귀금속 촉매의 촉매 중독에 대한 이해: 원인, 문제점 및 해결 방법

1 소개

귀금속 촉매는 화학 산업, 에너지 부문, 환경 보호 분야에서 중요한 역할을 합니다. 귀금속 촉매는 독특한 전자 구조와 표면 특성으로 인해 다양한 화학 반응을 효율적으로 촉매할 수 있습니다. 그러나 실제로는 독성 물질이 이러한 촉매에 영향을 미쳐 활성도 감소, 선택성 변화, 심지어 수명 단축을 초래하는 경우가 많습니다. 이 블로그에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 귀금속 촉매의 메커니즘과 응용 분야를 자세히 살펴보고, 촉매 중독의 원인과 결과를 살펴보고, 촉매의 중독 방지 기능과 수명을 향상시킬 수 있는 방안을 제안합니다.

그림 1 Stanford Advanced Materials에서 제공한 백금 블랙 파우더(연료전지용)

2 귀금속 촉매 소개

2.1 귀금속 촉매의 메커니즘

전자 구조 측면에서 귀금속(예: 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐 등)은 d-전자 궤도를 채우거나 거의 채우고 있습니다. 이러한 d전자 궤도는 반응물 분자의 궤도와 효과적으로 겹쳐서 필요한 활성화 에너지를 제공하여 반응이 낮은 에너지 장벽에서 수행될 수 있도록 합니다. d전자 참여는 귀금속이 다양한 반응물(예: 수소, 산소, 탄화수소 등)과 중간체를 형성하고 반응 과정을 촉진할 수 있게 해줍니다. 귀금속 원자의 높은 전자 밀도와 균일한 분포는 표면에 높은 전자 구름 밀도를 제공합니다. 이는 귀금속 촉매가 반응에서 전자를 제공하거나 수용하여 좋은 전자 공여체 또는 수용체 역할을 하고 반응을 촉진하는 데 도움이 됩니다.

그림 2 구리 및 금 원자의 주변 전자 배열

표면 특성의 관점에서 볼 때 귀금속의 표면은 강한 흡착력을 가지고 있어 반응물 분자를 효과적으로 흡착할 수 있습니다. 이러한 흡착력은 주로 귀금속 원자와 표면 원자의 강한 상호 작용과 높은 활성도에서 비롯됩니다. 귀금속 촉매는 물리적 흡착과 화학적 흡착을 통해 반응물 분자와 상호 작용하여 반응을 촉진하는 활성 부위를 제공할 수 있습니다. 귀금속 촉매의 표면은 또한 재구성 능력이 우수합니다. 반응 과정에서 귀금속 원자의 표면은 다른 반응물 분자의 흡착과 반응에 적응하기 위해 어느 정도의 재구성을 거칠 수 있습니다. 이러한 표면 재구성 능력은 촉매가 다양한 반응 조건에서 효율적인 촉매 활성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

그림 3 귀금속 표면에 흡착된 기체 분자의 반응 모식도

또한 귀금속은 열역학적 안정성이 높아 고온과 가혹한 화학 환경에서도 구조와 촉매 활성을 유지할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 귀금속 촉매는 다양한 산업 반응(예: 고온 분해, 산화 반응 등)에서 뛰어난 내구성과 안정성을 발휘할 수 있습니다.

귀금속 촉매는 수소화, 산화, 불균형, 결합 등 다양한 유형의 반응을 촉매할 수 있습니다. 이러한 다목적성은 주로 귀금속이 다양한 반응 메커니즘과 조건에 적응할 수 있는 풍부한 표면 활성 부위와 유연한 전자 구조에 기인합니다. 또한 다양한 종류의 귀금속은 다른 금속과 합금을 형성하여 전자 구조와 표면 특성을 더욱 조절할 수 있습니다. 예를 들어 백금-팔라듐 합금 촉매는 특정 반응에서 단일 금속보다 뛰어난 촉매 성능을 발휘합니다. 합금은 귀금속 촉매의 활성, 선택성 및 안정성을 최적화하여 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다.

