선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- Pd 외에 NH3-SCO 활성이 우수한 것으로 알려진 Pt를 Fe-ZSM5에 담지한 촉매를 평가해보았다. Figure 5(a)에 따르면 Pt의 담지량을 달리한 촉매를 대상으로 한 실험 결과, 모든 촉매가 300 ℃ 이상에서 NH3 전환율이 100%에 이르는 우수한 활성을 보였다.
- 본 연구에서는 산성 담체로써 활용이 가능한 Fe-ZSM5에 Pd, Pt을 담지한 촉매를 대상으로 실험을 수행하여, NH3-SCO에 우수한 활성을 보이는 촉매의 활성성분과 조성을 탐색하였다. Fe의 이온교환량(2 wt%)이 고정된 Fe-ZSM5 담체에 Pd, Pt을 담지한 촉매의 활성을 비교한 결과, Pt/Fe-ZSM5가 90% 이상의 NH3 전환율과 40~50% 이상의 질소 수율을 보이는 온도 범위가 넓었으며, 특히 매우 적은양의 귀금속을 담지한 0.
- 본 연구에서는 저온 NH3 산화능이 우수한 귀금속 물질로 Pd, Pt를 산성 담체로써 활용이 가능한 Fe-ZSM5와 조합하여 NH3-SCO 촉매를 제조하였으며, 제조된 촉매의 구조, 물성이 NH3-SCO 활성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 하였다.
제안 방법
- Fe 이온교환량에 따른 Fe-ZSM5 산세기의 측정은 BELCAT- M-77 (BEL JAPAN Inc.)을 이용하여 NH3-TPD 실험을 통해 분석하였다. 샘플의 양은 0.
- NH3 전환반응에 효과적인 촉매의 활성성분을 탐색하기 위하여, 2 wt%의 일정한 Fe 이온교환량을 가진 Fe-ZSM5 담체에 Pd, Pt을 담지하여 실험을 수행하였다. Figure 4(a)는 Fe-ZSM5에 Pd 담지량을 달리하여 실험을 수행한 결과이다.
- 01°, 스캔 속도는 4°/min으로 설정하였다. XRD 분석시 내부 표준물질로 니켈 파우더(Sigma-Aldrich)를 일정 비율(10 wt%)로 샘플에 혼합한 뒤 분석하였다.
- 또한 NH3-SCO 활성이 매우 우수한 Pt/Fe-ZSM5 내의 Fe, Pt의 형상을 확인하기 위하여 HRTEM (200 kV Schottkey FEG, FEI Tecnai F20)을 이용하였다.
- NH3의 흡착을 방지하기 위하여 모든 관에 hea-ting band를 장착하여 150 ℃로 가열하였다. 반응 후 가스 중질소는 Molecular Sieve 컬럼이 장착된 가스 크로마토그래프(M600D, 영린기기)의 열전도도 검출기를 통해 측정하였고, 다른 생성물인 NO, NO2, N2O, 미반응 NH3는 퓨리에변환적외선분광기 (Spectrum GX, Perkin-Elmer)로 분석하였다.
- 제조된 촉매(60 mg)를 고정층 반응기에 충진시킨 후, K-type 열전대를 촉매층 전단에 위치하여 반응 온도(200~500 ℃)를 제어하였다. 반응물의 총 유량은 500 mL/min으로 설정하였고, 반응물의 농도는 암모니아 2,000 ppm, 산소 6.5%로 구성하였으며 각각의 반응가스는 압력 조정기와 질량유량계(5850E, Brooks)를 이용하여 일정한 유속으로 반응관에 공급하였다. NH3의 흡착을 방지하기 위하여 모든 관에 hea-ting band를 장착하여 150 ℃로 가열하였다.
- 앞서 수행한 실험 결과에서 우수한 NH3-SCO 활성을 보였던 0.1 wt% Pt/Fe-ZSM5에서 Fe-ZSM5 담체의 Fe 이온교환량을 변화하면서 NH3-SCO 활성의 변화를 관찰하였다. Figure 6(a)에 의하면 Fe 이온교환량이 작을수록 NH3 전환율이 100%에도달하는 온도 범위가 넓어짐을 알 수 있다.
