나노물질 기반 촉매

Nanomaterial-based catalyst

나노소재 기반 촉매들은 보통 촉매과정을 강화하기 위해 금속 나노입자로 분열된 이질적인 촉매들이다. 금속 나노입자는 표면적이 높아 촉매 활성도를 높일 수 있다. 나노입자 촉매들은 쉽게 분리되고 재활용될 수 있다.[1][2][3] 그것들은 일반적으로 나노입자가 분해되는 것을 막기 위해 가벼운 조건에서 사용된다.[4]

기능성 나노입자

기능성 금속 나노입자는 비기능성 금속 나노입자에 비해 용매 쪽으로 안정성이 높다.[5][6] 액체에서 금속 나노입자는 반 데르 발스의 힘에 의해 영향을 받을 수 있다. 입자 집적은 때때로 표면적을 낮추어 촉매 활성도를 감소시킬 수 있다.[7] 나노입자는 또한 중합체나 과점체와 함께 기능하여 나노입자가 서로 상호작용을 하지 못하게 하는 보호막을 제공함으로써 나노입자를 강직하게 안정시킬 수 있다.[8] 바이메탈 나노입자로 불리는 두 금속의 합금은 두 금속 사이의 촉매에 대한 시너지 효과를 내기 위해 사용된다.[9]

잠재적 응용 프로그램

탈할로겐화 및 수소화

나노입자 촉매는 폴리염소화 비페닐과 같은 C-Cl 결합의 수소 분해에 활발하다.[5][6] 또 다른 반응은 할로겐화 방향족들의 수소화 또한 디젤 연료뿐만 아니라 제초제와 살충제의 합성에 중요하다.[5] 유기 화학에서 중수소와의 C-Cl 결합 수소는 운동 동위원소 효과를 다루는 실험에서 사용할 방향족 링에 선택적으로 라벨을 붙이는 데 사용된다. 부일 외는 로듐 나노입자를 생성하는 로듐 복합체를 만들었다. 이들 나노입자는 방향성 화합물의 탈할로화 및 사이클로헥산에 대한 벤젠의 수소화를 촉진시켰다.[6] 중합체 안정 나노입자는 또한 시나몬알데히드와 시트로넬의 수소화에 사용될 수 있다.[5][7][10][9] 유 외 연구진은 루테늄 나노촉매들이 기존 촉매에 비해 시트로넬의 수소화에 더 선택적이라는 것을 발견했다.[9]

가수분해반응

하이드로실화반응

사일랜드를 가진 금, 코발트, 니켈, 팔라듐 또는 백금 오르간계 복합체의 감소는 수산화 반응을 촉진하는 금속 나노입자를 생성한다.[11] 비나노피사 Pd-BINAP 복합체보다 촉매적으로 더 활성화되고 안정성이 높은 것으로 조사된 비나노피사 팔라듐 나노입자와 금 나노입자는 경미한 조건에서 스티렌의 가수분해에 사용되어 왔다.[11][12] 그 반응은 두 개의 금속으로 구성된 나노입자에 의해서도 촉매될 수 있다.[5][13]

유기농 리독스 반응

아디아프산을 합성하기 위한 사이클로헥산의 산화반응

아디프산을 형성하기 위한 산화반응은 그림 3에 나타나 있으며 코발트 나노입자에 의해 촉매작용이 가능하다.[5] 이것은 나일론 6,6 폴리머를 생산하기 위해 산업용 저울에 사용된다. 금속 나노입자에 의해 촉매되는 산화 반응의 다른 예로는 사이클로옥탄의 산화, 에테인의 산화, 포도당 산화 등이 있다.[5]

C-C 커플링 반응

헥 커플링 반응

금속 나노입자는 올레핀의 하이드로폼화,[5] 비타민E와 헥 커플링, 스즈키 커플링 등의 C-C 커플링 반응을 촉진할 수 있다.[5]

팔라듐 나노입자가 헤크 커플링 반응을 효율적으로 촉진하는 것으로 나타났다. 팔라듐 나노입자에 부착된 리간드의 전기성 증가가 촉매 활성도를 증가시킨 것으로 밝혀졌다.[5][14]

Pd2(dba)3 화합물은 Pd(0)의 원천으로, 교차 결합 반응을 포함한 많은 반응에 사용되는 팔라듐의 촉매 활성원이다.[4] Pd2(dba)3는 균일한 촉매 전구체로 생각되었으나, 최근 기사에서는 팔라듐 나노입자가 형성되어 이질적인 촉매 전구체가 된다는 것을 알 수 있다.[4]

대체연료

산화철과 코발트 나노입자는 알루미나 같은 다양한 표면 활성 물질에 적재할 수 있어 일산화탄소, 수소 등의 가스를 피셔-트로프시 공정을 이용해 액체 탄화수소 연료로 전환할 수 있다.[15][16]

나노 물질 기반 촉매에 대한 많은 연구는 연료 전지 내 촉매 코팅의 효과를 극대화하는 것과 관련이 있다. 그러나 플래티넘은 현재 이 응용을 위한 가장 일반적인 촉매제지만, 그것은 비싸고 드물기 때문에 언젠가는 다른 금속이 백금의 효율적이고 경제적인 대안이 될 것이라는 희망으로 나노입자로 수축시켜 다른 금속의 촉매 특성을 극대화하는 데 많은 연구가 진행되어 왔다. 금 나노입자는 벌크골드가 활성화되지 않았음에도 불구하고 촉매적인 성질을 보인다.

