귀금속 촉매에 대한 비교 인사이트: 분말 형태와 펠릿 형태

1 소개

귀금속 촉매는 독특한 전자 구조와 화학적 안정성으로 인해 화학 산업의 많은 반응 공정에 필수적입니다. 귀금속 촉매는 선택성, 시너지 효과, 안정성 측면에서 뛰어난 성능을 발휘하며 특히 두 가지 중요한 산업 반응기인 케틀 반응과 고정층 반응에서 핵심적인 역할을 합니다. 귀금속 촉매의 입자 크기와 모양은 반응 효율과 생성물 선택성에 큰 영향을 미치므로 효율적인 촉매 공정을 달성하려면 이러한 매개변수를 이해하고 최적화하는 것이 필수적입니다.

귀금속 촉매의 2가지 특성

귀금속 원자는 가장 바깥층에 있는 d전자로 인해 특별한 활동을 합니다. 이는 산소와 수소 원자를 쉽게 결합하여 공유 결합을 형성함으로써 원래의 산화 및 환원 과정을 더 쉽게 수행할 수 있다는 점에 반영됩니다. 따라서 귀금속 모노머, 산화물 및 복합체를 촉매로 사용할 수 있습니다. 효과 측면에서 귀금속 촉매는 선택적이고 시너지 효과가 있으며 안정적입니다.

1. 선택성: 촉매 반응에는 일반적으로 여러 가지 가능한 반응 경로와 생성물 생성 경로가 있습니다. 촉매의 선택성은 서로 다른 경로의 에너지 장벽에 차이를 만들고 주어진 반응 조건에서 생성되는 주요 생성물과 그 상대적 비율을 결정합니다. 동일한 반응에 대해 다른 귀금속 촉매를 사용하면 다른 생성물과 해당 비율이 생성되며, 동일한 귀금속 촉매를 사용하면 다른 반응을 촉매하여 다른 결과를 얻을 수 있습니다.

2. 시너지 효과: 귀금속 촉매는 서로 조합하여 사용할 수 있으므로 촉매 반응의 활성을 크게 높일 수 있습니다. 또한 귀금속과 다른 금속은 형태와 비율이 다른 이진 또는 다중 합금을 형성 할 수있어 사용되는 귀금속의 양을 줄일 수있을뿐만 아니라 촉매 반응의 선택성과 서비스 수명을 향상시킬 수 있습니다. 또한 귀금속 촉매를 다른 담체와 함께 사용하면 다른 준비 방법으로 얻은 촉매 성능이 크게 달라집니다. 귀금속 촉매의 시너지 효과로 인해 그 사용 범위와 연구 분야도 풍부하고 다채롭습니다.

3. 안정성: 귀금속은 본질적으로 화학적으로 안정적이며 쉽게 산화되지 않고 일반 산과 염기에 의해 부식되지 않습니다. 또한 녹는점이 높고 열 안정성이 우수하며 대부분의 반응 조건에서 특성 변화를 일으키지 않습니다. 귀금속은 정상적인 조건에서 할로겐화물이나 황화물이 형성되기 쉽지 않으므로 쉽게 중독되지 않습니다. 귀금속은 황이나 CO의 흡착에 의해 잠시 비활성화될 수 있지만 특정 조건에서 흡착이 제거되고 다시 활성화될 수 있으며 안정한 카르보닐 화합물이나 황화물의 형성으로 인해 영구적으로 비활성화되지는 않습니다. 반면에 귀금속 촉매의 안정성은 용출이 쉽지 않고 회수하기 어렵다는 단점도 있습니다.

4. 촉매 활성: 촉매의 촉매 효율을 측정하는 가장 중요한 특성입니다. 일반 촉매에 비해 귀금속 촉매의 활성은 일반적으로 우수합니다. 귀금속은 특수한 전자 구조와 격자 형태로 인해 촉매 반응에서 매우 활성적인 표면 활성 부위를 제공할 수 있습니다. 이러한 활성 부위는 반응물을 흡착 및 활성화하고 반응물 사이의 에너지 장벽을 낮추어 반응 속도를 가속화할 수 있습니다. 귀금속의 촉매 활성과 높은 선택성 및 안정성이 결합되어 반응 공정에 대한 촉매 성능이 일반 촉매보다 훨씬 우수합니다.