2.2 귀금속 촉매의 응용 분야

귀금속 촉매는 가스 반응에 대한 촉매 효과로 인해 환경을 보호하기 위해 가스 처리에 사용됩니다. 자동차 배기 처리에 일반적으로 사용되는 삼원 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh)을 주성분으로 하여 자동차 배기가스 중 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NOx), 미연소 탄화수소(HC)를 무해한 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 물(H2O)로 전환하는 데 사용된다. 백금과 팔라듐은 디젤 엔진에서 배출되는 탄소 입자상 물질과 질소 산화물을 산화하기 위해 디젤 배기 처리 시스템에도 사용됩니다. 산업 화학 공장 및 정유 공장의 배기가스 처리에도 백금과 팔라듐과 같은 귀금속 촉매를 사용하여 배기가스에서 유해 성분을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 귀금속 촉매를 기반으로 한 화학 센서는 수소 센서, 포름알데히드 센서 등 환경 내 기체 오염 물질, 독성 가스, 생체 분자를 감지하는 데 사용됩니다. 귀금속 촉매는 수처리에서 유기 오염 물질의 광촉매 분해, 수소 생산을 위한 물의 광촉매 가수분해에서 백금과 티타늄 산화물 복합 촉매와 같은 오염 물질 분해에도 사용됩니다.

그림 4 3방향 촉매 컨버터의 구조

에너지 분야에서 귀금속 촉매, 특히 백금 촉매는 전기 에너지 변환 효율을 높이기 위해 물 전기 분해 및 메탄올 연료 전지 산화의 전기 화학 공정에 사용됩니다. 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC) 의 백금 촉매는 전극에서 수소와 산소 간의 전기 화학 반응을 촉진하여 전기와 물을 생성합니다. 직접 메탄올 연료 전지(DMFC) 의 백금-루테늄 합금 촉매는 메탄올을 산화시키고 연료 전지 효율을 개선하는 데 사용됩니다. 백금 전극은 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 데도 사용되어 반응의 효율을 향상시킬 수 있습니다. 귀금속 촉매는 바이오디젤 생산의 수소산화 반응과 같이 바이오매스 공급 원료를 고부가가치 화학물질 및 연료로 전환하는 바이오매스 전환에도 사용됩니다.

그림 5 La-RuO2로 촉매 처리된 산성 전해수에서 수소 생산 [5] [5

화학 생산에서 귀금속 촉매는 유기 관련 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 석유 정제 산업에서는 백금과 팔라듐 촉매를 수소 탈황 공정에 사용하여 원유에서 황화물을 제거하여 연료 품질을 개선할 수 있습니다. 석유 개질 공정에서 백금 촉매는 고옥탄가 가솔린과 방향족 화합물의 생산에도 도움을 줍니다. 유기 합성 산업에서 백금 및 팔라듐 촉매는 수소화 반응을 촉매하는 데 널리 사용되어 다양한 유기물의 이중 및 삼중 결합 수소화 공정의 효율을 크게 향상시킵니다. 팔라듐 촉매는 또한 약물 합성과 복잡한 유기 분자의 구성에 중요한 역할을 하는 스즈키 결합 반응과 헥 반응을 촉매할 수 있습니다. 약물 합성 분야에서 귀금속 촉매는 복잡한 약물 분자의 합성에 대체할 수 없는 역할을 하는 팔라듐 촉매 교차 결합 반응과 같은 핵심 단계의 화학적 변형에 자주 사용됩니다. 백금과 팔라듐 촉매는 키랄 촉매에도 일반적으로 사용되며, 비대칭 수소화 반응 과정을 촉매하여 키랄 약물 중간체를 생성하여 약물의 광학적 순도와 생물학적 활성을 보장합니다. 귀금속 촉매는 전자 및 광전자 장치에 사용할 고성능 나노 물질을 제조하기 위해 백금 및 금 촉매를 사용하는 등 나노 물질 제조에 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.

3 촉매 중독

3.1 촉매 중독의 정의

촉매 중독은 특정 물질(독극물 또는 유독 물질로 알려진)의 존재로 인해 화학 반응 중에 촉매의 촉매 활성이 손실되거나 현저하게 감소하는 것을 말합니다. 이러한 독은 촉매의 활성 부위를 강하게 화학화하거나 반응하여 촉매가 반응물과 정상적으로 접촉하고 반응하는 것을 방해합니다. 촉매의 중독은 화학 반응의 효율을 감소시키거나 심지어 완전히 중단시키는 불리한 현상입니다.

3.2 촉매 중독의 원인과 유형

촉매 중독에는 세 가지 주요 메커니즘이 있습니다.

