중수는 CANDU 형 원자력 발전소의 감속재 및 냉각재로 사용되며, Pt/SDBC 촉매는 중수의 생산 또는 중수중의 삼중수소제거를 위한 수소동위원소 교환반응의 촉매로 개발되어져 왔다. 본 연구에서는, 수소-물 동위원소 교환반응을 위해 제조된 Pt/SDBC 촉매의 제조 및 물질전달 특성이 촉매활성에 미치는 영향에 대하여 관찰하였다. 물리적 특성이 다른 두 가지 SDBC 담체를 괴상중합법으로 제조하였으며 ...
중수는 CANDU 형 원자력 발전소의 감속재 및 냉각재로 사용되며, Pt/SDBC 촉매는 중수의 생산 또는 중수중의 삼중수소제거를 위한 수소동위원소 교환반응의 촉매로 개발되어져 왔다. 본 연구에서는, 수소-물 동위원소 교환반응을 위해 제조된 Pt/SDBC 촉매의 제조 및 물질전달 특성이 촉매활성에 미치는 영향에 대하여 관찰하였다. 물리적 특성이 다른 두 가지 SDBC 담체를 괴상중합법으로 제조하였으며 에탄올 용액에서 함침법을 이용하여 백금을 담지시킨 후 수소에 의한 환원과정을 거쳐 Pt/SDBC 촉매를 제조하였다. 이 촉매의 비표면적, 기공분포 및 기공부피 등의 물리적 특성을 질소흡착법으로 측정하였으며, 담지된 백금의 분산도는 수소흡착법을 이용하여 측정하였다. 미세기공이 많은 촉매가 비표면적이 더 컸으며, 백금 분산도도 더 크게 나타났다. 즉, 담체의 물리적 구조에 따라 백금분산도가 변화함을 보여준다. 고분자 담체의 열처리 조건에 대해 TGA를 이용해 관찰하였다. 불활성 가스 사용 시에는 400°C 까지 안정하였으나, 산소 처리의 최대 온도는 약 200°C임을 보여주었다. 실험결과, 백금 담지 후 직접 열처리 하는 것 보다는 150°C에서 산소 처리하는 것이 백금 분산도를 크게 향상시키는 것을 알 수 있었다. 열처리에 따른 백금분산도의 영향에 대한 원인을 파악하기 위해 XPS 실험을 수행한 결과, 수소에 의한 환원 과정 이전에 산소로 처리하면 SDBC에 담지된 백금의 백금 금속 상태로의 환원상태가 더 좋은 것으로 나타났다. 제조된 여러 가지 Pt/SDBC 촉매의 수소동위원소 교환반응에 대한 촉매활성은 백금 분산도에 따라 증가하였다. 이것은 수소흡착실험만으로도 Pt/SDB 촉매상에서의 수소동위원소 교환반응의 촉매활성을 평가할 수 있음을 의미한다. 0.8wt%Pt/SDBC 촉매(KC-1) 를 제조하여 일본에서 개발된 Kogel 촉매와 수소동위원소 교환반응의 촉매활성을 비교하였다. KC-1 촉매의 촉매활성이 Kogel 촉매에 비해 더 큰 값을 나타내었다. 이러한 결과는 제조된 KC-1 촉매가 상업적 이용에 적절한 촉매임을 제시해 준다. Pt/SDBC 촉매상에서의 수소동위원소 교환 반응에 미치는 확산의 영향을 관찰하기 위하여 HD 와 HDO의 유효확산계수를 계산하였다. 이를 위해 단 촉매 입자를 제조하였으며, 헬륨-질소계에서의 dynamic pulse technique를 이용해 SDBC 단 촉매 입자의 일차모멘트를 측정하였다. 굴곡도를 측정하였다. parallel-pore model에 의해 계산된 SDBC펠렛의 굴곡도는 2.94 이었다. 수증기 존재하의 반응온도 60°C에서 계산된 HD와 HDO의 유효확산계수는 각각 0.01cm2/s와0.0041cm2/s 이었다. 이 값들을 Thiele modulus 와 effectiveness factor 의 계산에 이용하였다. 수소동위원소 교환반응에 대한 Pt/SDBC 촉매상의 활성에 대한 연구를 수행하였다. 전달속도는 수소분압, 상대습도 및 반응온도에 따라 증가하였다. 