[논문]아크플라즈마 증착을 이용한 나노촉매 재료 제작

김상훈

doi:10.14478/ace.2014.1073

아크플라즈마 증착을 이용한 나노촉매 재료 제작
Nanocatalyst Materials Prepared by Arc Plasma Deposition 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.25 no.4, 2014년, pp.341 - 345

초록
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아크플라즈마를 이용해 촉매입자를 촉매지지체에 건식으로 직접 분산하는 기술에 대한 개괄과 응용사례를 소개한다. 이 방법은 촉매입자를 담지하는 일반적인 방법인 습식법의 단점을 개선하고자 촉매입자를 기화하여 직접 담지체에 증착하는 방법이다. 아크플라즈마 증착을 이용해 제작한 촉매재료의 성능을 연구한 사례 세가지를 소개한다. 이 사례들을 통해 이 방법으로 증착되는 나노입자의 크기가 1~5 nm 정도이고 일반적으로 습식 방법보다 촉매성능면에서 우수한 성능을 나타낸다는 것을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

Catalyst nanoparticles are prepared by arc plasma deposition (APD). First, overview of the APD technique is reviewed and second, some applications of the technique for nanocatalyst preparation are reviewed. Nanoparticles prepared by APD are typically 1~5 nm in size and their catalytic activity is ge...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 APD법에서는 어떤 물질이라도 실온에서 고체이며 실린더 형태로 가공되어 양극위치에 놓일 수 있으면 나노입자로 증착될 수가 있다. 이러한 새로운 나노입자 증착법을 이용해 나노튜브를 키우는 씨앗이 되거나 여러 다양한 응용이 있을 수 있는데, 본 리뷰에서는 나노 촉매입자로 쓰인 사례들에 대해 소개하겠다.
이러한 습식 담지법의 단점을 개선하고자 촉매입자를 기화하여 직접 담지체에 증착하는 방법이 최근 들어 관심을 끌고 있는데, 직접 증착하는 공정의 장점으로는 단순한 공정, 재현 용이성, 대량생산에 적합한 방식 등이 있을 수 있다. 이번 리뷰에서는 직접 증착 공정 중에 최근 관심을 끌고 있는 아크플라즈마 증착법(arc plasma deposition, APD)[4-7]에 대해서 소개하고 이 방법을 이용한 촉매제작과 성능 실험에 관한 연구사례를 소개하고자 한다.
이번 리뷰에서는 촉매지지체 위에 나노촉매입자를 APD를 이용해 건식으로 분산하는 법을 소개하고 그 응용사례를 몇 가지 소개하였다. APD법은 전통적으로 절삭공구 등의 표면에 플라즈마를 이용해 치밀한 보호막을 형성하는 기법으로 사용되어 왔으나, 펄스를 이용한 APD법이 개발되면서 다량의 나노입자를 건식으로 증착할 수 있는 기술로 발전하였다.

제안 방법

Figures 8, 9는 증착된 입자의 TEM 사진과 입자의 크기분포를 보여준다. 나노금입자와 촉매성능 비교를 위해 나노 Pt 입자를 TiO₂ 분말에 증착한 시료도 같이 비교하였다. Au와 Pt 입자들은 같은 조건으로 증착을 했을 때에도 서로 크기가 달랐다(Figure 8(a)와 (c)).
Figure 6에서 볼 수 있는 것처럼, APD로 분산한 촉매의 촉매성능이 함침한 사료보다 높았다. 이러한 촉매성능의 차이의 원인을 알아보기 위해서, 분산된 Pt 입자들에 대해서 XPS 측정을 수행하였다. Figure 7에 나타난 XPS 결과를 보면, 함침 및 열처리된 Pt 나노입자들은 산화물 형태를 띄는 부분이 나타난 반면, APD로 분산된 Pt 나노입자들은 금속성인 것을 알 수 있다.
함침한 시료는 500 ℃에서 5 h 동안 열처리를 해서 전구체의 유기물질을 제거하였다. 촉매성능 평가에는 초고진공 반응기 안에서 CO 산화반응을 이용하였다. Figure 6에서 볼 수 있는 것처럼, APD로 분산한 촉매의 촉매성능이 함침한 사료보다 높았다.