1. 화학적 흡착: 독성 분자가 촉매의 활성 부위에 강한 화학적 흡착을 일으켜 해당 부위가 반응물과 계속 반응할 수 없게 되는 경우.

그림 6 화학 흡착의 개략적인 원리

2. 화학 반응: 독성 물질이 촉매의 활성 성분과 반응하여 촉매 표면을 덮는 비활성 화합물을 생성합니다.

3. 물리적 차단: 특정 독성 물질이 촉매 표면에 침전물을 형성하여 촉매의 기공이나 활성 부위를 물리적으로 차단합니다.

촉매 중독으로 인한 비활성화는 원인과 정도에 따라 다릅니다.

1. 일시적 중독(가역적 중독): 독이 활성 중심에 흡착되거나 화학적으로 결합되면 생성되는 결합 강도가 상대적으로 약하고 적절한 방법을 사용하여 독을 제거하여 촉매의 특성에 영향을주지 않고 촉매 활성을 복원 할 수 있으며 이러한 종류의 중독을 가역적 중독 또는 일시적 중독이라고합니다.

2. 영구 중독(비가역적 중독): 독은 촉매의 활성 성분과 상호 작용하여 매우 강한 화학 결합을 형성하고 촉매의 활동을 회복하기 위해 일반적인 방법으로 독을 제거하기가 어려우며 이러한 종류의 중독을 비가역적 중독 또는 영구 중독이라고합니다.

3. 선택적 중독: 중독 후 촉매는 특정 반응에 대한 촉매 능력을 잃을 수 있지만 다른 반응에 대해서는 여전히 촉매 활성을 가질 수 있으며 이러한 현상을 선택적 중독이라고합니다. 일련의 반응에서 독이 후속 반응의 활성 부위만 중독시키는 경우 반응은 중간 단계에 머물러 높은 수율의 중간 생성물을 얻을 수 있습니다.

촉매 중독으로 인한 4가지 문제

4.1 촉매 활동 감소

1. 활성 부위의 점유: 독소는 촉매 표면의 활성 부위에 강하게 화학적으로 결합하거나 반응하여 해당 부위가 독소에 의해 점유되고 반응물 분자의 흡착 및 반응을 방해하여 촉매 활성이 현저히 감소합니다. 예를 들어 황화물(예: H2S)은 백금 또는 팔라듐 촉매의 표면과 반응하여 황화백금 또는 황화팔라듐을 형성하여 이러한 활성 부위를 쓸모없게 만듭니다.

2. 표면 커버리지: 독소는 촉매 표면에 피복층을 형성하여 반응물이 촉매의 활성 부위에 도달하는 것을 물리적으로 방지합니다. 이러한 커버링 효과는 또한 촉매의 유효 표면적을 크게 감소시키고 촉매의 활성을 감소시킵니다. 예를 들어 인산염은 일부 촉매의 표면에 피복층을 형성하여 반응물이 흡착되는 것을 방지합니다.

그림 7 표면 피복 후 부동태화된 촉매 구조

4.2 선택적 변화

1. 활성 부위의 특정 점유

특정 독성 물질은 특정 활성 부위에 선택적으로 결합하여 해당 부위의 활동과 기능을 변화시킵니다. 예를 들어, 특정 반응은 특정 유형의 활성 사이트(예: 특정 결정면 또는 특정 원자 배열에 위치한 사이트)에 의존할 수 있으며, 독성 물질의 흡착은 이러한 사이트를 우선적으로 차지하여 촉매의 전반적인 선택성을 변경합니다.

예를 들어, 에틸렌의 선택적 수소화에서 Pd 촉매는 높은 선택성을 나타내지만 촉매 표면이 황(S)에 의해 오염되면 황 원자가 Pd 표면 활성 부위에 우선적으로 흡착하여 촉매의 표면 특성을 변경하고 에틸렌보다 원하지 않는 에탄을 생성하는 경향이 더 큰 반응이 발생합니다.

2. 반응 경로의 변경

독성 물질의 존재는 촉매 표면의 전자적 또는 기하학적 특성을 변화시켜 특정 중간체 또는 전이 상태의 형성을 더 어렵게 하거나 분해 가능성을 높임으로써 활성 부위를 완전히 차지하지 않더라도 촉매 반응의 경로를 변경하여 반응이 다른 생성물로 향하도록 만들 수 있습니다.