상대습도가 클 때도 전달속도가 증가하는 것은 전형적인 소수성촉매의 특성을 나타낸다. 촉매반응에 있어서 반응기체의 촉매입자내 확산은 매우 중요한 과정이며 다공성 촉매의 효율은 effectiveness factor 로 나타낼 수 있다. 수소유속 10cc/s 이상과 입자직경 200mm 이하에서는 촉매내부 물질전달의 영향을 제거할 수 있음을 알았다. 펠렛상태와 분말상태에서의 반응실험을 수행한 결과 분말상태의 촉매를 이용한 경우가 입자상태의 경우보다 반응 속도가 3-5배 정도 크게 나타났다. 이것은 반응속도가 입자 내부확산저항에 영향을 받으며, effectiveness factor는 0.2와 0.3의 범위에 있음을 의미한다. 이 값은 확산실험자료로부터 구한 값과 차이를 보이며, 두 가지 실험에서 기인한 오차로 생각된다. 그러나, effectiveness factor 값이 낮은 값을 갖는 것으로 보아 이 반응은 입자내부 확산에 지배되는 것을 나타낸다. 중수소와 수증기 사이의 동위원소 교환반응에 대한 반응기구를 살펴보기 위하여, 초고진공하의 반응 장치에서 Pt(111) 단결정을 이용한 반응 실험을 수행하였다. 수증기 압력이 일정할 때 반응속도는 중수소의 압력에 비례하나, 수소압력이 일정하고 수증기 압력이 커지면 반응속도가 일정하거나 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 결과를 촉매 표면에서의 반응 속도식 모델과 비교해 보면, 이 반응은 해리 흡착한 수소와 분자 흡착한 물분자 사이에서 일어나며, 중수소의 흡착이 이 반응의 율속 단계인 것으로 추정된다.
중수는 CANDU 형 원자력 발전소의 감속재 및 냉각재로 사용되며, Pt/SDBC 촉매는 중수의 생산 또는 중수중의 삼중수소제거를 위한 수소동위원소 교환반응의 촉매로 개발되어져 왔다. 본 연구에서는, 수소-물 동위원소 교환반응을 위해 제조된 Pt/SDBC 촉매의 제조 및 물질전달 특성이 촉매활성에 미치는 영향에 대하여 관찰하였다. 물리적 특성이 다른 두 가지 SDBC 담체를 괴상중합법으로 제조하였으며 에탄올 용액에서 함침법을 이용하여 백금을 담지시킨 후 수소에 의한 환원과정을 거쳐 Pt/SDBC 촉매를 제조하였다. 이 촉매의 비표면적, 기공분포 및 기공부피 등의 물리적 특성을 질소흡착법으로 측정하였으며, 담지된 백금의 분산도는 수소흡착법을 이용하여 측정하였다. 미세기공이 많은 촉매가 비표면적이 더 컸으며, 백금 분산도도 더 크게 나타났다. 즉, 담체의 물리적 구조에 따라 백금분산도가 변화함을 보여준다. 고분자 담체의 열처리 조건에 대해 TGA를 이용해 관찰하였다. 불활성 가스 사용 시에는 400°C 까지 안정하였으나, 산소 처리의 최대 온도는 약 200°C임을 보여주었다. 실험결과, 백금 담지 후 직접 열처리 하는 것 보다는 150°C에서 산소 처리하는 것이 백금 분산도를 크게 향상시키는 것을 알 수 있었다. 열처리에 따른 백금분산도의 영향에 대한 원인을 파악하기 위해 XPS 실험을 수행한 결과, 수소에 의한 환원 과정 이전에 산소로 처리하면 SDBC에 담지된 백금의 백금 금속 상태로의 환원상태가 더 좋은 것으로 나타났다. 제조된 여러 가지 Pt/SDBC 촉매의 수소동위원소 교환반응에 대한 촉매활성은 백금 분산도에 따라 증가하였다. 