대상 데이터

최근 우리 실험실에서는 TiO₂ 박막에 Pt 나노입자를 기존의 습식방법으로 분산한 것과 APD 법으로 분산한 것의 촉매성능 차이를 비교하였다[6]. 약 150 nm 두께의 TiO₂ 박막을 실리콘 웨이퍼에 증착하고 촉매 지지체 기판으로 사용하였다. 그 위에 같은 양의 Pt (0.

이론/모형

약 150 nm 두께의 TiO₂ 박막을 실리콘 웨이퍼에 증착하고 촉매 지지체 기판으로 사용하였다. 그 위에 같은 양의 Pt (0.12 mg)를 APD (150 펄스, 아크방전전압 100V, 방전 축전용량 1080 uF) 방식과 K₂PtCl₆ 전구체를 이용한 습식 함침법을 사용하여 분산하였다. 함침한 시료는 500 ℃에서 5 h 동안 열처리를 해서 전구체의 유기물질을 제거하였다.

성능/효과

Figure 10에서 CO 산화반응에 대해 각 시료의 촉매활성을 비교하였는데, 전체적으로 Au/TiO₂ 200 V > Au/TiO₂ 300 V > Au/TiO₂ sol-gel > Pt/TiO₂ 200 V의 활성비교가 가능하였다. 나노금입자에 대해서는 시료 제법이 건식이었건 습식이었건, 촉매활성을 결정하는 가장 중요한 요소 중의 하나는 입자의 크기임을 알 수 있었다. 그 와는 반대로 Pt/TiO₂ 200 V는 가장 낮은 촉매활성을 보였고, 그 활성은 벌크 Pt인 경우와 크게 다르지 않았다.
각 TiO₂ 분말들은 같은 조건에서 나노 금입자가 분산되었고, 숫자는 열처리 온도를 나타낸다. 열처리 온도가 낮을수록 다공도가 높았으며, 다공도가 높아짐에 따라 수소생산량 또한 높아지는 것을 알 수 있었다. 태양에너지 전환 최대 효율로 0.
열처리 온도가 낮을수록 다공도가 높았으며, 다공도가 높아짐에 따라 수소생산량 또한 높아지는 것을 알 수 있었다. 태양에너지 전환 최대 효율로 0.53%를 얻었으며, 이는 일반적으로 상용화된 Degussa P-25 titania 분말을 사용했을 때 보다 약 세배 정도 높은 수치였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	촉매재료는 어떠한 방법으로 제작되는가?	촉매재료는 일반적으로 알루미나, 타이타니아 등 산화물 담지체에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등 귀금속 촉매입자를 담지시켜 제작한다. 담지시키는 방법은 일반적으로 습식으로 이루어진다[1].
	습식공정에서의 담지 메커니즘은 어떠한가?	함침법(impregnation), 공침법(coprecipitation, CP), 석출-침전법(deposition-precipitation, DP), 이온교환법(ion-exchange), 졸겔법(sol-gel processes), 콜로이드법(colloidal processes) 등이 습식 담지 공정의 대표적인 예들이다. 습식공정에서는 촉매입자를 포함하는 전구체를 물이나 유기용매에 녹여 액체 또는 슬러리 형태로 만들고 이를 분말형태인 산화물담지체와 섞는 식으로 촉매입자를 촉매담지체에 담지한다. 이 과정에서 용매와 전구체에 포함되어 있던 불순물을 제거하고 담지강도를 높이기 위하여 높은 온도에서 열처리를 하는 것이 일반적이다[2,3].
	담지시키는 방법 중 대표적인 것들은 무엇인가?	담지시키는 방법은 일반적으로 습식으로 이루어진다[1]. 함침법(impregnation), 공침법(coprecipitation, CP), 석출-침전법(deposition-precipitation, DP), 이온교환법(ion-exchange), 졸겔법(sol-gel processes), 콜로이드법(colloidal processes) 등이 습식 담지 공정의 대표적인 예들이다. 습식공정에서는 촉매입자를 포함하는 전구체를 물이나 유기용매에 녹여 액체 또는 슬러리 형태로 만들고 이를 분말형태인 산화물담지체와 섞는 식으로 촉매입자를 촉매담지체에 담지한다.

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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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