기초과학

신형 고활성 고안정성 나노촉매 합성

발행일 : 2020 / 02 / 18

중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 황자후이(黃家輝) 연구팀과 차오보타오(喬波濤) 연구팀은 옌산(燕山)대학교 쑨커쥐(孫科舉) 연구팀과 공동으로 고활성 및 고안전성을 동시에 구비한 금나노 촉매 합성의 새 전략을 개발해 신형 고안정성/고활성 금나노 촉매 제조에 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 게재됐다.

금나노 촉매는 금나노를 촉매 활성 성분으로 하는 촉매로서 그 촉매반응 활성은 금입자의 크기와 밀접히 연관된다. 금입자 크기가 5nm 보다 작을 경우 금나노 촉매는 뛰어난 촉매반응 활성을 나타낸다. 금나노 촉매는 산업화 응용 전망이 밝은 촉매로서 일산화탄소 산화, 프로필렌 에폭시화, 알코올/알데히드 선택적 산화 등 수많은 반응에서 독특한 촉매반응 성능을 나타내고 있다. 하지만 금나노 입자는 고온 배소(Roasting) 또는 촉매반응, 심지어 저온 촉매반응 과정에서 쉽게 소결 또는 응집되기에 안전성이 떨어져 금나노 촉매의 산업에서 응용을 크게 제한한다. 따라서 고안정성 금나노 촉매 개발은 관련 분야의 주요 연구 과제로 되고 있다.

금속 담체의 강한 상호작용, 산화물 피복, 분자체(Molecular sieve) 세공 제한 등 다양한 방법을 통해 금나노 촉매의 안정성을 대폭 개선시킬 수 있지만 해당 방법은 일반적으로 부분적 활성부위 손실을 초래한다. 따라서 획득한 나노촉매의 촉매반응 활성이 떨어진다.

연구팀은 염화금산(Chloroauric Acid)을 금 전구체로 하고 테트라에틸오르토실리케이트(Tetraethyl orthosilicate)를 규소 전구체로 했다. 그리고 염기성 조건에서 공침법으로 금과 규소 전구체를 산화티타늄 표면에 1단계 침적시켰으며 고온 배소를 통해 산화규소로 수식된 금나노 촉매를 획득했다. 동 방법은 제조에 있어서 금과 산화규소의 원자급 혼합을 달성했으며 배소를 통해 산화규소 박막으로 피복된 금나노 촉매를 형성했다. 해당 촉매는 매우 높은 항소결(Anti-sintering) 성능을 보유함과 동시에 매우 높은 반응 활성을 보유하고 있기에 0℃에서 일산화탄소를 완전히 산화시킬 수 있다.

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