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중국 과학원(Chinese Academy of Sciences), DICP(Dalian Institute of Chemical Physics), 영국 서리 대학(University of Surrey)의 연구진은 지지 바이메탈 나노입자(Supported bimetallic catalyst)의 성능과 효율성을 개선할 수 있는 새로운 나노반응기를 개발했다. 지지 바이메탈 촉매는 이종 촉매에서 중요한 부류에 속하는 촉매이다. 지지 바이메탈 촉매는 전기촉매작용(electrocatalysis), 바이오매스 전환, 수소 제조와 같은 다양한 분야에 적용 가능하다. 그러나 지지 바이메탈 나노입자를 합성할 수 있는 기존의 함침 및 고정화 방법은 종종 제어할 수 없어서 불균일한 입자 크기, 낮은 합금도, 지지체 위의 불균일한 분포 등의 문제를 발생시킨다. 결과적으로 촉매 성능이 저하되고 낮은 금속 활용률을 가지게 된다. 이번에 개발된 방법은 질소로 도핑된 메조포러스 폴리머(nitrogen-doped mesoporous polymer, NMP) 속에 고품질 시드(Pd 나노클러스터)와 금 이온을 삽입한다. 질소가 도핑된 메조포러스 폴리머는 고체 상태에서 열 환원 동안에 PdAu 바이메탈 나노입자를 합성할 수 있는 나노반응기로 사용된다. 합성된 Pd1Au1/4 바이메탈 나노입자는 0.5 nm의 오차로 직경이 매우 균일하고 질소로 도핑된 메조포러스 폴리머 지지체 위에 균질하게 분산되어 있다. Pd1Au1/4 NMP는 단금속 Pd/NMP와 Au/NMP와 비교했을 때 포름산 탈수소 반응에서 향상된 촉매 성능을 가졌다. 촉매 성능이 향상되는 원인은 Pd1Au1/4 바이메탈 나노입자에서 Pd와 Au 사이의 전기적 상호 작용에 기인한다. 또한 합성 동안에 PdAu 바이메탈 나노입자의 조성을 변화함으로써 전기적 상호작용을 조정할 수 있다. PdAu/NMP 제품은 산호와 같은 구조 때문에 바인더 없이 약한 압력(1.0 bar)에서 펠릿 프레스(pellet press)로 단일체로 성형할 수 있다. Pd1Au1/4/NMP 단일체는 액체 반응에서 물질 전달에 유리한 풍부한 대공극(macropore)을 가진다. 특히, Pd1Au1/4/NMP의 단일체는 333K에서 포름산 탈수소 반응에서 상당한 활성을 가졌고, 질량 손실과 활성 변화 없이 5 번 재활용할 수 있었다. 이 기술은 지름이 2-3 nm인 PdRu, PdCo, PdNi, PdZn, PdAg, PdCu 등의 다른 Pd 기반의 바이메탈 나노입자를 만드는데 적용될 수 있다. 이 새로운 나노반응기 방법은 다양한 바이메탈 촉매를 효과적으로 합성할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 이러한 촉매는 친환경적이고 지속 가능한 촉매 공정에 매우 유망하게 적용될 수 있을 것이다. |
