촉매특성분석 실험 결과 보고서

촉매의 특성분석방법

 촉매는 화학반응을 촉진해 반응속도를 높인다. 촉매는 재사용하며 소모되기 때문에 얼마나 효율적으로 작용하는지 중요하고, 이는 다양한 촉매의 특성에 따라 결정된다. 그리고 이러한 촉매의 특성을 분석하기위해 다음과 같은 촉매 특성분석방법을 따른다.

 

TPR

 승온 환원(Temperature Programmed Reduction), TPR은 촉매의 환원 정도를 비교하고 평가하는데 사용되는 방법이다. 촉매가 환원에 관여하는 화학적 상태를 파악하기 위해 특정 온도 조건에서 환원제를 가스 형태로 촉매에 공급하여 촉매가 환원되는 온도를 측정한다. 촉매의 환원 정도와 환원되는 온도는 서로 비례 관계를 가진다.

 

TPD

 승온 흡착(Temperature Programmed Desorption), TPD는 촉매의 흡착 과정을 비교하고 평가하는데 사용되는 방법이다. 샘플에 흡착된 분자를 제거하는 가열 과정을 통해 흡착된 분자가 제거되는 온도를 측정하고, 이를 통해 흡착된 분자의 종류와 양을 알 수 있다. 이때 흡착된 분자의 종류와 양은 촉매의 효율성과 관계가 있다.

 

TPO

 승온 산화(Temperature Programmed Oxidation), TPO는 물질 내에 포함된 산화 가능 부위를 정량화 할 때 사용된다. 코크스 제조 연구, 촉매의 연소평가, CO분해 등과 같이 반응 후 촉매에 존재하는 다양한 형태의 탄소 침착물의 측정 또는 산소 소비 및 제품 수율 측정과 같은 응용 분야에 사용된다.

 

CO-chemisorption

 일산화탄소 화학 흡착(CO-chemisorption)또한 촉매의 특성을 분석하는 방법 중 하나다. 일산화탄소 분자를 촉매 표면에 노출 시키고, 일정 온도와 압력으로 일정 시간 동안 흡착 시킨 후, 촉매 표면에 흡착된 일산화탄소 분자의 양을 열로 제거하는 등의 방법으로 측정해 촉매의 표면적과 같은 특성을 파악한다.

 

환원 정도에 따라 촉매에 미치는 영향

일반적으로 촉매의 환원 온도가 높을 수록 더 높은 환원 정도를 가지며, 이러한 환원 정도는 촉매 표면에서 환원제가 환원된 양과 관계가 있다. 환원된 양을 통해 활성 사이트 수를 추정할 수 있고, 촉매의 활성 사이트 또한 환원 온도와 비례하기 때문에 촉매의 환원 정도는 촉매의 환원 온도와 활성 사이트 수에 직접적인 영향을 미친다.

 

실험방법

1. TCD의 U자형 석영관에 석영으로 이뤄진 솜을 끼워 넣는다.
2. 첫번째 측정에서는 3Pt-4.5Sn 0.147g을 U자형 석영관에 넣어주고, 두번째 측정에서는 3Pt 0.147g을 넣어 진행한다.
3. TCD의 홀더트랩존에 제올라이트 성분을 채워 수분을 조절한다.
4. 200℃의 상태에서 아르곤을 흘려 전처리한 뒤, 상온으로 다시 온도를 낮춘다.
5. 아르곤 베이스의 10%에 해당하는 수소가스를 같이 흘려주며 측정을 시작한다.

실험결과 및 고찰

그림 1. 촉매의 환원온도에 따른 수소흡착농도

 

 실험방법과 같이 촉매별 환원온도에 따른 수소흡착농도를 측정한 결과는 다음 그림 1과 같다. 3Pt 촉매의 경우, 220℃ 부근에서 피크가 확인되었고, 3Pt-4.5Sn 촉매의 경우, 390℃ 부근에서 피크를 확인할 수 있다. 각 촉매별 피크의 세기는 큰 차이 없고, 피크에 따른 퍼짐정도는 3Pt-4.5Sn 촉매가 조금 더 큰 것을 알 수 있다.

 수소흡착농도의 피크가 발생했을 때, 촉매별로 환원온도가 다른 것은 촉매 구성요소 속 주석의 유무에 따른 결과로 확인된다. 촉매에서 주석은 증진제로써 작용하고, 증진제는 촉매의 활성을 높히며, 안정적으로 만들어주는 역할을 한다.

 일반적으로 탈수소에서 높은 활성을 보이는 백금 촉매는 주석을 증진제로 구성했을 때, 전자구조의 변화와 물리적 입자 크기 및 결정구조의 변화를 가지게 된다. 이는 상대적으로 고온의 반응조건에서 백금의 소결을 막아줌으로써 촉매의 활성 유지를 돕게 되고, 이로 인한 결과로 그림 1에서 확인 할 수 있는 환원온도의 차이가 발생한 것으로 보인다.

 

참고문헌

(1)   이민재 외 4명 저, “IR 및 TPD 기법을 이용한 불균일계 촉매의 특성연구”, 한국화학공학회, 화학공학, 73p~74p, 1987.

(2)   윤경희, 신채호 저, “바나디움 산화물의 환원 및 질화반응으로부터 얻어진 바나디움 산화질화물의 제조, 특성분석 및 암모니아 분해반응에서의 촉매 활성”, 한국화학공학회, 621p~622p, 2022.

(3)   최이선, 김태희 외 1명 저, “소결된 백금주석 촉매의 산소 처리에 의한 재분산 연구”, 한경대학교, , 2022.

(4)   조경호, 강성은 외 3명 저, “Pt-Sn/⍬-Al2O3촉매상에서 반응조건에 따른 n-부탄의 탈수소화 반응”, 한국화학연구원, 녹색화학연구단, , 2012.

(5)   NAVER 지식백과, 승온 화원, https://terms.naver.com/entry.naver?cid=50314&docId=607052&categoryId=50314