기초과학

고온 안정성 단일 원자 촉매의 kg급 제조 달성

발행일 : 2020 / 03 / 13

중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 차오보타오(喬波濤)/리웨이전(李為臻) 연구원과 장타오(張濤) 연구팀은 공동으로 간단한 물리적 혼합 방법을 이용하고 고온 배소를 거쳐 고온 안정성 단일 원자 촉매를 제조했다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 게재됐다.

2011년, 장타오 연구팀은 칭화대학 리쥔(李雋) 연구팀, 미국 애리조나주립대학교(Arizona State University, ASU) 류징웨(劉景月) 연구팀과 공동으로 세계 최초로 산화철 담지 백금 단일 원자 촉매를 제조함과 아울러 이를 기반으로 “단일 원자 촉매” 개념을 제안했다. 최근 단일 원자 촉매는 높은 원자 이용률, 균일한 활성부위, 특정 반응에 대한 우수한 활성, 선택성 등 장점으로 촉매 분야의 연구 핫이슈로 떠오르고 있다.

연구가 심화됨에 따라 단일 원자 촉매 제조 방법이 지속적으로 개발되고 있다. 그 중에서 단일 원자층 퇴적 및 질량 선별-연착륙법은 정밀하고 제어 가능하지만 원가가 높고 수율이 낮기에 실험실 제조에 적합하며 일반적인 제조방법인 습식화학법은 과정이 복잡하고 시간이 소요되기에 단일 원자 촉매 규모화 제조에 불리하다. 이외, 제조하여 얻은 단일 원자 촉매의 열안정성이 떨어져 고온반응에 적합하지 않다. 이는 단일 원자 촉매의 산업화 응용을 제한한다. 따라서 고온 안정성 단일 원자 촉매 규모화 제조는 시급히 해결해야 할 과제이다.

연구팀은 상업용 이산화루테늄 분말을 루테늄 소스(Source)로 하고 철을 함유한 첨정석을 담체(Carrier)로 선택했다. 그리고 간단한 물리적 혼합 방법을 통해 고온 배소를 거쳐 고온 안정성 루테늄 단일 원자 촉매를 제조했다. 다양한 농도의 아산화질소 분해 반응에서 단일 원자 촉매는 양호한 촉매활성을 나타내고 고온 조건에서 장시간 반응한 후에도 활성을 보유함과 아울러 루테늄 단일 원자는 소결 및 유실되지 않는다.

물리적 혼합으로 단일 원자를 제조하는 방법은 간단하고 규모 확장이 쉬우며 또한 상업용 산화제이철을 담체로 kg급 단일 원자 촉매 제조를 했는데 이는 고온 안정성 단일 원자 촉매 규모화 제조에 기반을 마련했다.

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