초록 ▼

이산화황을 삼산화황으로 산화시키는 반응은 황산 제조 공정의핵심 반응으로, 실리카(SiO2)에 담지된 산화바나듐(V2O5)이 가장 일반적인 촉매로 사용되고있다. 이 촉매는 SO2나 SO3 분위기 하에서 소성시켜 사용하기 때문에, 촉매 표면의 성분이 매우 복잡하다. 따라서 반응 메카니즘이 잘 알려져 있지 않으며, 촉매 반응에 직접 영향을 주는 표면의 활성화 자리 등이 규명되지 않고 있다. 본 과제에서는 바나듐 및 산화바나듐 단결정 표면에서 일어나는 SO2의 흡착 및 열분해반응을 XPS 및 NEXAFS를 이용하여 연구하였

이산화황을 삼산화황으로 산화시키는 반응은 황산 제조 공정의핵심 반응으로, 실리카(SiO2)에 담지된 산화바나듐(V2O5)이 가장 일반적인 촉매로 사용되고있다. 이 촉매는 SO2나 SO3 분위기 하에서 소성시켜 사용하기 때문에, 촉매 표면의 성분이 매우 복잡하다. 따라서 반응 메카니즘이 잘 알려져 있지 않으며, 촉매 반응에 직접 영향을 주는 표면의 활성화 자리 등이 규명되지 않고 있다. 본 과제에서는 바나듐 및 산화바나듐 단결정 표면에서 일어나는 SO2의 흡착 및 열분해반응을 XPS 및 NEXAFS를 이용하여 연구하였다. 또한 복잡한 촉매 표면을 단순화시킨 V2O5/SiO2 표면을 Si(100) 단결정 표면 위에 만든 후, 이 표면에서의 SO2 전이 반응을 연구하였다.모든 실험은 5x10-10Torr 이하의 진공도를 유지할 수 있는 초고진공 장치 내에서 이루어졌다. 액체질소 온도에서 단결정 시료 표면에 SO2를 흡착시킨 후, 온도 변화에 따른SO2의 표면전이과정을 XPS로 연구하였다. SO2 반응에 사용된 표면은 V(110),O2/V(110), O/V(110), VO/V(110), V2O3/V(110), V2O5/SiO2/Si(100) 등으로, 표면 조성 변화에 따른 SO2 표면반응의 차이점이 주 연구 대상이었다. V(110) 표면에 화학흡착된SO2는 SO 상태를 거쳐 표면의 S로 열분해됨이 확인되었다. O2/V(110), O/V(110),VO/V(110) 표면에서도 SO2는 V(110) 표면에서와 같은 과정을 거쳐 열분해됨이 관찰되었다. V2O3/V(110) 표면에 화학흡착된 SO2는 SO로 분해된 후, SO3 surface species를 거쳐 SO3로 탈착됨이 관찰되었다. SO3 surface species의 형성은 NEXAFS로 확인할 수 있었다. V2O5/SiO2/Si(100) 표면에 화학흡착된 SO2는 SO로 분해되는 과정 없이 SO3surface species로 만들어진 후, 기체상태의 SO3로 탈착되었다. 이 결과는 SO2 표면 반응과정에서의 SO3 형성은 표면에 공흡착된 산소 원자보다는 surface vanadyl oxygen과의 결합에 의한 것임을 보여준다.본 연구를 통하여 표면의 바나듐 산화상태의 변화에 따라 바나듐 표면에서의 SO2 반응성이 큰 변화를 보여줌을 알 수 있었다. 특히 표면에서의 SO3 형성과정에 surfacevanadyl oxygen이 관여함을 알 수 있었다.

Abstract ▼

Oxidation of SO2 to SO3 is a key reaction in the sulfuric acidproduction process. The most commonly used catalyst for that process is V2O5supported on SiO2. This catalyst is activated by calcination in SO2 or SO3. Becausethe surface composition of this catalyst is very complicated, the re

Oxidation of SO2 to SO3 is a key reaction in the sulfuric acidproduction process. The most commonly used catalyst for that process is V2O5supported on SiO2. This catalyst is activated by calcination in SO2 or SO3. Becausethe surface composition of this catalyst is very complicated, the reaction mechanism andthe active site on the catalyst have not clearly understood. We investigated theadsorption and reaction of SO2 on vanadium and various vanadium oxides using XPSand NEXAFS. We also produced the model V2O5/SiO2 catalyst surface on Si(100) andstudied the reaction of SO2 on this surface.The experiment was performed in a ultrahigh vacuum (UHV) chamber equippedwith XPS and a quadrupole mass analyzer. We deposited SO2 on various vanadiumoxide surfaces at the liquid nitrogen temperature and investigated the thermal reaction ofSO2 on the surface using XPS. The model catalyst surfaces we used are V(110),V2O3/V(110) and V2O5/SiO2/Si(100). On V(110), chemisorbed SO2 was decomposed toSO followed by complete decomposition to surface sulfur. Oxygen-modified surfaces,O2/V(110), O/V(110), VO/V(110), showed similar reactivity toward chemisorbed SO2.However, chemisorbed SO2 on V2O3/V(110) produced surface SO3 species afterdecomposition to SO. The presence of surface SO3 species was detected by NEXAFS.The reactivity of SO2 on V2O5/SiO2/Si(100) was quite different from other vanadiumoxide surfaces. Chemisorbed SO2 formed SO3 without decomposition to SO onV2O5/SiO2/Si(100) and most of intermediate SO3 was desorbed as SO2. These resultsimplies that SO2 does not react with surface oxygen atom to form SO3 species.Surface SO3 species is formed by the reaction of SO2 and surface vanadyl oxygen.We studied the reaction of SO2 on various vanadium oxide surfaces. We havefound that surface vanadly oxygen is crucial for the formation of SO3 from surface SO2species.

목차 Contents

• 본문 ... 10
• 1. 서론 ... 10
• 2. 연구방법 및 이론 ... 10
• 3. 결과 ... 11
• 4. 고찰 ... 13
• 5. 결론 ... 14
• 6. 인용문헌 ... 14
• 논문발표 목록서 ... 23
• 자체평가서 ... 24