이것은 수소흡착실험만으로도 Pt/SDB 촉매상에서의 수소동위원소 교환반응의 촉매활성을 평가할 수 있음을 의미한다. 0.8wt%Pt/SDBC 촉매(KC-1) 를 제조하여 일본에서 개발된 Kogel 촉매와 수소동위원소 교환반응의 촉매활성을 비교하였다. KC-1 촉매의 촉매활성이 Kogel 촉매에 비해 더 큰 값을 나타내었다. 이러한 결과는 제조된 KC-1 촉매가 상업적 이용에 적절한 촉매임을 제시해 준다. Pt/SDBC 촉매상에서의 수소동위원소 교환 반응에 미치는 확산의 영향을 관찰하기 위하여 HD 와 HDO의 유효확산계수를 계산하였다. 이를 위해 단 촉매 입자를 제조하였으며, 헬륨-질소계에서의 dynamic pulse technique를 이용해 SDBC 단 촉매 입자의 일차모멘트를 측정하였다. 굴곡도를 측정하였다. parallel-pore model에 의해 계산된 SDBC펠렛의 굴곡도는 2.94 이었다. 수증기 존재하의 반응온도 60°C에서 계산된 HD와 HDO의 유효확산계수는 각각 0.01cm2/s와0.0041cm2/s 이었다. 이 값들을 Thiele modulus 와 effectiveness factor 의 계산에 이용하였다. 수소동위원소 교환반응에 대한 Pt/SDBC 촉매상의 활성에 대한 연구를 수행하였다. 전달속도는 수소분압, 상대습도 및 반응온도에 따라 증가하였다. 상대습도가 클 때도 전달속도가 증가하는 것은 전형적인 소수성촉매의 특성을 나타낸다. 촉매반응에 있어서 반응기체의 촉매입자내 확산은 매우 중요한 과정이며 다공성 촉매의 효율은 effectiveness factor 로 나타낼 수 있다. 수소유속 10cc/s 이상과 입자직경 200mm 이하에서는 촉매내부 물질전달의 영향을 제거할 수 있음을 알았다. 펠렛상태와 분말상태에서의 반응실험을 수행한 결과 분말상태의 촉매를 이용한 경우가 입자상태의 경우보다 반응 속도가 3-5배 정도 크게 나타났다. 이것은 반응속도가 입자 내부확산저항에 영향을 받으며, effectiveness factor는 0.2와 0.3의 범위에 있음을 의미한다. 이 값은 확산실험자료로부터 구한 값과 차이를 보이며, 두 가지 실험에서 기인한 오차로 생각된다. 그러나, effectiveness factor 값이 낮은 값을 갖는 것으로 보아 이 반응은 입자내부 확산에 지배되는 것을 나타낸다. 중수소와 수증기 사이의 동위원소 교환반응에 대한 반응기구를 살펴보기 위하여, 초고진공하의 반응 장치에서 Pt(111) 단결정을 이용한 반응 실험을 수행하였다. 수증기 압력이 일정할 때 반응속도는 중수소의 압력에 비례하나, 수소압력이 일정하고 수증기 압력이 커지면 반응속도가 일정하거나 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 결과를 촉매 표면에서의 반응 속도식 모델과 비교해 보면, 이 반응은 해리 흡착한 수소와 분자 흡착한 물분자 사이에서 일어나며, 중수소의 흡착이 이 반응의 율속 단계인 것으로 추정된다.
Heavy water has been used as the moderator and the coolant in Canadian nuclear power plants, and the Pt/SDBC catalyst, the platinum catalyst supported on the Styrene-Divinyl-Benzene Copolymer, has been developed for the hydrogen isotopic exchange reaction in the production of heavy water or the trit...