그림 1 촉매 작용 메커니즘

3 반응기 기술: 케틀 및 고정층 시스템

3.1 케틀 반응기: 기능 및 촉매 사용

반응 주전자라고도 하는 케틀 반응기는 반응 공정을 실현하기 위한 일종의 장비입니다. 액상의 단상 반응 공정과 액체-액체, 기체-액체, 액체-고체, 기체-액체-고체 등의 다상 반응 공정을 실현하는 데 사용됩니다. 일반적으로 반응기의 크기가 상대적으로 크고 반응 물질의 양이 많습니다. 반응 물질 반응과 완전히 접촉하기 위해 장치는 종종 교반 (기계적 교반, 기류 교반 등) 장치, 높은 직경이 상대적으로 크며 다층 교반 패들에 사용할 수 있습니다. 케틀 반응기는 반응 공정의 고온과 압력을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 이 과정에서 재료는 가열 또는 냉각이 필요할 수 있습니다. 이러한 온도 제어는 반응기 벽에 재킷을 설치하거나 장치 내에 열 교환 표면을 설치하여 달성할 수 있습니다. 또한 외부 순환을 열 교환에 사용하여 필요에 따라 온도를 제어하고 조정할 수 있습니다.

그림 2 리액션 케틀 구조 도식

반응기의 종류는 작동 모드에 따라 배치 반응기와 연속 반응기로 나눌 수 있습니다. 배치 반응기는 원료를 일정 비율로 반응기에 한 번 투입하고 반응이 일정 요건에 도달하면 원료를 한 번 배출하는 방식이며, 연속 운전 반응기는 원료를 지속적으로 투입하고 반응 생성물을 지속적으로 배출하는 방식입니다.

배치 반응기: 배치 반응기는 작동이 유연하고 다양한 작동 조건 및 제품 품종에 쉽게 적응할 수 있으며 소량 배치, 다품종 및 제품 생산의 긴 반응 시간에 적합합니다. 동시에 대부분의 반응에 유리한 물질의 혼합이 없습니다. 단점은 로딩 및 언로딩과 같은 보조 작업이 필요하고 제품 품질이 안정화되기 쉽지 않다는 것입니다.

연속 반응기: 연속 반응기의 장점은 안정적인 제품 품질과 운영 및 제어의 용이성입니다. 단점은 대부분의 반응에 불리한 혼합 백의 정도가 다르며 반응기의 합리적인 선택과 구조 설계를 통해 억제해야한다는 것입니다.

3.2 고정층 반응기: 성능 및 촉매 역할

고정층 반응기는 입상 고체 촉매 또는 고체 반응물로 채워진 반응기를 말하며, 고정된 고정층을 통해 입자 갭 흐름을 통해 일정 높이의 적층층, 기체 또는 액체 물질을 동시에 형성하여 비균질 반응 공정을 달성합니다. 일종의 이질적인 촉매 반응기입니다. 이러한 유형의 반응기는 장비에 채워진 고체 입자가 고정되어 있는 것이 특징이며, 이동층 및 유동층 반응기라고도 하는 장비 이동의 고체 물질과는 다른 고체 입자가 충전층 반응기라고도 합니다. 고정층 반응기는 암모니아 산업의 고정 반수 가스 발생기 및 수처리의 고정층 이온 교환 컬럼과 같은 기체-고체상 반응 및 액체-고체상 반응 공정에 널리 사용됩니다.

그림 3 고정층 반응기의 두 가지 유형에 대한 개략적인 표현: 축상 반응기와 방사형 반응기

고정층 반응기의 장점은 역혼합이 적고, 유체와 촉매의 효과적인 접촉, 반응에 직렬 측 반응이 동반될 때 높은 선택성 등이 있습니다. 또한 촉매가 반응기에 고정되어 있기 때문에 이동상 반응에서 촉매의 기계적 손실이 주전자 반응보다 적습니다. 그러나 동시에 고정층 반응기의 열 전달이 열악하고 반응 발열 열이 매우 큰 경우 튜브 반응기에서도 비행 온도 (반응 온도가 제어되지 않고 허용 범위를 넘어 급격히 상승하는 현상을 말함)가 발생할 수 있습니다. 고정층 반응기 작동 공정에서 촉매는 교체 할 수 없으며, 촉매는 일반적으로 반응의 빈번한 재생이 필요하며, 종종 유동층 반응기 또는 이동층 반응기로 대체됩니다.