- 분석에 앞서 촉매 기공내의 수분을 제거하기 위해 각 샘플을 3 mmHg 하에서 6시간 동안 300 ℃로 가열하여 전처리하였다. 촉매 내 금속의 정량 분석을 위해 ICP-AES 분석을 수행하였다. 분석기는 Jobin Yvon사의 138 Ultrace를 이용하였다.
- 1 g이었으며, 500 ℃에서 He을 35 mL/min으로 흘려주면서 1시간 동안 전처리한 후 상온으로 냉각시켰다. 촉매에 3% NH3/He 혼합기체를 50 mL/min으로 흘려주면서 100 ℃에서 1시간 동안 NH3를 흡착시킨 후 50 mL/min의He 흐름 하에서 600 ℃까지 5 ℃/min의 속도로 승온하면서 탈착되는 NH3의 농도를 연속측정 하였다.
- 촉매의 결정 구조를 확인하기 위해 XRD 분석을 수행하였다. Rigaku사 Rotaflex model을 이용하였고, X선은 40 kV, 150 mA의 조건으로 사용하였다.
- 촉매의 비표면적과 기공부피를 측정하기 위해 Micromeritics 사의 ASAP 2010을 이용하여 질소 흡착 BET 분석을 수행하였다. 분석에 앞서 촉매 기공내의 수분을 제거하기 위해 각 샘플을 3 mmHg 하에서 6시간 동안 300 ℃로 가열하여 전처리하였다.
대상 데이터
- Pd(NO3)2 (Aldrich, 99%) 용액을 이용하여 목표하는 담지량의 전구체 용액을 제조하였다. 이 용액을 이용하여 앞서 제조한Fe-ZSM5와 함침법(Incipient wetness method)을 통해 Pd를 담지시켰다.
- 이 용액을 이용하여 앞서 제조한Fe-ZSM5와 함침법(Incipient wetness method)을 통해 Pd를 담지시켰다. 또한 Pt/Fe-ZSM5 촉매는 Pt(NH3)4(NO3)2 (Aldrich, 99.995%)를 목표하는 담지량에 맞게 전구체 용액을 만든 후, Fe-ZSM5에 함침하여 제조하였다. 제조된 촉매는 120 ℃에서 12시간 건조시키고 공기 분위기에서 500 ℃ 소성을 6시간 동안수행한 후 최종적으로 촉매 제조를 완료하였다.
- 촉매 내 금속의 정량 분석을 위해 ICP-AES 분석을 수행하였다. 분석기는 Jobin Yvon사의 138 Ultrace를 이용하였다.
- 암모니아 산화반응의 촉매 활성을 평가하기 위하여, 상압의 고정층 반응기를 이용하였으며, 반응기는 1/2 inch 원통형 석영관을 사용하였다. 제조된 촉매(60 mg)를 고정층 반응기에 충진시킨 후, K-type 열전대를 촉매층 전단에 위치하여 반응 온도(200~500 ℃)를 제어하였다.
- Fe-ZSM5는 액상 이온 교환법으로 제조하였다. 일정한 양의FeCl2･4H2O (99%, Aldrich)를 증류수에 녹여 FeCl2 수용액을 제조하고, ZSM5 (Si/Al = 25, CBV5524G, Zeolyst)를 첨가하여 24시간 상온에서 교반하여 이온교환 시킨다. 교반이 끝난 후, Chloride 이온이 제거될 때까지 증류수를 이용하여 촉매를 세척하였다.
이론/모형
- Fe-ZSM5는 액상 이온 교환법으로 제조하였다. 일정한 양의FeCl2･4H2O (99%, Aldrich)를 증류수에 녹여 FeCl2 수용액을 제조하고, ZSM5 (Si/Al = 25, CBV5524G, Zeolyst)를 첨가하여 24시간 상온에서 교반하여 이온교환 시킨다.
- 촉매의 결정 구조를 확인하기 위해 XRD 분석을 수행하였다. Rigaku사 Rotaflex model을 이용하였고, X선은 40 kV, 150 mA의 조건으로 사용하였다. 스캔 범위는 3~60°, 스캔 간격은 0.