Heavy water has been used as the moderator and the coolant in Canadian nuclear power plants, and the Pt/SDBC catalyst, the platinum catalyst supported on the Styrene-Divinyl-Benzene Copolymer, has been developed for the hydrogen isotopic exchange reaction in the production of heavy water or the tritium removal from heavy water. In this study, the effect of the preparation of the catalyst and the properties of mass transfer on the catalytic activity of this reaction over Pt/SDBC catalyst was investigated. Two types of SDBC polymer supports, which have the different physical properties, were prepared by bulk polymerization, and the Pt/SDBC catalysts were prepared by impregnation method using ethanol solution following the reduction process by hydrogen. Nitrogen adsorption method was used to measure the physical properties of the catalysts such as specific surface area, pore size distribution, and pore volume. The platinum dispersion was measured by hydrogen chemisorption. Higher platinum dispersions were obtained when the higher surface area and micropore area. This behavior suggests that the pore structure of the support controls the crystal growth of platinum. It was shown by TGA analysis that the macroporous SDBC can be used below 400°C under inert gas atmosphere and the maximum treatment temperature of oxygen gas is 200°C. From the experimental results with varying the heat treatment condition in the preparation of the catalyst, it was indicated that oxygen treatment at 150°C prior to hydrogen reduction improves the platinum dispersion of Pt/SDBC catalyst. XPS analysis showed that the formation of the platinum metal was enhanced by oxygen treatment. The catalytic activity of the isotopic exchange reaction over Pt/SDBC catalyst increased with higher platinum dispersion. This implies that the hydrogen chemisorption measurement is basically enough to estimate the catalytic activity of Pt/SDBC catalyst for this reaction. The catalytic activity of the prepared 0.8wt%Pt/SDBC catalyst (KC-1) was compared with that of Kogel catalyst, which was the commercial catalyst developed in Japan. The KC-1 catalyst had higher catalytic activity for the hydrogen isotopic exchange reaction than Kogel catalyst. This result suggests that the KC-1 catalyst is a suitable catalyst for the commercial application such as the production of heavy water and the removal of tritium in heavy water. The effective diffusivities of HD and HDO in water vapor were evaluated to investigate the effect of intraparticle diffusion on the hydrogen isotopic exchange reaction over Pt/SDBC catalyst. A SDBC single pellet was prepared and dynamic pulse technique of diffusion cell was used to measure the first absolute moments in helium-nitrogen system. Tortuosity factor of a SDBC pellet was 2.94 based on the parallel-pore model. The calculated effective diffusivities of HD and HDO in water vapor were 0.01cm2/s and 0.0041cm2/s at 60°C, respectively. These values were used to evaluate the Thiele modulus and effectiveness factor. The catalytic activity of Pt/SDBC catalyst for the hydrogen isotopic exchange reaction was evaluated. The transfer rates increased with increasing hydrogen partial pressure, relative humidity, and reaction temperature. The increase of transfer rate with higher relative humidity represents the typical characteristics of hydrophobic catalyst. In the catalytic reaction, internal diffusion of reaction gases is a significant step, and the efficiency of porous catalysts can be expressed by the effectiveness factor. It was shown from the preliminary experiment that the hydrogen flow rate higher than 10cc/s and a particle diameter smaller than 0.2mm are necessary to obtain the transfer rates free of both external mass transfer and diffusion effects. The reaction rates with Pt/SDBC pellets and powder were measured, and the powderized catalyst showed three to five times as high exchange rate as the Pt/SDBC pellets. This means that the exchange reaction is affected by intraparticle diffusion with catalytic effectiveness factor ranges from 0.2 to 0.3. These values are different from the calculation results based on the diffusion data. The cause of this difference in effectiveness factor is not clear, and it appears that the experimental errors in both reaction and diffusion experiments is contributed to this difference. However, the lower values of effectiveness factor indicate that this reaction is subjected to the intraparticle diffusion effect. The extensive kinetic study on the isotopic exchange reaction between deuterium and water vapor over Pt(111) single crystal under UHV conditions was carried out in order to examine the reaction mechanism. The reaction rates increased with increasing deuterium pressure at constant water vapor pressure but the rates were reached at constant values or decreased with increasing water vapor pressure at constant hydrogen pressure. From the comparison of the results with kinetic model, it seems that the reaction proceeds with dissociatively adsorbed hydrogen and molecularly adsorbed water and the adsorption of deuterium is the rate-determining step.