대표적인 예로 프로필렌 하이드로포밀화 반응에서 인(P)에 의해 촉매가 중독된 후 로듐(Rh) 촉매 표면의 전자 밀도가 변화하여 생성되는 주 생성물이 n-부티알데히드에서 이소부티알데히드로 이동하는 것을 들 수 있으며, 이는 반응 중간체에 대한 인의 다른 안정화 효과로 인한 선택성의 변화입니다.

3. 표면 리모델링 및 기하학적 변화

촉매 표면에 독성 물질이 흡착되면 촉매 표면의 원자 또는 분자가 재배열 또는 리모델링되어 촉매 표면의 기하학적 구조가 변경되어 반응물 분자의 흡착 및 반응 경로에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 기하학적 변화는 특정 특정 반응에 대한 선택성의 감소 또는 완전한 상실로 이어질 수 있습니다.

피셔-트롭쉬 합성 반응에서는 장쇄 탄화수소 합성에 철(Fe) 촉매가 사용됩니다. 하지만 Fe 촉매의 표면이 황에 의해 오염되면 황 원자가 표면 리모델링을 일으켜 장쇄 탄화수소의 생성은 감소하고 메탄과 단쇄 탄화수소의 생성은 증가합니다. 이러한 선택성 변화는 표면의 활성 부위의 기하학적 구조가 변화하기 때문입니다.

그림 8 피셔-트롭쉬 공정의 개략적인 원리

4. 중간체의 안정성 변화

독성 물질의 존재는 촉매 표면에서 반응 중간체의 안정성을 변화시켜 특정 중간체의 탈착을 쉽게 하거나 생성을 어렵게 하여 반응의 최종 생성물 분포를 제한할 수 있습니다.

프로필렌 산화 반응에서는 몰리브덴(Mo) 촉매를 사용하여 아크롤레인을 생성하지만 촉매가 염소(Cl)에 의해 중독되면 염소가 반응 중간체(예: 프로필렌 산화물)의 안정성을 변경하여 아크롤레인 생성의 선택성이 감소하고 이산화탄소와 같은 불완전 산화 생성물의 생성이 증가합니다.

5. 전자 효과

독성 물질의 흡착은 촉매 표면의 전자 환경을 변화시켜 반응물의 흡착 에너지와 반응 에너지 장벽에 영향을 미칩니다. 특히 독성 물질이 강한 전기 음성성이거나 금속 표면과 전자 밀도 차이를 형성 할 수있는 경우이 전자 효과는 촉매의 반응 선택성을 크게 변화시킬 수 있습니다.

메탄올 부분 산화 반응에서는 금(Au) 촉매를 사용하여 포름알데히드를 생성하지만 산소(O2) 또는 산화물(예: 알루미나)이 존재하면 흡착된 산소 원자가 금 촉매 표면의 전자 밀도를 변화시켜 포름알데히드가 포름산 또는 이산화탄소로 더 산화되어 포름알데히드의 선택성을 감소시킵니다.

4.3 촉매 수명 단축

중독 현상은 특히 독성 물질이 촉매와 강하게 반응하여 안정된 화합물을 생성할 때 돌이킬 수 없는 경우가 많습니다. 이러한 비가역적 비활성화는 오랜 시간이 지나도 간단한 처리(예: 재생)로 촉매의 활성을 회복할 수 없으므로 촉매의 수명이 크게 단축된다는 것을 의미합니다.

또한, 독극물의 작용은 촉매의 표면 구조를 변화시키거나 촉매 입자의 응집 또는 소결을 유발하여 촉매의 안정성과 수명을 더욱 감소시킬 수 있습니다.

4.4 공정 비용 증가

독성 현상으로 인해 촉매 활성과 수명이 감소하면 공정에서 촉매를 더 자주 교체하거나 재생해야 하므로 생산 비용이 증가합니다. 또한, 독성화의 영향을 줄이기 위해 반응 전에 탈황 및 탈인산화와 같은 복잡한 공급 원료 전처리가 필요할 수 있으므로 운영 비용과 장비 투자가 더욱 증가합니다.