- (Aldrich, 99%) 용액을 이용하여 목표하는 담지량의 전구체 용액을 제조하였다. 이 용액을 이용하여 앞서 제조한Fe-ZSM5와 함침법(Incipient wetness method)을 통해 Pd를 담지시켰다. 또한 Pt/Fe-ZSM5 촉매는 Pt(NH3)4(NO3)2 (Aldrich, 99.
성능/효과
- 0.1 wt% Pt / 0.5 wt% Fe-ZSM5는 1 wt% Pt / 2 wt% Fe- ZSM5에 비해 Pt의 담지량이 매우 낮음에도 불구하고 Fe 이온교환량 변화에 의한 담체의 성질 변화를 도모하여 NH3-SCO 활성이 극대화 되었다. Figure 5(b) 결과와 비교하면 100%의 NH3 전환율이 250 ℃까지 유지되었고, 250~350 ℃ 구간에서 N2 수율이 10~20%가량 높게 형성된 것으로 보아, NH3-SCO 반응에 최적 조성을 가진 촉매로 판단되었다.
- Figure 5(a)에 따르면 Pt의 담지량을 달리한 촉매를 대상으로 한 실험 결과, 모든 촉매가 300 ℃ 이상에서 NH3 전환율이 100%에 이르는 우수한 활성을 보였다. 250 ℃에서 0.1 wt% Pt/Fe-ZSM5가 타촉매 실험결과에 비해 낮은, 약 63%의 NH3 전환율을 보였지만 담지량대비 효과 측면에서 Pt 담지량은 0.1 wt%를 목표로 하여, 촉매성능을 개선하는 것이 적절하다고 판단되었다. Figure 5(b)는0.
- 400 ℃를 기점으로 NO2, N2O 수율이 온도 변화에 따라 서로 trade-off 하는 경향을 보였다. 500 ℃로 근접할수록NO 수율이 증가함에 따라 N2 수율이 40% 미만으로 낮아졌지만 250 ℃의 저온에서 70%에 이르는 매우 우수한 활성이 관찰되었다.
- Fe-ZSM5 담체에 따른 XRD 분석으로, 담체의 구조가 활성에 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다. NH3-TPD 결과에서는Fe의 이온교환량에 따라 Bronsted 산점의 변화가 있는 것으로 확인되었다.
- -SCO에 우수한 활성을 보이는 촉매의 활성성분과 조성을 탐색하였다. Fe의 이온교환량(2 wt%)이 고정된 Fe-ZSM5 담체에 Pd, Pt을 담지한 촉매의 활성을 비교한 결과, Pt/Fe-ZSM5가 90% 이상의 NH3 전환율과 40~50% 이상의 질소 수율을 보이는 온도 범위가 넓었으며, 특히 매우 적은양의 귀금속을 담지한 0.1 wt% Pt / 2 wt% Fe-ZSM5 촉매가 우수한 활성을 보였다. 본 촉매 조성의 최적화를 위해 철의 이온 교환량을 변화시켜 실험을 수행한 결과, 0.
- Fe-ZSM5 담체에 따른 XRD 분석으로, 담체의 구조가 활성에 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다. NH3-TPD 결과에서는Fe의 이온교환량에 따라 Bronsted 산점의 변화가 있는 것으로 확인되었다. 또한 가장 우수한 활성을 보인 0.
- Figure 4(a)는 Fe-ZSM5에 Pd 담지량을 달리하여 실험을 수행한 결과이다. Pd 담지량이 늘어날수록 NH3 전환율이 상승했고, 2 wt% Pd 담지 촉매가전 온도 구간에 걸쳐 여타 Pd 담지량의 촉매들에 비해 10~20% 높은 NH3 전환율을 보였다. Figure 4(b)는 2 wt% Pd/Fe-ZSM5에 의한 생성물 수율을 나타내고 있는데, 350 ℃ 이상에서 90 % 이상의 NH3 전환율, 15% 이하의 NO2, N2O수율을 보였다.
