나노기술 및 정책 정보

• 목록

로드 형태의 이중 금속 나노 촉매는 다상(Multiphase) 촉매 분야에서 일종 중요한 촉매에 속하고 있으며, 전기화학, 바이오매스 전환, 정세(精細) 화공 등 각종 촉매 과정에서 폭넓게 응용되고 있으며, 담금 방법은 로드 형태의 금속 촉매를 개발하는 과정에서 일상적으로 사용되고 있는 방법인데 공법이 간단하지만 제어 가능성이 취약하고, 이중 금속 나노 입자 사이즈가 비교적 크고, 입도 분포가 넓고, 합금 정도가 낮고, 촉매 성능이 떨어지고, 금속 이용 비율이 낮은 등 단점을 보유하고 있는 상황임.

액상 중의 시드 결정(Seed crystal) 성장 방법은 이중 금속 나노 입자 사이즈, 형태와 구성을 정밀 조정 제어할 수 있지만 콜로이드 퇴적 방법을 통해 로드 체에 로드할 경우 일반적으로 금속 나노 입자 분포가 불균형적이고 부분적인 구역에 집중되는 현상이 발생하는 동시에 금속 나노 입자와 로드 체 간의 상호 역할이 비교적 취약하기 때문에 촉매제의 안정성이 떨어지게 됨.

중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정(過程) 연구소 왕광후이(王光輝), 장허칭(江河淸) 연구원 연구팀은 최근 중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 류졘(劉健) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고 일종 범용 타입의 나노 반응기를 개발하여 Pd 베이스 이중 금속 촉매를 합성하는데 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 액상 속의 시드 결정 성장 방법을 고체상 속에 성공적으로 응용하고, 화학 배위(coordination) 역할을 통해 Pd 나노 클러스터 시드 결정과 제2원소 금속 전구체를 균일하게 고체상 로드 체에 도입하고, 환원 과정에서 이중 금속의 고체상 시드 결정 성장을 실현하고, 최종적으로 이중 금속 나노 입자 사이즈를 보유하고 구성 제어가 가능한 동시에 로드가 균일한 이중 금속 촉매를 개발하였음.

연구팀이 개발한 방법은 간단하고 확대하기가 쉽고 다양한 Pd 베이스 이중 금속 나노 촉매(사이즈 범위는 2~3nm에 달함)를 합성할 수 있는데 PdAu, PdRu, PdCo, PdNi, PdZn, PdAg, PdCu 등 이중 금속 나노 촉매가 포함되고 있음.

관련된 단일 금속에 비해 Pd1Au1/4 이중 금속 촉매는 포름산 분해를 통해 수소를 생성시키는 면에서 증강된 촉매 성능을 발휘하는 것으로 나타났으며, 연구팀은 Pd와 Au 간의 협동 효과가 존재한다는 점을 입증하였음.

그 외, 연구팀이 개발한 촉매 로드 체는 산호상 구조(coral-like structure)를 보유하고 있기 때문에 쉽게 성형(成型)을 실현할 수 있는 것으로 나타났으며, 성형(成型) 후의 촉매가 포름산 분해를 통해 수소를 생성시키는 면에서 양호한 활성을 보유하고 있는 것으로 나타났으며, TOF 수치는 3684 h-1 수준에 달하고, 5회 중복 사용해도 촉매 활성은 뚜렷한 변화가 발생하지 않는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 로드 타입의 이중 금속 촉매 디자인 및 개발을 위한 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Materials Today’ ("A universal nanoreactor strategy for scalable supported ultrafine bimetallic nanoparticles synthesis") 지에 게재됨.