[논문]고품질 금속 이온 첨가 MCM-41 분자체 촉매의 제법, 특성화 및 응용 반응

임상윤

doi:10.9713/kcer.2013.51.4.443

고품질 금속 이온 첨가 MCM-41 분자체 촉매의 제법, 특성화 및 응용 반응
Synthesis, Characterizations, and Applications of Metal-Ions Incorporated High Quality MCM-41 Catalysts 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.4, 2013년, pp.443 - 454

임상윤 (CRI-Shell 글로벌 솔루션, 휴스턴 Shell 기술 연구소)

초록
AI-Helper

콜로이드 실리카와 가용성 실리카를 이용하여 나트륨이 첨가되지 않은 다양한 금속이온 첨가 MCM-41 촉매를 제조하였다. 전이금속 이온인 $V^{5+}$, $Co^{2+}$ 및 $Ni^{2+}$이 MCM-41에 첨가되었을 경우 기공벽 내의 실리콘 이온과 등방치환을 하여 실리카 기공벽 내에서 독립된 단일 활성점을 형성하여 우수한 환원 및 활성 내구성을 보였다. 수소 승온 환원법을 이용하여 Co-MCM-41 촉매의 기공 곡률 반경효과에 대해 검토해 본 결과, 적절한 환원 처리와 기공 크기 및 pH 조절에 따라 코발트 금속입자의 크기를 1nm 이하의 범위에서 조절할 수 있었으며, 이 미세 금속 입자들은 표면 금속이온들과의 결합으로 인해 상당한 고온 안정성이 있음을 발견하였다. 완전 환원 후에도 비정형 실리카의 부분 덮힘으로 인해 금속 입자들의 표면 이동 및 뭉침 현상이 현저히 저하되는 것을 볼 수 있었다. 이들 촉매의 반응 예로 금속 입자 크기에 민감한 단일층 탄소 나노튜브의 합성을 Co-MCM-41을 이용하여 실시하였고, 금속 입자의 안정성 시험반응으로 Co 및 Ni-MCM-41을 이용한 CO 메탄화 반응, V-MCM-41을 이용한 메탄올 및 메탄의 부분 산화반응 및 기공곡률 반경이 촉매활성에 미치는 영향 등을 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various metal ions (transition and base metals) incorporated MCM-41 catalysts can be synthesized using colloidal and soluble silica with non-sodium involved process. Transition metal ion-typically $V^{5+}$, $Co^{2+}$, and $Ni^{2+}$-incorporated MCM-41 catalysts were synthesized by isomorphous substitution of Si ions in the framework. Each incorporated metal ion created a single species in the silica framework, single-site solid catalyst, showing a substantial stability in reduction and catalytic activity. Radius of pore curvature effect was investigated with Co-MCM-41 by temperature programmed reduction (TPR). The size of metallic Co clusters, sub-nanometer, could be controlled by a proper reduction treatment of Co-MCM-41 having different pore size and the initial pH adjustment of the Co-MCM-41 synthesis solution. These small metallic clusters showed a high stability under a harsh reaction condition without serious migration, resulting from a direct anchoring of small metallic clusters to the partially or unreduced metal ions on the surface. After a complete reduction, partial occlusion of the metallic cluster surface by amorphous silica stabilized the particles against aggregations. As a probe reaction of particle size sensitivity, carbon single wall nanotubes (SWNT) were synthesized using Co-MCM-41. A metallic cluster stability test was performed by CO methanation using Co- and Ni-MCM-41. Methanol and methane partial oxidations were carried out with V-MCM-41, and the radius of pore curvature effect on the catalytic activity was investigated.

주제어

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계면 활성제의 탄소 수가 높아질수록 어떤 장점이 있는가?	탄소수가 너무 작으면(계면활성제의 길이가 짧으면) 용해도가 높아져 수용액상에서 마이쎌의 형태를 갖추기가 힘들어져 최종 분자체의 형태를 갖추기가 힘들어지고, 반대로 너무 많으면(계면활성제의 길이가 길면) 용해도가 떨어져 수용액을 만들기가 어려워진다. 가장 많이 사용되는 계면 활성제의 탄소 수 범위는 10~16으로 탄소수가 높아질수록 마이쎌 형성이 용이하여 고품질의 분자체를 상대적으로 쉽게 얻을 수 있다. 이렇게 수용액 상에서 형성된 micelle은 시간이 지남에 따라 일직선 형태의 마이쎌 막대(micelle rod)를 형성하게 되는데, 수열화 반응과정에서 수용액 상에 공존하는 실리카의 마이쎌 막대주위로의 응축반응으로 인해 육면체의 단위형태를 갖추게 된다.
	MCM-41의 주형물질로 사용되는 계면활성제의 배열은?	MCM-41(Mobil Composition of Matter #41)은 주 재료인 실리카와 주형 물질로 이루어져 있는데, 주형 물질로 사용되는 계면활성제는 일직선 형태의 탄화수소 물질로, 한쪽은 친수성 그리고 다른 한쪽은 소수성을 띄고 있어 수용액 상에서 원형의 마이쎌(micelle) 형태로 배열을 하게 된다. 따라서 탄소 수에 따라 마이쎌의 크기가 좌우된다.
	M41S 분자체의 구성은?	1990년대 초, 미국의 Mobil 연구소에서는 일정한 중간영역의 기공 분포를 갖는 M41S라는 분자체 그룹을 최초로 제조하였다[1,2]. 이분자체는 층상 구조의 MCM-50, 삼차원적 기공구조를 갖는 MCM48, 그리고 일차원적인 직선 형태의 기공 구조를 한 MCM-41으로 구성되어 있는데, 분자체의 안정성이나 제조법의 용이로 인해 대부분의 촉매 담체 또는 촉매로의 응용에는 MCM-41이 주를 이루고 있다. 이분자체는 기공부피가 1 cc/g을 상회하고, 기공반경은 2~10 nm 정도의 범위이며, 표면적은 1,000 m2/g 이상까지도 얻을 수 있어 촉매 담체로서의 응용에 있어 훌륭한 자격을 갖추고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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