5 촉매 중독을 해결하기 위한 조치

5.1 촉매 수정

1. 합금화: 합금은 귀금속과 다른 금속을 결합하여 향상된 특성을 가진 합금 촉매를 형성하는 것입니다. 이 방법은 촉매의 독성에 대한 저항성을 개선하는 데 효과적입니다. 예를 들어 팔라듐(Pd)은 황 및 질소 화합물에 대한 내성을 향상시키기 위해 금(Au) 또는 은(Ag)과 같은 다른 금속과 합금됩니다.

황화물은 특히 석유 정제 및 화학 공정에서 흔히 발생하는 촉매 독성 물질 중 하나입니다. 팔라듐(Pd)을 금(Au) 또는 은(Ag)과 합금하면 황화물에 대한 촉매의 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 팔라듐-금 합금 촉매는 금의 존재가 촉매 표면의 전자 구조를 변경하고 황 흡착을 감소시켜 중독 속도를 늦추기 때문에 순수 팔라듐 촉매에 비해 황화물 중독에 더 높은 저항성을 제공합니다.

질화물은 특히 암모니아 합성 및 탈질 반응에서 촉매 중독의 주요 원인 중 하나이기도 합니다. 팔라듐을 구리 Cu 또는 백금 Pt와 같은 다른 금속과 합금하면 질화물에 대한 촉매의 내성을 개선할 수 있습니다. 합금은 촉매 표면의 전자 밀도와 형상을 조정하고 질산염의 흡착 강도를 낮추며 촉매의 비활성화를 지연시킬 수 있습니다.

2. 표면 수정: 귀금속 촉매 표면에 산화물 또는 탄소층을 추가하는 등 촉매 표면을 수정하여 독극물이 활성 부위에 직접 접촉하는 것을 방지합니다. 예를 들어 산화물 코팅 및 탄소층 수정이 있습니다.

귀금속 촉매 표면에산화알루미늄(Al2O3) 또는 이산화규소(SiO2)와 같은 산화물 코팅을 추가하면 촉매의 독성에 대한 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 팔라듐 촉매 표면에 알루미나 코팅을 하면 황화물과 팔라듐 표면의 활성 부위와의 접촉을 효과적으로 차단하여 팔라듐 촉매의 황화물 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 산화물 코팅은 추가적인 산성 또는 염기성 부위를 제공하여 촉매의 선택성과 활성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

귀금속 촉매의 표면에 탄소층을 추가하는 것도 효과적인 표면 개질 방법입니다. 탄소층은 흡착과 차폐를 통해 독성 물질이 촉매의 활성 부위와 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있습니다. 예를 들어 팔라듐 촉매 표면에 그래핀 또는 활성탄 층을 증착하면 황화물과 질화물에 대한 내성을 개선하면서 우수한 촉매 활성을 유지할 수 있습니다. 탄소층 개질은 촉매의 독성에 대한 내성을 향상시킬 뿐만 아니라 열 안정성과 기계적 강도도 향상시킵니다.

5.2 원료 전처리

공급 원료 전처리는 귀금속 촉매 중독을 방지하는 핵심 단계입니다. 효과적인 탈황, 탈인화 및 탈질 처리를 통해 촉매에 대한 독의 영향을 크게 줄이고 촉매의 수명을 연장할 수 있으며 효율적인 촉매 성능을 유지할 수 있습니다.

1. 탈황: 탈황은 황화물에 의한 촉매의 중독을 방지하기 위해 반응 전에 공급 원료에서 황화물을 제거하는 것을 말합니다. 황화물은 특히 석유 정제 및 화학 생산에서 흔히 발생하는 촉매 독성 중 하나로, 촉매 표면의 활성 부위와 반응하여 촉매 비활성화로 이어집니다. 수소 탈황은 수소가 포함된 수소화 가스를 사용하여 고온, 고압에서 황화물과 반응하여 황화물을 황화수소(H₂S)로 전환하여 공급 원료에서 황화수소를 제거하는 일반적인 탈황 기술입니다. 이 방법은 공급 원료에서 메르캅탄, 티오에테르, 티오에스테르와 같은 유기 황 화합물을 효과적으로 제거하여 이러한 황화물이 촉매에 미치는 독성 영향을 줄입니다.

