서는 Ru 입자의 크기가 작은 경우 더 우수한 촉매 활성을 보였다.