[논문]저온플라즈마-촉매의 상호작용과 VOC 분해로의 응용

김현하; 김종호

문제 정의

최적화를 위해서는 촉매의 개발과 플라즈마의 운전조건의 개선에 대한 연구가 필요하며, 특히 플라즈마와 촉매가 가지는 상승효과(synergy effect)의 메커니즘에 대한 이해가 대단히 중요하다 할 수 있을 것 이다. 본 연구에서는 제올라이 트 촉매 에 담지 시킨 나노미 터 크기의 각종 금속촉매와 저온 플라즈마사이의 상호작용에 있어서 촉매활성의 화학적인 관점의 평가와, 플라즈마의 물리적인 특성사이의 상호연관성에 대해서 검토한 결과를 보고하기로 한다.

제안 방법

플라즈마 반응기는 두 장의 유리평판의 바깥면에 알류미늄 테이프를 발라 전극으로 한 유전체 장벽방전(이하 DBD) 형태로서, 유전체 사이의 공간에 촉매를 설치하였다. DBD 반응기내에 플라즈마를 발생시키기 위해서 주파수 50 Hz의 교류 고전압(~30kVpk-氓)을 인가하였다. 촉매로는 직경 1.
8의 원통형의 펠렛으로 Mordenite(이하 MOR), MS-13X, 그리고 HY 등의 제올라이트에 나노미터 사이즈의 여러 활성금속을(Ag, Au, Cu, Pt, Pd) 담지한 것을 사용하였다. 각종 활성 금속의 담지에는 함침법을 이용하였으며, 담지 금속의 형태와 크기는 투과형 전자현미경(이하 TEM)으로 관찰하였다.
그림 1에 본 실험에 사용한 실험장치를 나타내었다. 먼저 광학렌즈로 관찰 대상이 되는 제올라이트 표면에 초점을 맞추고, 플라즈마에서 방출되는 미약한 광을 ICCD 카메라로 관찰하였다. 리볼버에는 배율이 다른 4개의 렌즈를 장착하여 조건에 따라 관찰영역을 쉽게 선택할 수 있으며, 본 연구에서는 5X 렌즈를 주로 사용하였다.

대상 데이터

먼저 광학렌즈로 관찰 대상이 되는 제올라이트 표면에 초점을 맞추고, 플라즈마에서 방출되는 미약한 광을 ICCD 카메라로 관찰하였다. 리볼버에는 배율이 다른 4개의 렌즈를 장착하여 조건에 따라 관찰영역을 쉽게 선택할 수 있으며, 본 연구에서는 5X 렌즈를 주로 사용하였다. 5X 렌즈의 경우 관찰영역이 2.
DBD 반응기내에 플라즈마를 발생시키기 위해서 주파수 50 Hz의 교류 고전압(~30kVpk-氓)을 인가하였다. 촉매로는 직경 1.8의 원통형의 펠렛으로 Mordenite(이하 MOR), MS-13X, 그리고 HY 등의 제올라이트에 나노미터 사이즈의 여러 활성금속을(Ag, Au, Cu, Pt, Pd) 담지한 것을 사용하였다. 각종 활성 금속의 담지에는 함침법을 이용하였으며, 담지 금속의 형태와 크기는 투과형 전자현미경(이하 TEM)으로 관찰하였다.

성능/효과

이러한 경향은, 제올라이트뿐만 아니라, 산화티탄과 X-A12O₃ 촉매 모두에서, 그리고 은 이외의 활성금속(Pt, Cu, Zr)등에 대해서도 공통적으로 관찰되었다. ICCD 카메라를 이용한 촉매표면의 플라즈마 관찰결과로 부터, 제올라이트에 담지 한 활성 금속이 가지는 촉매활성이라는 화학적인 측면이외에도, 플라즈마 생성 영역의 확대라는 물리적인 영향이 촉매활성에 중요한 역할을 담당하는 것을 확인하였다. 제올라이트는 종류에 관계없이 Ag를 담지 한 촉매가 Cu를 한 것보다 뛰어난 VOC의 분해활성과 CO2 선택성을 나타내었다.
제올라이트는 종류에 관계없이 Ag를 담지 한 촉매가 Cu를 한 것보다 뛰어난 VOC의 분해활성과 CO2 선택성을 나타내었다. 또한 플라즈마 생성 역의 확대라는 물리적인 측면에 있어서도 담지 제올라이트의 종류에 관계없이 Ag가 Cu보다 더 현저한 효과를 나타내는 것으로 확인되어, 플라즈마-촉매의 복합공정에서 화학적 요인(촉매성능)과 물리적인 요인(플라즈마 생성특성)이 서로 밀접하게 연관되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.
ICCD 카메라를 이용한 촉매표면의 플라즈마 관찰결과로 부터, 제올라이트에 담지 한 활성 금속이 가지는 촉매활성이라는 화학적인 측면이외에도, 플라즈마 생성 영역의 확대라는 물리적인 영향이 촉매활성에 중요한 역할을 담당하는 것을 확인하였다. 제올라이트는 종류에 관계없이 Ag를 담지 한 촉매가 Cu를 한 것보다 뛰어난 VOC의 분해활성과 CO2 선택성을 나타내었다. 또한 플라즈마 생성 역의 확대라는 물리적인 측면에 있어서도 담지 제올라이트의 종류에 관계없이 Ag가 Cu보다 더 현저한 효과를 나타내는 것으로 확인되어, 플라즈마-촉매의 복합공정에서 화학적 요인(촉매성능)과 물리적인 요인(플라즈마 생성특성)이 서로 밀접하게 연관되어 있다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

플라즈마-촉매의 복합공정에서도 다양한 금속의 담지와 그 담지량의 영향에 대하여 많은 실험결과들이 보고되고 있다. 최적화를 위해서는 촉매의 개발과 플라즈마의 운전조건의 개선에 대한 연구가 필요하며, 특히 플라즈마와 촉매가 가지는 상승효과(synergy effect)의 메커니즘에 대한 이해가 대단히 중요하다 할 수 있을 것 이다. 본 연구에서는 제올라이 트 촉매 에 담지 시킨 나노미 터 크기의 각종 금속촉매와 저온 플라즈마사이의 상호작용에 있어서 촉매활성의 화학적인 관점의 평가와, 플라즈마의 물리적인 특성사이의 상호연관성에 대해서 검토한 결과를 보고하기로 한다.

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