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나노 탄소 재료 로드 금속 촉매 연구

장종엽엔에스 2015. 12. 18. 18:43

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-17
로드형 금속 촉매는 전체 산업 촉매 분야에서 중요한 역할을 발휘한다. 하지만 로드형 금속 촉매로서 캐리어 재료는 활성 금속 나노 입자 촉매 성능에 대한 영향 면에서 중요한 역할을 발휘한다. 촉매의 캐리어는 금속 나노 입자가 표면에서 분산되도록 하는 상황, 입자 지름 크기, 결정 면 노출 등에 대해 중요한 영향을 끼치고 있다.

캐리어에 대한 조정 및 전환과 나노 입자 간의 상호 역할도 금속 나노 입자의 촉매 활성, 선택성과 안정성을 향상시키고 금속 나노 입자의 사용 효율과 순환 사용 능력을 향상시킬 수 있다. 때문에 특수한 물질 특성을 보유하고 있는 촉매 캐리어 재료에 대한 연구는 촉매 분야 연구 이슈 중 하나로 되고 있다.

중국과학원 금속 연구소 산하 선양(瀋陽) 재료과학 국가(연합) 실험실 소속 촉매 재료 연구부 쑤당성(蘇黨生) 연구원, 류훙양(劉洪陽) 연구원이 주도하는 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 최초로 그래핀과 나노 다이아몬드 복합 코어 쉘 구조 재료(ND@G)를 캐리어로 이용하여 일종 성능이 높은 팔라듐/탄소(Pd/C) 촉매를 개발하는데 성공하였다.

연구팀이 이런 Pd/C 촉매를 촉매 산화 CO에 이용할 때 전통 sp2 하이브리드 양파 탄소(OLC) 상에 로드한 Pd 나노 촉매에 비해 ND@G 로드의 팔라듐 나노 촉매(Pd/ND@G)는 더욱 우수한 촉매 성능을 나타낸다는 점을 발견하였다(그림 1. 참조).

연구팀은 고 해상도 투과 전자현미경(HRTEM), 구면 수차 해상도의 높은 각도 링 형태 어두운 필드-스캔 투과 전자현미경 및 싱크로트론 방사광 X-레이 흡수 정밀 구조 스펙트럼 등 수단을 이용하여 촉매에 대한 정밀 표면 특성 분석 작업을 실행하였다.

연구팀은 이번 분석 작업을 통해 전통 탄소 캐리어에 비해 ND@G 로드 표면은 풍부한 그래핀 결함을 보유하고 있는데, 이런 결함은 Pd 나노 입자와 나노 탄소 캐리어 간의 상호 역할을 강화하여 Pd 나노 입자의 기하학적 형태와 구조를 개변(그림 2. 참조)시키는 동시에 Pd 나노 입자가 탄소 캐리어 표면의 소결(sintering) 저항 능력을 뚜렷이 향상시킨다(그림 3. 참조)는 점을 발견하였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 Pd/ND@G 촉매 중의 강한 금속-캐리어 상호 역할 및 Pd 나노 입자의 특수한 기하학적 구조는 CO 분자가 Pd 나노 입자 표면에서의 흡착을 뚜렷이 약화시켜 O2 분자가 Pd 나노 입자의 흡착 분리를 추진하고 촉매의 저온 촉매 CO 산화 능력을 향상시킨다는 점을 발견하였다.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 혁신적인 성과는 성능이 높은 나노 탄소 로드 금속 촉매 디자인 및 합성을 위해 새로운 아이디어를 제시하고 있다.

연구팀의 관련 연구 성과는 화학•융합 분야의 세계적인 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 온라인 속보판에 게재됐다(DOI: 10.1002/anie.201507821).

최근 중국과학원 금속 연구소 산하 선양(瀋陽) 재료과학 국가(연합) 실험실 소속 촉매 재료 연구부 연구팀은 나노 탄소 캐리어 구조 및 특성에 대한 조정과 제어를 통해 나노 탄소 로드 금속 촉매의 촉매 성능을 향상시키는 연구에서 다양한 혁신적 성과를 취득한 상황이다.

연구팀의 관련 연구 성과는 Angewandte Chemie International Edition (2014, 53, 12634-12638), ChemCatChem (2014, 6, 2600-2606)、Small (2015, 11, 5059-5064), Catalysis Today (2016, 260, 55–59) 등 국제 학술지에 게재되었다.

이번 연구는 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용, 국가자연과학기금위원회의 ‘청년 과학자 기금 프로젝트’, ‘기초과학 연구 프로젝트’, ‘중대 과학연구 프로젝트’, ‘중점 과학연구 프로젝트’ 비용, 중국과학원의 ‘전략적 선행 과학연구 프로젝트’ 비용, 중국석유화학기업그룹의 ‘과학연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다.

동시에 상하이(上海) 싱크로트론 방사광 광원(光源) X-레이 흡수 정밀 구조 스펙트럼 라인 스테이션인 BL14W1의 지원을 받아 실행되었다.

그림 1. Pd/ND@G와 Pd/OLC가 CO 산화 반응 속에서의 촉매 성능을 표시함. (a) CO 전환 비율이 온도 변화에 따라 변화하는 상황을 표시함. (b) 다양한 온도 하에서의 TOF 수치를 표시함.

그림 2. 고 해상도의 HADDF-STEM 전자 현미경 사진임. (a, b) Pd/ND@G, (c, d) Pd/OLC，Scale bars: 2 nm

그림 3. (a) 다양한 촉매가 500℃ 하에서 로스트(Roast)하기 전과 후의 XRD 스펙트럼 이미지임. (b) 가 다양한 온도 하에서 6시간 로스트(Roast)한 후의 XRD 스펙트럼 이미지임.