나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連, 대련) 화학물리 연구소 산하 "촉매 및 신소재 연구실" 리워이전(李爲臻, 이위진), 차오보타오(喬波濤, 교파도) 연구원 연구팀은 중국과학원 장타오(張濤, 장도) 원사(院士) 연구팀, 베이징(北京, 북경) 대학교 마띵(馬丁, 마정) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 높은 안정성을 가진 Pd 베이스 메탄연소용 촉매 제조 연구에서 혁신 성과를 얻었음. 마그네슘 알루미늄 스피넬(spinel)(MgAl2O4)을 지지체로 사용하고 비(非) 환원성 산화물(Al2O3, ZrO2, SiO2) 첨가를 통해 Pd의 과산화를 억제시켜, Pd 나노 입자의 고 수열(水熱) 안정성을 실현하는데 성공함.

메탄 촉매 연소는 청정에너지 전환과 이용 및 환경보호 분야에서 Pd를 로드한 촉매제는 관련 반응에서 뛰어난 촉매 활성을 보이지만 동 촉매는 실제 사용 과정에서 높은 습도 반응 기체 및 온도 반응 조건에 직면하기 때문에 Pd 나노입자로 하여금 입자가 성장하게 되어 촉매 성능이 떨어지게 되는데 높은 활성, 고 수열(水熱) 안정성을 가지는 메탄 연소 촉매소재 개발은 큰 도전에 직면하여 있는 상황임.

연구팀은 높은 열 안정성을 가지는 귀금속 나노입자 촉매 연구개발의 이전 단계에서 Pt와 Au 나노입자는 인터페이스와 매칭 되는 스피넬(spinel)로 하여금 외연 구조를 형성할 수 있게끔 하였음. 로드 한 Pt와 Au 나노입자로 하여금 800-1200℃의 고온에 견디면서도 뚜렷한 입자 성장이 일어나지 않는 점을 발견하였음.

Pd와 Pt는 비슷한 격자 상수(常數)를 가지고 있으며, 이론적으로는 동일한 전략을 사용하여 로드한 Pd 촉매의 열 안정성을 향상시킬 수 있는 상황이지만 Pd 나노입자는 공기 속에서 산화되기 쉬워 금속-지지체 인터페이스의 부적합도가 증가되면서 소결 방지 능력을 상실하게 되는 것으로 나타났음.

이런 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 불활성 산화물 수정을 통해 Pd의 과산화를 효과적으로 억제하고 Pd 나노입자의 안정성을 개선시켜 Pd 베이스 촉매제의 촉매 활성화를 향상 시켰음. 고 해상도 전자 현미경을 통해 Pd 나노입자는 MgAl2O4{111} 결정 면(面)에서 외연 성장 구조를 형성하며, Pd가 과산화를 발생시킨 후 격자 간격이 확대되어 금속-지지체 간의 안정적인 구조를 파괴하는 것을 관찰하였음. 비(非) 환원형 산화물의 수정은 Pd의 과산화를 억제시켜 외연 구조를 유지할 수 있게끔 한다는 점을 발견하였음.

연구팀은 메커니즘에 대한 연구를 통해 메탄 촉매 연소는 MvK 메커니즘을 따르며 Al2O3에 대한 수정은 Pd가 2+와 0 원자가 사이에서 산화-환원 순환 발생을 추진하고 촉매의 낮은 활성을 향상시키지만 환원성 산화물은 Pd와 강한 상호 작용 및 산소가 넘쳐흐르는 비교적 강한 능력을 발휘하기 때문에 Pd2+로 하여금 Pd0를 환원시킬 수 없게끔 하며, 심지어 부분적인 Pd가 산소 기체 속에서 한층 더 Pd4+로 산화되게끔 한다는 점을 입증하였음.

연구팀의 관련 전략은 매우 보편적으로 적용이 가능하기 때문에, 고온 반응 과정과 관련된 화공 및 환경 보호 분야에서 폭넓게 응용될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie International Edition’ ("A Hydrothermally Stable Irreducible Oxide‐Modified Pd/MgAl2O4 Catalyst for Methane Combustion") 지에 게재됨.