이트리움 안정화 지르코늄 나노입자가 고체산화물 연료전지의 효율성과 신뢰성을 높이는 것으로 나타났다.[17][18] 나노소재 루테늄/플라티넘 촉매를 잠재적으로 수소 저장용 수소의 정화를 촉진하는 데 사용할 수 있다.[19] 팔라듐 나노입자는 유기농 리간드로 기능해 CO와 NO의 산화를 촉진해 환경오염을 억제할 수 있다.[17] 탄소 나노튜브 지원 촉매는 연료전지의 음극 촉매 지지대로 사용할 수 있으며 금속 나노입자는 탄소 나노튜브의 성장을 촉진하기 위해 사용되어 왔다.[17] 탄소나노튜브와 결합된 백금코발트 바이메탈 나노입자는 보다 안정적인 전류 전극을 생산하기 때문에 메탄올 연료전지의 유망한 후보들이다.[17]

약

자석화학에서는 나노입자를 약용 촉매지원으로 사용할 수 있다.

나노자메스

기존의 촉매제 외에도 천연 효소를 모방하기 위한 나노 물질들이 연구되어 왔다. 효소 모방 활동을 하는 나노물질은 나노형질이라고 불린다.[20] 많은 나노 물질들이 산화효소, 과산화효소, 카탈라아제, SOD, 누클레스 등과 같은 다양한 천연 효소를 모방하기 위해 사용되어 왔다. 나노진은 바이오센싱과 생체이미징에서 치료와 수처리까지 많은 분야에서 광범위한 응용을 찾아냈다.

전기투석을 위한 나노구조체

나노촉매들은 촉매가 효율에 강한 영향을 미치는 연료전지와 전해액에 관심이 많다.

나노 표면

주요 기사: 나노소자재

연료전지에서는 음극을 만들기 위해 나노소재가 널리 사용된다. 다공성 백금 나노입자는 나노투석에서는 활동성은 좋지만 안정성이 떨어지고 수명이 짧다.[21]

나노입자

주요 기사: 나노입자

나노입자를 사용하는 것의 한 가지 단점은 응집하는 경향이다. 정확한 촉매 지지대로 문제를 완화할 수 있다. 나노입자는 특정 분자를 감지할 수 있도록 조정될 수 있기 때문에 나노센서로 사용하기에 최적의 구조물이다. 다벽 탄소나노튜브에 전기로 전착된 pd 나노입자의 예는 교차 결합 반응의 촉매에 대한 양호한 활성을 보였다.[22]

나노와이어스

주요 기사: 나노와이어

나노와이어는 생산하기 쉽고 생산 공정에서 그들의 특성에 대한 제어는 상당히 정밀하기 때문에 전기 촉매 목적에는 매우 흥미롭다. 또한 나노와이어는 공간적 범위 때문에 파라다이스 효율을 증가시킬 수 있으며, 따라서 활성 표면에서 반응 물질의 가용성이 향상된다.[23]

자재

전기투석 공정과 관련된 나노 구조물은 다른 재료로 구성될 수 있다. 나노구조 재료를 사용함으로써 전기 촉매들은 좋은 물리적 화학적 안정성, 높은 활동성, 좋은 전도성, 낮은 비용을 달성할 수 있다. 금속 나노 물질은 일반적으로 전이 금속(대부분 철, 코발트, 니켈, 팔라듐, 백금)으로 구성된다. 다금속 나노물질은 각 금속의 특성에 따라 새로운 성질을 보인다. 장점은 활동량 증가, 선택성과 안정성, 비용 절감이다. 금속은 코어 쉘 바이메탈 구조에서와 같이 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 가장 저렴한 금속은 코어를 형성하고 가장 활동적인 금속(일반적으로 고귀한 금속)은 쉘을 구성한다. 이 디자인을 채택함으로써 희귀하고 값비싼 금속의 사용을 [24]20%까지 줄일 수 있다.

앞으로의 과제 중 하나는 활동성이 좋고 특히 비용이 저렴한 새로운 안정적 소재를 찾는 것이다. 금속 안경, 폴리머 카본 니트리드(PCN), 금속-유기체 프레임워크(MOF)에서 파생된 재료는 현재 연구가 진행 중인 전기 촉매 특성을 가진 재료의 몇 가지 예에 불과하다.[25][26][27]

광투석

많은 광촉매 시스템은 고귀한 금속과의 결합으로 이득을 볼 수 있다; 최초의 후지시마-혼다 셀은 또한 공동 촉매 판을 사용했다. 예를 들어, 물 분할을 위한 분산형 광촉매 원자로의 필수 설계는 금속 공동 촉매에 각각 결합된 반도체 양자 점으로 구성된 수용액의 설계로, QD는 들어오는 전자기 방사선을 익시톤으로 변환하는 반면, 공동 촉매는 전자 스캐빈저 역할을 한다. 전기화학반응의 전위를 낮춘다.[28]

나노입자의 특성화

기능화된 나노물질 촉매의 특성화에 사용할 수 있는 기법으로는 X선 광전자 분광학, 전송 전자 현미경학, 원형 이분법 분광학, 핵자기공명 분광학, UV-visible 분광학 및 관련 실험 등이 있다.

참고 항목

참조

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추가 읽기

  • Santen, Rutger Anthony van; Neurock, Matthew (2006). Molecular heterogeneous catalysis : a conceptual and computational approach ([Online-Ausg.] ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29662-0.