고정층 반응기에는 세 가지 기본 형태가 있습니다. 하나는 축 단열 고정층 반응기입니다. 유체는 축 방향으로 위에서 아래로 베드를 통해 흐르며, 베드와 외부 세계 사이에는 열 교환이 없습니다. 두 번째는 방사형 단열 고정층 반응기입니다. 유체는 원심력 또는 구심력이 될 수있는 방사형 방향으로 베드를 통해 흐르며 베드와 외부 세계 사이에는 열 교환이 없습니다. 방사형 반응기와 축 방향 반응기는 유체 흐름의 거리가 짧고 흐름 채널의 단면적은 더 크며 유체의 압력 강하가 더 작습니다. 그러나 방사형 반응기의 구조는 축 방향 반응기보다 더 복잡합니다. 위의 두 가지 형태는 단열 반응기이며 반응 열 효과에 적용 할 수 있거나 반응 시스템이 때때로 온도 변화의 반응 열 효과로 인한 단열 조건을 견딜 수 있습니다. 세 번째는 병렬로 연결된 여러 개의 반응 튜브로 구성된 컬럼 튜브 고정층 반응기입니다. 촉매는 튜브 내부 또는 튜브 사이에 배치되고 열 운반체는 튜브 또는 튜브 내부를 통해 가열 또는 냉각되며 튜브의 직경은 일반적으로 25 ~ 50mm이며 튜브의 수는 수만 개에 달할 수 있습니다. 튜브 고정층 반응기는 열 효과가 큰 반응에 적합합니다. 또한 다단 고정층 반응기라고 하는 위의 기본 형태의 반응기 직렬 조합도 있습니다. 예를 들어, 반응 열 효과가 크거나 섹션의 온도를 제어해야하는 경우, 최적의 온도 조건에 가깝게 작동하기 위해 다단 단열 고정층 반응기, 반응기 사이의 열교환 기 또는 보조 재료에 직렬로 하나 이상의 단열 반응기를 배치하여 온도를 조절할 수 있습니다.

4 원자로 기술에서 귀금속 촉매의 적용

4.1 케틀 반응기의 분말 형태

화학 생산에서 귀금속 촉매는 효율적인 촉매 활성과 선택성으로 인해 다양한 화학 반응에 널리 사용됩니다. 특히 케틀 반응기에서 귀금속 촉매는 분말 형태로 존재하여 비표면적이 넓어 반응물과 촉매 사이의 접촉이 더 적절하게 이루어져 반응 속도가 빨라집니다. 고도로 분산된 귀금속 분말 촉매는 수소화, 카르보닐화 및 결합 반응과 같은 많은 유기 합성 반응에 널리 사용됩니다. 이러한 촉매는 일반적으로 귀금속 전구체 용액과 담체를 혼합한 후 환원 처리하여 제조합니다. 이러한 분말 촉매는 분산성이 높고 비표면적이 넓기 때문에 케틀 반응에서 뛰어난 촉매 성능을 발휘합니다. 귀금속 활용의 효율성을 더욱 향상시키기 위해 과학자들은 단일 원자 촉매를 개발했습니다. 이러한 촉매는 비표면적이 큰 캐리어에 개별 귀금속 원자를 고도로 분산시켜 매우 높은 촉매 효율과 낮은 귀금속 사용량을 달성합니다. 수소화 및 산화와 같은 액체상 반응에서 단일 원자 촉매는 기존 나노 촉매와 비슷하거나 더 나은 성능을 보여줍니다.

대표적인 예가 황산 제조를 위한 접촉법입니다. 1831년 필립스는 백금을 촉매로 사용하여 이산화황과 산소의 반응을 가속화하여 삼산화황을 형성하는 접촉법으로 알려진 새로운 황산 제조 방법을 제안했습니다. 이 방법은 일찍이 제안되었지만 독일 화학자 마이젤의 노력으로 1875년에 이르러서야 접촉법이 산업화되었습니다. 이 발전은 귀금속 촉매를 산업적으로 대규모로 적용한 최초의 사례이며 황산의 생산성과 순도를 크게 향상시켰습니다. 접촉 방식의 실현은 황산 생산의 효율성과 품질을 향상시켰을 뿐만 아니라 당시 산업 기술에도 큰 영향을 미쳤습니다. 이 공정은 반응 물질과 촉매 사이의 완전한 접촉에서 분리 될 수 없었으며, 이는 이후 산업 공정에서 다상 촉매를 실현하기위한 일반적인 아이디어이기도합니다.

그림 4 현재 접촉 방식 황산 공정 흐름

4.2 고정층 반응기의 펠릿 형태

에틸렌의 기체상 산화에 의한 비닐 아세테이트 합성은 고정층 반응기 장치를 사용하여 생산됩니다. 이 과정에서 연구자들은 귀금속 산화 촉매의 활성층을 체계적으로 분석하고 입자 이형화 기법과 고정층 반응기에 대한 전반적인 최적화를 탐구했습니다. 이는 고정층 반응기에서 촉매 입자의 모양과 구조를 변경함으로써 반응의 효율과 선택성을 개선할 수 있음을 시사합니다. 로드된 Pd-Au 촉매는 에틸렌의 기체상 산화에 의한 비닐 아세테이트 합성에 일반적으로 사용되는 촉매 중 하나입니다. 이 연구에서 촉매의 활성을 평가하기 위해 연구자들은 고정층 반응 장치를 조립하고 다양한 반응 조건이 촉매 성능에 미치는 영향을 연구합니다. 예를 들어, Au/Pd 비율은 촉매의 무수율과 선택성에 큰 영향을 미칩니다. Au/Pd 비율이 0.86일 때, Pd-Au/4A 촉매는 더 나은 성능을 보였습니다. 적합한 촉매 입자 크기는 고정층에서 에틸렌 가스상 산화 합성을 위한 중요한 조건이기도 합니다. 비닐 아세테이트의 에틸렌 가스상 합성에 적합한 촉매 담체는 일반적으로 약 3-7mm의 입자 크기를 가지며, 이는 촉매가 우수한 기계적 강도와 낮은 압력 강하를 보장하고 동시에 고정층 반응기에서의 충전 및 반응을 용이하게합니다. 적절한 입자 크기의 촉매에 대해 50-800 m²/g의 최적 비표면적이 더 많은 활성 부위를 제공하여 촉매 효과를 향상시키는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다.