그림 9 수소 탈황 공정

2. 탈인산화: 인화물은 또한 촉매 중독의 주요 원인 중 하나이며, 특히 특정 촉매 반응에서 인화물은 촉매 표면과 반응하여 활성 부위의 고장으로 이어집니다. 따라서 원료를 탈인화하기 위해 탈인화제를 사용하는 것이 매우 필요합니다. 탈인산화제는 원료에서 인화물을 제거하기 위해 특별히 고안된 화학 시약입니다. 탈인산화제는 원료의 인화물과 반응하여 원료에 녹지 않는 고체 침전물을 형성하여 이를 제거합니다. 예를 들어, 일부 산업 공정에서는 칼슘 기반 탈인화제를 사용하여 인산염과 반응하여 인산칼슘 침전물을 형성하여 탈인화 목적을 달성할 수 있습니다.

3. 탈질화: 질소 함유 화합물은 특히 석유화학 및 유기 합성 반응에서 촉매 중독의 중요한 원인 중 하나이며, 질소 화합물은 촉매의 활성 부위와 결합하여 촉매 비활성화로 이어집니다. 이를 방지하려면 공급 원료의 탈질화가 필요합니다. 질소 함유 화합물은 특히 석유화학 및 유기 합성 반응에서 촉매 중독의 중요한 원인 중 하나이며, 질화물은 촉매의 활성 부위와 결합하여 촉매 비활성화로 이어집니다. 이러한 상황을 방지하려면 원재료의 탈질화가 필요합니다.

5.3 반응 조건 최적화

1. 반응 온도 제어: 반응 온도는 촉매의 활성과 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 반응물과 중간체의 흡착 및 탈착 거동과 독성 물질의 생성 속도는 온도 조건에 따라 달라집니다. 반응 온도를 최적화하면 독성 물질의 생성 및 흡착을 줄일 수 있습니다. 더 낮은 온도에서 반응을 수행하면 특정 독성 부산물의 생성을 줄일 수 있습니다. 많은 독성 물질(예: 황화물, 인화물)은 고온에서 더 쉽게 형성되며, 반응 온도를 낮추면 이러한 부산물의 형성을 억제할 수 있습니다. 예를 들어, 수소탈황(HDS) 공정에서는반응 온도를 낮춰 황화물 중독으로부터 촉매를 보호함으로써 황화수소(H₂S)의 생성을줄일 수 있습니다. 낮은 온도는 촉매 표면의 독성 물질 흡착을 줄이는 데 도움이 됩니다. 온도가 높으면 반응물과 독극물의 운동 에너지가 증가하여 촉매 표면의 활성 부위와 강하게 화학 반응하여 촉매 중독으로 이어질 수 있습니다. 반응 온도를 제어함으로써 독극물의 흡착을 줄이고 촉매의 활성 주기를 연장할 수 있습니다.

2. 수소 압력 제어: 수소화 반응에서 수소 압력은 반응 속도와 촉매 선택성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 파라미터입니다. 수소 압력을 최적화하면 과도한 수소화 및 독극물 형성을 효과적으로 줄일 수 있으므로 귀금속 촉매를 중독으로부터 보호할 수 있습니다. 수소화 반응에서 수소 압력이 너무 높으면 반응물이 과도하게 수소화되고 원치 않는 완전 수소화 생성물이 생성될 수 있습니다. 예를 들어 알킨의 부분 수소화 반응에서 수소 압력이 너무 높으면 알킨이 목표 생성물인 올레핀 대신 알칸으로 과도하게 수소화될 수 있습니다. 수소 압력을 제어하면 반응물의 수소화 정도를 정밀하게 조절하여 과수소화를 방지함으로써 반응 선택성을 개선하고 촉매 활성을 보호할 수 있습니다. 수소 압력은 독극물 생성에도 영향을 미칩니다. 일부 반응에서 과도한 수소 압력은 부반응의 발생과 독성 부산물 생성을 촉진할 수 있습니다. 예를 들어 메탄의 부분 산화에서 과도한 수소 압력은 포름알데히드가 포름산 또는 이산화탄소로 추가 산화되어 촉매에 대한 독성 독성을 증가시킬 수 있습니다. 수소 압력을 최적화하면 이러한 부반응의 발생을 억제하고 독성 물질의 형성을 줄이며 촉매의 활성을 보호할 수 있습니다.

5.4 촉매 재생

촉매 재생은 귀금속 촉매의 중독을 방지하는 과정에서 중요한 부분입니다. 촉매는 사용 과정에서 필연적으로 독극물에 의해 오염되며, 이는 촉매 활성의 감소로 이어집니다. 적절한 재생 기술을 통해 촉매 표면의 독을 제거하고 촉매 성능을 회복할 수 있습니다.

