1999년 규칙성 메조포러스 탄소 물질 CMK-1이 최초로 합성된 이후 지난 수 년간 메조포러스 탄소 물질의 합성과 응용성 개척에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 규칙성 메조포러스 탄소는 메조포러스 실리카를 주형으로 사용하여 기공 내에 다양한 탄손 전구체를 채워 넣고, 고온에서 탄화시킨 다음, NaOH나 HF로 실리카 골격을 제거함으로써 합성할 수 있다. 이러한 원리를 통해 MCM-48, SBA-1, SBA-15 등과 같이 ...
1999년 규칙성 메조포러스 탄소 물질 CMK-1이 최초로 합성된 이후 지난 수 년간 메조포러스 탄소 물질의 합성과 응용성 개척에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 규칙성 메조포러스 탄소는 메조포러스 실리카를 주형으로 사용하여 기공 내에 다양한 탄손 전구체를 채워 넣고, 고온에서 탄화시킨 다음, NaOH나 HF로 실리카 골격을 제거함으로써 합성할 수 있다. 이러한 원리를 통해 MCM-48, SBA-1, SBA-15 등과 같이 3차원 기공연결구조를 갖는 메조포러스 실리카 물질을 이용하여 입방형 또는 육방형 구조를 갖는 메조포러스 탄소 물질들이 합성되었다. 본 연구에서는 알미늄이 치환된 육방형 메조포러스 실리카 SBA-15를 주형으로 사용하고 퓨퓨릴 알코올을 탄소 전구체로 사용하여 실리카 주형의 기공 내부에 튜브 형태의 탄소 구조를 형성하였다. 실리카 골격을 제거하여, 내경 5 nm의 탄소 나노파이프가 육방형으로 규칙 배열된 새로운 형태의 메조포러스 탄소 물질 CMK-5를 얻을 수 있었다. CMK-5 메조포러스 탄소에는 파이프의 내부에 형성된 5 nm 의 기공과, 파이프 사이의 공간에 형성된 3 nm의 기공이 동시에 존재하는 이중 기공 형태를 지니고 있다. CMK-5는 이러한 구조적 특징으로 인해 2000 ㎡g^(-1)에 달하는 높은 비표면적과 2 ㎤g^(-1)의 높은 기공부피를 갖는다. CMK-5 탄소 물질은 균일한 메조영역의 기공과 매우 넓은 비표면적을 지니고 있어 새로운 촉매 담체로서의 응용성이 기대되었다. 이러한 가능성을 탐색하고자 본 연구에서는 CMK-5 메조포러스 탄소에 백금 나노입자를 함침법으로 제조하였고, 백금 입자의 크기와 구조를 이를 수소흡착법, 투과전자현미경, X-선 회절분석 및 X-선 흡광분석을 통해 분석하였다 CMK-5 탄소에는 활성탄, 카본 블랙과 같이 마이크로 영역의 기공이 불규칙적으로 배열된 다공성 탄소물질에 비해 백금 나노입자가 매우 높은 분산도로 담지되었고, 특히, 백금의 함량을 탄소 담체의 무게와 동일한 양까지 증가시켜도 백금 입자의 크기가 3 nm 이하로 매우 균일하게 유지되었다. 이러한 백금 촉매입자는 연료전지의 공기극의 전극 반응인 산소의 환원 반응에 있어 매우 높은 촉매 활성을 나타내었다. CMK-5 메조포러스 탄소에 조성이 다른 일련의 백금-루테늄 이원금속 나노입자를 제조하였고, 이러한 나노입자의 원자 및 전자구조를 다양한 물리화학적 방법으로 규명하였다. 투과전자현미경, X-선 회절분석 및 수소흡착법을 통해 2-3 nm의 작은 백금-루테늄 입자가 형성됨을 확인할 수 있었다. 크세논핵자기공명 스펙트럼에서의 화학적 이동의 변화를 통해 이원금속 형성에 의한 전자구조의 변화를 유추할 수 있었다. 선 흡광분석을 통해 이원금속 입자의 조성변화에 따라 백금 및 루테늄과 주변원자간의 배위수가 체계적으로 변화함을 확인함으로써 백금-루테늄 합금 구조의 형성을 확인할 수 있었다. 이러한 백금-루테늄 이원금속 입자는 메탄을 산화반응에 있어 조성에 따른 활성변화를 나타내었다.