그림 5 로드된 Au-Pd 촉매의 개략적인 합성 전략

4.3 촉매 입자 크기가 적용에 미치는 영향

케틀 반응기에서는 효율적인 반응을 위해 반응물과 촉매 사이의 적절한 접촉을 보장하기 위해 균일하게 분산된 촉매가 필요한 경우가 많습니다. 촉매 효율 측면에서 분말 형태의 촉매는 표면적이 넓기 때문에 같은 부피에 더 많은 활성 부위를 제공하여 반응 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한 케틀 반응기는 일반적으로 액체상 또는 기체-액체상 반응에 사용되며, 분말 형태의 촉매는 액체 또는 기체와 더 쉽게 혼합할 수 있어 반응을 촉진할 수 있습니다. 작동 관점에서 케틀 반응기는 일반적으로 분말 형태의 촉매와 반응물의 혼합이 더 자유롭고 고정 된 구조에 의해 제한되지 않는 배치 또는 반 연속 작동 공정에 사용됩니다. 반응 조건을 고려할 때 분말 귀금속 촉매는 반응 매질에 더 고르게 분산되어 반응 온도와 열 분포를 더 잘 제어하고 국부적 과열을 방지하는 데 도움이됩니다.

고정층 반응기에서 촉매는 일반적으로 반응기 내부의 캐리어에 고정되어 촉매층을 형성합니다. 입상 촉매는 고정층을 더 쉽게 채울 수 있고 촉매 안정성과 기계적 강도를 보장하며 우수한 유체 역학적 특성을 제공하기 때문에 이러한 상황에 더 적합합니다. 운영 관점에서 고정층 반응기는 일반적으로 연속 운전 공정에 사용되며, 입상 촉매는 고정화가 용이하고 연속 운전 중 안정성이 용이합니다. 또한 고정층 반응기의 촉매는 움직이지 않기 때문에 반응의 생성물이 별도의 분리 단계 없이 촉매층에서 직접 흘러나올 수 있습니다.

반응 조건을 고려할 때 고정층 반응기는 촉매 입자를 압축하여 반응기 내 공극을 줄여 반응 효율을 향상시킬 수 있기 때문에 고압 반응 조건에 적합합니다.

그림 6 다양한 입자 크기에 따른 촉매-입자 접촉 모식도

5 결론

귀금속 촉매는 화학 반응에서 높은 활성, 선택성 및 열 안정성을 나타내므로 화학 제조 공정의 핵심입니다. 케틀 및 고정층 반응에 사용되는 귀금속 촉매는 광범위한 적용 가능성을 보여줄 뿐만 아니라 촉매 설계 및 반응기 선택을 통해 반응 성능을 최적화하는 것이 중요하다는 점을 강조합니다. 특히 에틸렌의 기체상 산화에 의한 비닐 아세테이트 합성과 같은 주요 화학 공정에서 귀금속 촉매의 합리적인 선택과 설계는 반응 효율과 제품 품질을 개선하는 데 핵심적인 요소입니다. 또한 귀금속 촉매의 입자 크기와 모양은 반응물의 접촉 효율과 촉매 활성에 직접적인 영향을 미치므로 과학자와 엔지니어는 최적의 반응 성능을 달성하기 위해 이러한 매개 변수를 정밀하게 제어해야 합니다. 귀금속 촉매의 많은 장점에도 불구하고, 귀금속 촉매의 회수 및 재활용은 여전히 해결해야 할 주요 과제로 남아 있으며, 이를 위해 추가적인 연구와 기술 혁신이 필요합니다. 결론적으로, 현대 화학 산업에서 귀금속 촉매의 사용은 계속해서 확대되어 새로운 기회와 도전 과제를 제시할 것입니다. 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM)는 고객의 요청에 따라 맞춤 제작할 수 있는 다양한 고품질, 고순도 귀금속 촉매 제품을 전문적으로 제공합니다. 제품 목록을 살펴보거나 지금 바로 문의하시면 SAM의 전문가가 도와드릴 것입니다.

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