4.3. [Cu-Ce] 비에 따른 졸-겔 촉매의 비교

이번 실험은 졸-겔법으로 제조한 촉매는 앞 절에서 확인한 가수분해비([H2O]/[ATSB])를 5/1로 하고 Cu-Ce의 무게 비를 20wt%로 고정시킨 후 각 함유량에 달리하여 각각 촉매를 제조하여 촉매활성을 비교하여 보았다. 제조한 모든 촉매는 500℃에서 5 시간 동안 소성과정을 거쳤다.

Cu-Ce의 함유량을 3:17 wt%, 4:16 wt%, 5:15 wt%로 각각 변화시킨 Cat. B, Cat. C, Cat. D를 이용하여 PROX 반응에 실험한 결과 CO의 전환율, O2 소비율, 선택도를 Fig. 13, 14, 15에 나타내었다. 실험 결과 이들 촉매 중 Cu-Ce [4:16wt%]인 Cat. D가 CO의 전환율과 선택도에서 우위를 보임을 알 수 있었다. Fig. 13에서 Cat. D는 반응온도가 130~250℃에서 Cat. B나 Cat. C보다 우수한 CO 전환율을 보임으로써 졸-겔법으로 제조된 촉매의 Cu-Ce의 함유변화에 따라 활성에 차이가 있는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 Fig. 14에 의하면 Cu-Ce[3:17wt%]인 Cat. B의 O2 소비율이 높음 볼 수 있는데 이것은 촉매의 Ce의 함유량이 많아질수록 Ce 자체가 갖는 높은 산소 흡착량 때문에 촉매의 원하는 반응인 CO 산화반응은 물론 물 합성 반응까지 산소가 사용되어 O2 소비율이 증가한 것으로 생각된다. 반면 Ce 함유량이 상대적으로 적은 Cat. B는 실제 반응에 필요로 하는 산소 양을 충분히 흡착하지 못해 CO의 산화반응의 활성을 저하된 것으로 보인다[32]. 이에 따라 본 실험 결과 Cu-Ce[4:16wt%]인 Cat. D가 CO의 전환율과 선택도에서 우수한 성능을 보였고, 반응온도 150℃에서 CO 전환율이 약 90%과 선택도는 약 60%를 보였다.

본 실험은 Cu-Ce의 비에 따른 활성변화를 보기 위하여 실험을 하였으나, 본 실험범위에서 Cu-Ce의 비에 따른 현저한 변화는 발견할 수 없었다.

 

가스크로마토그래피(gas chromatography) : GC로 약기. 이동상에 기체를 사용하는 크로마토그래피의 총칭. 고정상은 액체(액상물질) 또는 고체를 사용하는데, 전자를 기액크로마토그래피(GLC), 후자를 기고크로마토그래피(GSC)라고 한다. 전자는 고정상을 액상이라고도 하는데, 일반적으로는 고온에서 액상화하는 합성중합체를 사용한다. 액상에 대한 시료의 용해성의 차이에 따라 분리하기 때문에, 분배크로마토그래피로도 분류한다. 후자는 고정상을 고상이라고도 하며, 다공질고체를 사용한다.

고상에 대한 시료의 흡착성의 차이에 따라 분리하기 때문에 흡착크로마토그래피로 분류한다. 이러한 종류의 크로마토그래피를 하는 장치를 가스크로마토그래피라고 한다. 분리를 담당하는 것은 가스크로마토그래피칼럼인데, GLC에서는 일반적으로 용해실리카 캐필러리칼럼을 사용한다. 시료는 용액, 액체, 기체의 경우가 있는데, 모두가 조작온도에서는 기체이지만 이동상(相) 내에서는 충분한 분압을 유지해야 한다.

따라서 난휘발성 시료는 화학수식하여 휘발성 유도체로 한다. 시료는 가열된 가스크로마토그래피의 시료주입부에서 미소주입기나 가스주입기를 사용하여 운반가스의 흐름 중에서 받아들인다. 운반가스 중에 기체로 녹은 시료는 시료주입부에 접속한 칼럼운반가스와 같이 흘러들어온다. 시료는 칼럼으로 각각의 성질에 따라 분리하여 검출기에 유도한다. 검출기에서 출력되는 전기신호를 증폭하고 시간과 동시에 기록계에 기록하면 가스크로마토그램을 얻게 된다.

Cu :

무르며 전성과 연성이 있고 열과 전기 전도성이 뛰어난 금속이다. 순수한 금속 표면은 적갈색을 띤다. 구리는 전기 및 열을 잘 전달하는 도체로써 전선이나 난방용 배관으로 이용되며, 건축재, 금속 합금 재료, 온도계, 장신구, 주방기구, 배, 동전 등을 만드는 데에도 사용된다. 구리는 광석에서 추출할 필요 없이 자연에서 금속 형태로 얻을 수 있는 몇 안 되는 금속 중 하나이다. 이런 이유로 인류는 기원전 9000년부터 구리를 사용할 수 있었다.

구리는 기원전 5000년경에 금속 중 최초로 광석에서 제련되었고, 기원전 4000년경에 최초로 틀에 부어 주조되었으며, 기원전 3500년경에 최초로 청동을 만들기 위해 주석과 합금 되었다. 예로부터 청색이나 녹색을 띠는 흔한 구리(II) 염들은 안료로 널리 이용하였다. 구리 화합물은 항균 특성이 있어 세균 발육 저해제, 살균제, 목재 방부제 등으로 사용된다. 구리는 생명체의 호흡에 관여하는 사이토크롬 c 산화효소 (cytochrome c oxidase)의 주요 성분이기 때문에 모든 생물체에 필수적인 미량 무기질이다. 연체동물과 갑각류의 혈액은 철이 결합한 헤모글로빈(hemoglobin) 대신 구리가 결합한 헤모시아닌(hemocyanin)을 포함하고 있다.

 

Ce :

세륨은 원소기호 Ce를 쓰는 원자 번호 58의 화학 원소로써 연성이 있는 은백색의 금속이다. 또한, 공기 중에 노출되면 쉽게 색이 변하며 칼로 자를 수 있을 만큼 무르다. 란타넘족의 두 번째 원소이며 주로 +3 산화 상태를 갖지만, 물질에 따라 안정적인 +4 산화 상태를 가질 때도 있다. 또한, 란타넘족 원소들 중 가장 흔한 원소이며, 네오디뮴, 란타넘, 프라세오디뮴 등이 그 뒤를 잇는다. 지구의 지각에서 26번째로 풍부한 원소이며 66 ppm이 포함되어 있다. 생물학적으로 특별한 역할을 하지는 않으며 독성은 없는 것으로 알려져 있다. 1803년 스웨덴의 화학자 베르셀리우스(J. J. Berzelius)와 히싱어(W. Hisinger)에 의해 발견된 첫 번째 란타넘족 물질이며, 독일의 화학자 클라프로트(M. H. Klaproth)에 의해서도 독자적으로 발견되었다. 세륨 금속과 그 화합물은 다양한 용도로 사용되는데 특히, 산화물은 유리를 연마하거나 촉매 장치에 사용하기도 한다.

 

Fig. 13. CO conversions with different Cu-Ce contents.

 

Fig. 14. O2 consumptions with different Cu-Ce contents.

 

Fig. 15. Selectivities with different Cu-Ce contents.