1999년 규칙성 메조포러스 탄소 물질 CMK-1이 최초로 합성된 이후 지난 수 년간 메조포러스 탄소 물질의 합성과 응용성 개척에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 규칙성 메조포러스 탄소는 메조포러스 실리카를 주형으로 사용하여 기공 내에 다양한 탄손 전구체를 채워 넣고, 고온에서 탄화시킨 다음, NaOH나 HF로 실리카 골격을 제거함으로써 합성할 수 있다. 이러한 원리를 통해 MCM-48, SBA-1, SBA-15 등과 같이 3차원 기공연결구조를 갖는 메조포러스 실리카 물질을 이용하여 입방형 또는 육방형 구조를 갖는 메조포러스 탄소 물질들이 합성되었다. 본 연구에서는 알미늄이 치환된 육방형 메조포러스 실리카 SBA-15를 주형으로 사용하고 퓨퓨릴 알코올을 탄소 전구체로 사용하여 실리카 주형의 기공 내부에 튜브 형태의 탄소 구조를 형성하였다. 실리카 골격을 제거하여, 내경 5 nm의 탄소 나노파이프가 육방형으로 규칙 배열된 새로운 형태의 메조포러스 탄소 물질 CMK-5를 얻을 수 있었다. CMK-5 메조포러스 탄소에는 파이프의 내부에 형성된 5 nm 의 기공과, 파이프 사이의 공간에 형성된 3 nm의 기공이 동시에 존재하는 이중 기공 형태를 지니고 있다. CMK-5는 이러한 구조적 특징으로 인해 2000 ㎡g^(-1)에 달하는 높은 비표면적과 2 ㎤g^(-1)의 높은 기공부피를 갖는다. CMK-5 탄소 물질은 균일한 메조영역의 기공과 매우 넓은 비표면적을 지니고 있어 새로운 촉매 담체로서의 응용성이 기대되었다. 이러한 가능성을 탐색하고자 본 연구에서는 CMK-5 메조포러스 탄소에 백금 나노입자를 함침법으로 제조하였고, 백금 입자의 크기와 구조를 이를 수소흡착법, 투과전자현미경, X-선 회절분석 및 X-선 흡광분석을 통해 분석하였다 CMK-5 탄소에는 활성탄, 카본 블랙과 같이 마이크로 영역의 기공이 불규칙적으로 배열된 다공성 탄소물질에 비해 백금 나노입자가 매우 높은 분산도로 담지되었고, 특히, 백금의 함량을 탄소 담체의 무게와 동일한 양까지 증가시켜도 백금 입자의 크기가 3 nm 이하로 매우 균일하게 유지되었다. 이러한 백금 촉매입자는 연료전지의 공기극의 전극 반응인 산소의 환원 반응에 있어 매우 높은 촉매 활성을 나타내었다. CMK-5 메조포러스 탄소에 조성이 다른 일련의 백금-루테늄 이원금속 나노입자를 제조하였고, 이러한 나노입자의 원자 및 전자구조를 다양한 물리화학적 방법으로 규명하였다. 투과전자현미경, X-선 회절분석 및 수소흡착법을 통해 2-3 nm의 작은 백금-루테늄 입자가 형성됨을 확인할 수 있었다. 크세논 핵자기공명 스펙트럼에서의 화학적 이동의 변화를 통해 이원금속 형성에 의한 전자구조의 변화를 유추할 수 있었다. 선 흡광분석을 통해 이원금속 입자의 조성변화에 따라 백금 및 루테늄과 주변원자간의 배위수가 체계적으로 변화함을 확인함으로써 백금-루테늄 합금 구조의 형성을 확인할 수 있었다. 이러한 백금-루테늄 이원금속 입자는 메탄을 산화반응에 있어 조성에 따른 활성변화를 나타내었다.
The work presented in this thesis addressed the synthesis of new type of porous carbon materials: ordered mesoporous carbons, and their applications as supports for catalytic nanoparticles. Ordered mesoporous carbons have been synthesized via the template-directed synthesis strategy using ordered me...
