나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 다롄(大連) 화학물리 연구소 산하 "촉매 및 신소재 연구실" 류샤오옌(劉曉艶) 연구원, 장타오(張濤) 원사(院士) 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 광과 열 협동 촉매 연구 분야에서 혁신 성과를 달성.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 Pt/TiO2-WO3 촉매 산화 프로판(propane)을 이용하여 저온과 고농도 산소 조건 하에서 광과 열 협동 촉매 활성이 단일 광촉매와 열 촉매 활성을 대폭 향상시킨다는 점을 발견하였음.

산소를 산화제로 사용하고 있는 산화 반응(예를 들면, 휘발성 유기 오염물 제거, 알칸(alkane) 연소 등)은 공업 촉매 중에서 매우 중요한 일종 반응에 속하며, 로드 타입 Pt 촉매(load type Pt catalyst)는 이런 유형 반응의 높은 활성 촉매 중의 일종에 속하지만 Pt 표면이 산소에 대해 매우 강한 흡착성을 보유하고 있으며, 특히 저온 혹은 고 농도 산소 상황 하에서 Pt는 매우 쉽게 산소에 의해 "독성화(毒化)" 되어 활성을 잃게 됨.

이런 상황 때문에 전통 열 촉매 중에서 이런 유형 반응의 활성을 보유하게 되는 온도는 일반적으로 200℃ 이상 수준에 달하게 되며, 고온에서 산소 활성화를 실현하게 되는 동시에 금속 상태 Pt의 산소화를 가속화시켜 로드 타입 Pt 촉매 활성을 감소시키게 되는 것으로 나타났음.

이런 상황에 근거하여 연구팀은 복합 반도체 TiO2-WO3를 탑재한 서브 나노 Pt를 촉매로 사용하고 프로판(propane) 산소화를 프로브 반응으로 사용한 동시에 열 촉매 기반에 광 조사를 도입하여 광과 열 협동 촉매를 실현하였는데 연구팀의 관련 연구 결과 광과 열 협동 촉매는 저온과 고 농도 산소 조건 하에서 Pt/TiO2-WO3 촉매가 프로판(propane)에 대한 촉매 산소화 활성을 극대화 시키는 것으로 나타났음.

촉매 활성은 광 조사 강도 증가(0에서 1,000mW/cm2까지 증가함)에 따라 증가하며, T70(프로판으로 70% 전환할 때의 반응 온도)은 최저 90℃까지 내려가게 되며, 열 촉매에 비해 T70과의 최대 온도 차이는 234℃ 수준에 달하는데 동력학 연구 결과 광과 열 협동 촉매 반응 활성 에너지(Ea)는 광 조사 강도의 증가에 따라 선성(線性) 감소가 발생하며 최대 10배 이상의 감소가 발생하게 되는 것으로 나타났음.

이와 동시에 산소의 반응 급수(級數)(n)는 광을 추가하기 전과 후에 큰 변화가 발생하는 것으로 나타났는데 광을 추가하지 않을 때 산소의 반응 급수는 –1.4이고, 광을 추가한 후의 산소 반응 급수는 0.1인 것으로 나타났으며, 이런 상황은 광과 열 협동 촉매 조건 하에서 촉매 활성은 거의 산소 농도와 관계가 없는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 광과 열 협동 촉매를 통해 로드 타입 Pt 촉매가 저온과 고 농도 산소 조건 하에서 산소 중독에 직면하게 되는 문제를 해결하였을 뿐만 아니라 반도체에 탑재한 비(非) 플라즈몬(plasmon) 금속 촉매의 광과 열 협동 촉매 메커니즘을 해석하는데 성공하였음.

본 연구 성과는 ‘Angew. Chem. Int. Ed.’ ("Photo‐thermo catalytic oxidation over TiO2‐WO3 supported platinum catalyst")지에 게재됨.