그림 10 재생 전과 후의 다양한 촉매의 외관 비교

1. 화학적 재생: 산화 또는 환원 처리와 같은 화학적 방법으로 촉매 표면의 독성 물질을 제거합니다. 이 방법에는 일반적으로 산화 처리와 환원 처리가 포함됩니다.

산화 처리는 산소 또는 기타 산화제를 도입하여 촉매 표면의 유기 독성 물질 또는 기타 산화 가능한 물질을 산화 및 분해하여 촉매 표면의 독성 물질을 제거합니다. 예를 들어 탄화수소로 오염된 촉매의 경우 공기나 산소를 고온으로 주입하여 표면의 탄화수소를 이산화탄소와 물로 산화시켜 독성을 제거할 수 있습니다.

환원 처리는 환원 독극물에 오염된 촉매에 수소와 같은 환원제를 도입하여 촉매의 활성을 회복하는 방식으로 이루어집니다. 예를 들어 황화물에 오염된 팔라듐 촉매는 수소 분위기에서 환원 처리하여 표면의 황화 팔라듐을 금속 팔라듐과 황화수소 기체로 변환하여 독을 제거하고 촉매의 활성을 회복할 수 있습니다.

2. 열처리 재생: 고온 로스팅을 통해 촉매 표면의 유기 독이나 코크스 침전물을 제거하여 촉매 활성을 회복합니다. 이 방법에는 로스팅과 열분해 처리가 포함됩니다.

고온 로스팅은 촉매를 고온에서 처리하여 열분해 또는 연소를 통해 표면의 유기 독극물이나 탄소 침전물을 제거하는 것입니다. 예를 들어 코크스 침전물에 의해 오염된 촉매의 경우 촉매를 고온에서 로스팅하여 표면의 코크스를 태워 독을 제거하고 촉매의 활성을 회복시킬 수 있습니다. 촉매의 특성과 독극물의 종류에 따라 로스팅 온도와 시간을 최적화해야 촉매 구조를 손상시키지 않고 독극물을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

열분해 처리는 촉매 표면의 유기 독극물을 고온에서 휘발성 생성물로 분해하여 독극물을 제거합니다. 예를 들어 유기 인산염에 의해 오염된 촉매의 경우 고온에서 열분해 처리를 수행하여 인화물을 기체 생성물로 분해하여 독을 제거하고 촉매의 활성을 회복할 수 있습니다.

5.5 선택적 독성 억제제 사용

반응 시스템에 보조 촉매를 추가하는 것도 귀금속 촉매를 보호하는 데 효과적일 수 있습니다. 예를 들어, 소량의 금속 산화물을 첨가하면 독성 물질을 흡착하거나 전환하여 촉매의 활성을 보호할 수 있습니다. 팔라듐 촉매 시스템에서 소량의 란탄(La) 또는 세륨(Ce) 산화물을 첨가하면 촉매의 황 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이러한 금속 산화물은 독성 물질과 반응하여 귀금속 촉매에 결합하는 것을 방지하여 촉매의 수명을 연장하고 효율을 유지합니다.

5.6 고급 촉매 설계

1. 코어-쉘 촉매: 코어-쉘 촉매는 활성 금속 코어가 안정적인 쉘 층 안에 캡슐화되어 있는 촉매 설계입니다. 코어-쉘 촉매는 코어(활성 금속)와 쉘(보호층)로 구성됩니다. 쉘은 일반적으로 메조 다공성 실리카 산화물, 탄소 재료 또는 알루미나와 같이 독성에 대한 저항성이 좋은 안정적인 재료로 만들어집니다. 쉘 재료는 적절한 기공 크기와 채널을 설계하여 반응물이 코어의 활성 부위에 도달할 수 있도록 하는 동시에 고분자 독성 물질의 유입을 차단합니다. 이러한 구조적 설계는 활성 금속 코어가 반응물과 접촉할 때 미세 기공 또는 나노 채널을 통해서만 통과하도록 하여 독극물이 활성 금속 표면에 직접 접촉하여 흡착되는 것을 효과적으로 방지합니다. 예를 들어 팔라듐(Pd)의 경우, 팔라듐 코어가 메조다공성 실리콘 산화물(SiO2)로 캡슐화된 촉매는 독성에 대한 저항성이 훨씬 더 높을 수 있습니다. 이 구조에서 팔라듐 핵은 효율적인 촉매 활성을 제공하고, 메조다공성SiO2 쉘 층은 기공 크기 선택성을 통해 저분자 반응물은 팔라듐 핵으로 유입되어 반응하는 동시에 큰 분자 독성을 차단하여 팔라듐 핵 중독을 효과적으로 방지합니다.

