[논문자료] 수열방법으로 합성된 이산화망간의 물리화학적 특성과 일산화탄소 산화반응

출처: 픽사베이

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일산화탄소(CO)는 피셔-트롭시 합성반응((2n + 1)H2 + nCO → CnH2n+2 + nH2O), 수성가스전환반응(CO + H2O → CO2 + H2)의 원료물질과 반도체산업 내 에칭공정에서 수율 촉진을 위한 물질로 사용된다. 이처럼 산업적인 측면에서 매우 중요한 물질로 사용되지만, 연료의 연소, 음식물, 축사분뇨의 부패로 인해 발생하는 CO는 포집을 하기엔 양이 극히 드물고 산발적이며 순도 또한 낮기 때문에 대기에 배출되기 전 독성이 없는 이산화탄소로 산화시켜 배출시키고 있다.

 

CO 제거반응은 CO + 1/2O2 → CO2 (Δ Ho = -283 kJ mol-1) 을 따른다[1]. CO 제거를 위해 Al2O3, TiO2, ZrO2, CeO2 등의 지지체에 귀금속 Pd, Pt, Au, Ag, Rh를 담지한 촉매를 많이 사용해왔다[2-5]. Xu et al.[6]은 SiO2를 지지체로, Pd와 Au의 비율을 달리하여 담지 후 CO 산화반응에 적용하였고, Park et al.[7]은 나노 크기의 Rh-Pt 합금을 제조해 CO 산화반응을 실시하였다. 귀금속 촉매는 우수한 활성, 내피독성 내마모성 내 충격성 내열성 등 안정성을 보이지만, 희소성과 높은 원료비용을 고려했을 때 지속적인 사용과 대형화가 어려워 귀금속을 대체할 촉매가 필요하며 전이금속이 주목을 받고 있다. Fe, Co, Mn 등 전이금속은 귀금속과 비교하여 광물 내 풍부하게 분포되어 있고 가격이 저렴해 최근 CO 산화반응을 위한 차세대 촉매로 많은 연구가 이루어지고 있다[8-13]. 그 중 Mn 산화물은 환경친화적이고 자연적으로 풍부하게 존재한다[14-16]. 전자수용과 산소저장능력이 뛰어나기 때문에 금속 공기 전지 및 연료 전지용 음극재, 산화촉매로 사용된다[14,15,17-20]. 양이온 교환능력과 분자흡착성질이 뛰어나 이온 및 분자체[21] 로, spinel구조를 가진 α-, γ/β-, β-, δ-MnO2는 MnO2/Li 이차전지[22]로 사용된다.

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201511366276328

KMnO4와 MnCl2･4H2O로부터 별도의 침전제 없이 수열반 응을 통해 MnO2를 합성하였다. 승온 및 등온 조건에서 CO 산화반응을 수행하고 활성 및 비활성화의 원인을 규명하기 위해 물리화학적 특성을 분석하였다. 합성 조건에 따라 순수한 α-상 및 α/β-혼합상을 가진 MnO2를 선택적으로 합성하였고, 비표면적, 환원성, 그리고 격자산소 종의 활성을 조절하였다. 본 연구에서는 150 ℃에서 1시간 수열합성 후 300 ℃에서 2시간 소성처리한 촉매가 가장 높은 비표면적과 저온에서 활발한 격자산소 종의 출입을 보였으며 승온 및 등온 CO 산화반응 모두 활성이 가장 우수하였다. 이는 합성과 열처리 과정에서 진행되는 핵 생성과 생성된 핵간 소결현상으로 촉매의 결정상태, 비표면적과 환원성, 그리고 산소 종의 성질 변화를 비롯한 촉매의 물리화학적 특성과 긴밀한 영향이 있음을 확인하였다.

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초고온·초고압 반응기

 

초고온 및 초고압 상태에서 화학반응, 수열반응, 촉매반응 등을 수행할 수 있는 반응기로 열처리, 산업 가열 시스템, 화학 및 석유화학, 항공 분야 등에서 다양하게 접목되어 사용되는 반응기 중 하나입니다. 초고온·초고압을 사용하는 만큼 ASME 인증과 산업안전관리공단, 가스안전관리공사의 표준 규격에 부합하는 안전한 디자인으로 설계 및 제작되어지고 있습니다.

 

초고온·초고압반응기의 초고압상태를 만들고 유지하기 위해서는 반응기의 소재를 열에 대한 안정성과 산화 저항, 열 사이클링 저항을 우선으로 선정하는 것이 중요합니다. 때문에 고온·고압 설비 전문기업 ㈜일신오토클레이브에서는 초고온 상태에서 안정적인 반응을 수행할 수 있는 HAYNES 고온합금강 제품 중에서 선정하여 제작하였으며 높은 열 저항력과 안전성을 보유하고 있다는 장점을 지니고 있습니다.

 

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