The work presented in this thesis addressed the synthesis of new type of porous carbon materials: ordered mesoporous carbons, and their applications as supports for catalytic nanoparticles. Ordered mesoporous carbons have been synthesized via the template-directed synthesis strategy using ordered mesoporous silicas as templates. The synthesis procedure involves the infiltration of pores of mesoporous silicas with carbon precursors, such as sucrose, furfuryl alcohol and acetylene gas, their carbonization, and subsequent template removal by NaOH or HF. Mesoporous silica materials constructured with three-dimensionally interconnected pores, including MCM-48, SBA-1 and SBA-15 were successfully used to synthesize mesoporous carbons with cubic or hexagonal framework structures. The stabilities of the ordered mesoporous carbons have been evaluated by the X-ray diffraction patterns. The results indicated that the mesoporous carbons maintained their structural order under mechanical pressing and strong acid and base. A general strategy for the synthesis of tube-type mesoporous carbon structures has been developed. The new carbon material, designated as CMK-5, was synthesized using mesoporous SBA-15 aluminosilicate as a template and furfuryl alcohol as a carbon source. The structural characterizations by X-ray diffraction, transmission electron microscopy and pore size analysis revealed that the CMK-5 carbon is constructed with the 2-dimensional hexagonal arrays of uniform carbon nanopipes. The CMK-5 mesoporous carbon contains two different mesopores: one pore is generated from the inside of carbon nanopipes and the other from the space between the adjacent nanopipes. The CMK-5 carbon exhibited very high surface area around 2000 ㎡g^(-1) and pore volume of 2 ㎤g^(-1) The ordered mesoporous carbons as new supports for catalytic nanoparticles have been investigated. The nanopipe-type CMK-5 mesoporous carbon showed high metal dispersion upon supporting platinum nanoparticles, compared to common microporous carbons such as carbon blacks, charcoals and activated carbon fibers. The Pt cluster size can be controlled to mostly below 3 nm in diameter even as the Pt loading was increased to the same weight as the carbon support by a simple impregnation method using hexachloroplatinic acid. The Pt/CMK-5 catalysts exhibited excellent electrocatalytic activity for oxygen reduction. A series of PtRu bimetallic nanoparticles with different compositions have been prepared onto CMK-5 mesoporous carbon by co-impregnation of metal precursors. The characterizations of PtRu/CMK-5 samples by ^(129)Xe NMR and EXAFS, in combination with XRD, TEM and hydrogen chemisorption indicated the formation of homogeneous bimetallic nanoparticles with an average particle size of 2-3 nm. The PtRu/CMK-5 showed composition-dependent catalytic activity toward methanol oxidation reaction.
The work presented in this thesis addressed the synthesis of new type of porous carbon materials: ordered mesoporous carbons, and their applications as supports for catalytic nanoparticles. Ordered mesoporous carbons have been synthesized via the template-directed synthesis strategy using ordered mesoporous silicas as templates. The synthesis procedure involves the infiltration of pores of mesoporous silicas with carbon precursors, such as sucrose, furfuryl alcohol and acetylene gas, their carbonization, and subsequent template removal by NaOH or HF. Mesoporous silica materials constructured with three-dimensionally interconnected pores, including MCM-48, SBA-1 and SBA-15 were successfully used to synthesize mesoporous carbons with cubic or hexagonal framework structures. The stabilities of the ordered mesoporous carbons have been evaluated by the X-ray diffraction patterns. The results indicated that the mesoporous carbons maintained their structural order under mechanical pressing and strong acid and base. A general strategy for the synthesis of tube-type mesoporous carbon structures has been developed. The new carbon material, designated as CMK-5, was synthesized using mesoporous SBA-15 aluminosilicate as a template and furfuryl alcohol as a carbon source. The structural characterizations by X-ray diffraction, transmission electron microscopy and pore size analysis revealed that the CMK-5 carbon is constructed with the 2-dimensional hexagonal arrays of uniform carbon nanopipes. The CMK-5 mesoporous carbon contains two different mesopores: one pore is generated from the inside of carbon nanopipes and the other from the space between the adjacent nanopipes. The CMK-5 carbon exhibited very high surface area around 2000 ㎡g^(-1) and pore volume of 2 ㎤g^(-1) The ordered mesoporous carbons as new supports for catalytic nanoparticles have been investigated. The nanopipe-type CMK-5 mesoporous carbon showed high metal dispersion upon supporting platinum nanoparticles, compared to common microporous carbons such as carbon blacks, charcoals and activated carbon fibers. The Pt cluster size can be controlled to mostly below 3 nm in diameter even as the Pt loading was increased to the same weight as the carbon support by a simple impregnation method using hexachloroplatinic acid. The Pt/CMK-5 catalysts exhibited excellent electrocatalytic activity for oxygen reduction. A series of PtRu bimetallic nanoparticles with different compositions have been prepared onto CMK-5 mesoporous carbon by co-impregnation of metal precursors. The characterizations of PtRu/CMK-5 samples by ^(129)Xe NMR and EXAFS, in combination with XRD, TEM and hydrogen chemisorption indicated the formation of homogeneous bimetallic nanoparticles with an average particle size of 2-3 nm. The PtRu/CMK-5 showed composition-dependent catalytic activity toward methanol oxidation reaction.
주제어
#탄소 물질합성 촉매응용성 메조포러스
학위논문 정보
저자
주상훈
학위수여기관
Korea Advanced Institute of Science and Technology
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