그림 11 Pt-Pd 코어-쉘 촉매의 구조

2. 단원자 촉매: 단원자 촉매는 담체 표면에 활성 금속 원자를 고도로 분산시켜 각 활성 부위가 단일 원자가 되도록 만든 촉매입니다. 이 고도로 분산된 구조는 금속 원자의 사용을 극대화하고 촉매의 활성과 선택성을 크게 증가시킵니다. 동시에 각 금속 원자가 독립적으로 존재하기 때문에 독극물이 표면에 응집하기 어렵기 때문에 촉매 중독의 위험이 줄어듭니다. 예를 들어, 단일 원자 팔라듐 촉매는 질소가 도핑된 탄소 캐리어에 고도로 분산될 수 있습니다. 각 팔라듐 원자는 강력한 상호작용을 통해 질소가 도핑된 부위에서 안정화되며, 이러한 설계는 촉매 활성을 향상시킬 뿐만 아니라 독성에 대한 촉매의 저항성도 크게 향상시킵니다. 독극물이 개별 팔라듐 원자 주위에 응집하기 어렵기 때문에 촉매는 독성에 대한 내성이 훨씬 더 강해집니다.

5.7 친환경 촉매 공정

기존 촉매의 독성 문제를 줄이기 위해 다음과 같은 구체적인 조치를 취할 수 있습니다. 첫째, 독성 유기 용매 대신물이나 초임계CO₂와같은 친환경 용매를 사용하여 독극물이 촉매에 미치는 중독 효과를 줄이세요. 이는 반응의 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 환경 오염을 줄이는 데도 도움이 됩니다. 둘째, 효소 촉매나 광촉매와 같은 새로운 기술의 연구 개발과 같은 새로운 촉매 시스템을 개발합니다. 효소 촉매는 생물학적 효소의 높은 선택성과 효율성을 통해 친환경 화학 반응을 실현하며, 광촉매는 빛 에너지를 사용하여 반응 과정을 구동하고 기존 촉매의 중독 문제를 방지합니다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 반응의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 환경과 건강에 미치는 부정적인 영향도 줄여줍니다.

6 결론

귀금속 촉매는 효율적인 촉매 성능과 광범위한 응용 분야로 인해 화학 산업, 에너지 전환, 환경 보호 분야에서 대체 불가능한 역할을 하고 있습니다. 그러나 촉매의 독성은 장기적으로 안정적인 작동과 적용 효과를 심각하게 제한합니다. 귀금속 촉매의 메커니즘과 중독 현상의 원인에 대한 심층적 인 연구를 통해 촉매의 중독 방지 능력과 수명을 개선하기 위해 다양한 조치를 취할 수 있습니다.

첫째, 합금 및 표면 개질과 같은 촉매 개질은 촉매의 중독 방지 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 공급 원료 전처리 및 반응 조건 최적화를 통해 독성 물질의 생성 및 흡착을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 또한 촉매 재생과 선택적 독성물질 억제제의 사용은 촉매 활성을 회복하고 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 코어-쉘 구조 촉매 및 단일 원자 촉매와 같은 고급 촉매 설계는 중독 방지를 위한 새로운 경로를 제공합니다. 마지막으로, 친환경 촉매 공정의 적용은 독성 문제를 줄이는 데 기여할 뿐만 아니라 지속 가능한 개발 과정을 촉진합니다.

결론적으로, 귀금속 촉매의 성능과 수명은 이러한 전략을 결합하여 적용함으로써 크게 향상될 수 있으며, 산업 생산에서 효율적이고 안정적이며 환경 친화적인 촉매에 대한 수요를 충족시킬 수 있습니다. 향후 연구는 다양한 분야에서 귀금속 촉매의 광범위한 응용을 더욱 촉진하기 위해 새로운 중독 방지 촉매 및 친환경 촉매 기술 개발에 계속 전념해야 합니다.

관련 자료

귀금속 촉매의 응용 분야: 분말과 펠릿 인사이트

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