- Pt/Fe-ZSM5는 Pd/Fe-ZSM5에 비해 90% 이상의 NH3 전환율에 도달한 온도가 100 ℃ 이상 낮았으며, N2 수율 측면에서도 350 ℃ 이하에서 강점을 보이는 바 Pd 촉매보다 우수하다고 평가되었다.
- Figure 3(b)는 450,000 배 확대된 이미지인데, 이 이미지를 통해 Pt의 담지 상태를 확인할 수 있었다. Pt는 EDX 분석 결과 대체로 Fe 위에서만 발견되었으며, Pt의 평균 크기는 1 nm 이하에서 매우 고르게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
- 5~31° 범위 내 피크들은 ZSM5 격자의 특성 회절피크들을 나타낸다. 네 촉매 모두 일정한 크기의 피크들을 보여 Fe 이온교환량 변화에 따른 ZSM5 구조의 손실은 없는 것으로 판단되었다. Table 1의 Fe 이온교환량이 증가함에 따른기공 부피의 감소가 Hematite (Fe2O3)의 생성 때문이라 예상하였지만 Hematite 특성 회절 위치인 33.
- 5 wt% Fe-ZSM5가 일반적으로 암모니아 산화 활성이 낮은 250 ℃ 영역까지 100%의 NH3 전환율을 보였다. 따라서 본 연구 대상 촉매에 대한 실험 결과, Pt이 Pd에 비해 소량의 담지로도 저온에서 암모니아의 전환에 탁월한 것으로 나타나므로, Pt/Fe-ZSM5가 NH3-SCO 반응에 매우 적합한 촉매로 판단되었다.
- NH3-TPD 결과에서는Fe의 이온교환량에 따라 Bronsted 산점의 변화가 있는 것으로 확인되었다. 또한 가장 우수한 활성을 보인 0.1 wt% Pt / 0.5 wt% Fe-ZSM5 촉매의 HRTEM 분석 결과, Pt이 촉매 표면에 매우 고르게 분포되어 있는 것으로 나타났다. 종합하면, Fe의이온교환량에 따른 담체의 산성 변화와 Pt 분포의 변화가 NH3-SCO 활성에 영향을 미치는 것으로 판단되었으며, FT-IR, H2-TPR 등 다양한 분석법을 통하여 촉매 물성과 활성의 상관관계규명이 필요할 것으로 보인다.
- 본 촉매 조성의 최적화를 위해 철의 이온 교환량을 변화시켜 실험을 수행한 결과, 0.1 wt% Pt / 0.5 wt% Fe-ZSM5가 일반적으로 암모니아 산화 활성이 낮은 250 ℃ 영역까지 100%의 NH3 전환율을 보였다.
- 5, 1 wt% Fe-ZSM5가 420 ℃에서 피크를 보였고, 2, 4 wt% Fe-ZSM5는 20 ℃ 가량 상승된 440 ℃에서 피크가 존재하였다. 피크가 보다 높은 온도에서 발생하는 점과 피크 면적이 늘어나는 것으로 보아 Fe를 2 wt% 이상 이온교환하면 Bronsted 산점에 영향을 주어 NH3-SCO 활성의 차이가 발생하는 것으로 판단되었다.
후속연구
- 최근 자동차 배가스와 수처리 시설 내 암모니아 제거 기술에 관한 성능은 주로 저온 영역에서 평가되고 있으므로, 해당 반응 조건에서 우수한 활성을 가지는 기술의 개발 여부가 중요한 요소이다. 상기 Pt/Fe-ZSM5 촉매는 특히 배가스 내의 반응 조건에서 우수한 활성을 보이므로 자동차 배가스의 암모니아 저감에 큰 기여를 할 것으로 예상되며, 또한 수처리 시설에 안정적으로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
- 5 wt% Fe-ZSM5 촉매의 HRTEM 분석 결과, Pt이 촉매 표면에 매우 고르게 분포되어 있는 것으로 나타났다. 종합하면, Fe의이온교환량에 따른 담체의 산성 변화와 Pt 분포의 변화가 NH3-SCO 활성에 영향을 미치는 것으로 판단되었으며, FT-IR, H2-TPR 등 다양한 분석법을 통하여 촉매 물성과 활성의 상관관계규명이 필요할 것으로 보인다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.