Heavy water has been used as the moderator and the coolant in Canadian nuclear power plants, and the Pt/SDBC catalyst, the platinum catalyst supported on the Styrene-Divinyl-Benzene Copolymer, has been developed for the hydrogen isotopic exchange reaction in the production of heavy water or the tritium removal from heavy water. In this study, the effect of the preparation of the catalyst and the properties of mass transfer on the catalytic activity of this reaction over Pt/SDBC catalyst was investigated. Two types of SDBC polymer supports, which have the different physical properties, were prepared by bulk polymerization, and the Pt/SDBC catalysts were prepared by impregnation method using ethanol solution following the reduction process by hydrogen. Nitrogen adsorption method was used to measure the physical properties of the catalysts such as specific surface area, pore size distribution, and pore volume. The platinum dispersion was measured by hydrogen chemisorption. Higher platinum dispersions were obtained when the higher surface area and micropore area. This behavior suggests that the pore structure of the support controls the crystal growth of platinum. It was shown by TGA analysis that the macroporous SDBC can be used below 400°C under inert gas atmosphere and the maximum treatment temperature of oxygen gas is 200°C. From the experimental results with varying the heat treatment condition in the preparation of the catalyst, it was indicated that oxygen treatment at 150°C prior to hydrogen reduction improves the platinum dispersion of Pt/SDBC catalyst. XPS analysis showed that the formation of the platinum metal was enhanced by oxygen treatment. The catalytic activity of the isotopic exchange reaction over Pt/SDBC catalyst increased with higher platinum dispersion. This implies that the hydrogen chemisorption measurement is basically enough to estimate the catalytic activity of Pt/SDBC catalyst for this reaction. The catalytic activity of the prepared 0.8wt%Pt/SDBC catalyst (KC-1) was compared with that of Kogel catalyst, which was the commercial catalyst developed in Japan. The KC-1 catalyst had higher catalytic activity for the hydrogen isotopic exchange reaction than Kogel catalyst. This result suggests that the KC-1 catalyst is a suitable catalyst for the commercial application such as the production of heavy water and the removal of tritium in heavy water. The effective diffusivities of HD and HDO in water vapor were evaluated to investigate the effect of intraparticle diffusion on the hydrogen isotopic exchange reaction over Pt/SDBC catalyst. A SDBC single pellet was prepared and dynamic pulse technique of diffusion cell was used to measure the first absolute moments in helium-nitrogen system. Tortuosity factor of a SDBC pellet was 2.94 based on the parallel-pore model. The calculated effective diffusivities of HD and HDO in water vapor were 0.01cm2/s and 0.0041cm2/s at 60°C, respectively. These values were used to evaluate the Thiele modulus and effectiveness factor. The catalytic activity of Pt/SDBC catalyst for the hydrogen isotopic exchange reaction was evaluated. The transfer rates increased with increasing hydrogen partial pressure, relative humidity, and reaction temperature. The increase of transfer rate with higher relative humidity represents the typical characteristics of hydrophobic catalyst. In the catalytic reaction, internal diffusion of reaction gases is a significant step, and the efficiency of porous catalysts can be expressed by the effectiveness factor. It was shown from the preliminary experiment that the hydrogen flow rate higher than 10cc/s and a particle diameter smaller than 0.2mm are necessary to obtain the transfer rates free of both external mass transfer and diffusion effects. The reaction rates with Pt/SDBC pellets and powder were measured, and the powderized catalyst showed three to five times as high exchange rate as the Pt/SDBC pellets. This means that the exchange reaction is affected by intraparticle diffusion with catalytic effectiveness factor ranges from 0.2 to 0.3. These values are different from the calculation results based on the diffusion data. The cause of this difference in effectiveness factor is not clear, and it appears that the experimental errors in both reaction and diffusion experiments is contributed to this difference. However, the lower values of effectiveness factor indicate that this reaction is subjected to the intraparticle diffusion effect. The extensive kinetic study on the isotopic exchange reaction between deuterium and water vapor over Pt(111) single crystal under UHV conditions was carried out in order to examine the reaction mechanism. The reaction rates increased with increasing deuterium pressure at constant water vapor pressure but the rates were reached at constant values or decreased with increasing water vapor pressure at constant hydrogen pressure. From the comparison of the results with kinetic model, it seems that the reaction proceeds with dissociatively adsorbed hydrogen and molecularly adsorbed water and the adsorption of deuterium is the rate-determining step.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.