Geometric and Electronic Structural Design of Palladium-Based Catalysts for Complete Methane Oxidation

국문 초록 (Abstract)

불균일계 촉매의 활성 부위인 표면 구조를 제어하고, 지지된 활성 금속의 표면 및 전자적 구조를 최적화하여 설계하는 것은 고성능 촉매 반응을 구현하기 위한 핵심 요소이다. 그러나 명확히 정의된 전구체 물질의 부재와 약한 금속-지지체 상호작용으로 인해 일관된 나노입자 구조를 유지하면서 배위 환경과 전자적 구조를 동시에 제어하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 강한 금속-지지체 상호작용 형성과 제어된 산화-환원 처리를 통해 견고한 팔라듐 산화물 촉매를 구현하기 위한 상호보완적 설계 전략을 제시하였다. Pd/SSZ-13촉매에서 증기 처리는 팔라듐 입자를 원자 이온으로 재분산시키며, 지지체의 외부 골격인 알루미늄 펜타(Al penta) 부위에 고정되어 강력한 금속-지지체 상호작용을 유도하였다. 이후 환원-산화 과정을 거치면서 내수성과 내구성이 향상된 팔라듐 산화물 나노클러스터가 형성되었다. Pd/CeO2 촉매에서는 동적 환원-산화 펄스 처리를 통해 낮은 산소 배위수와 부분적으로 산화된 Pdδ+ (0 < δ < 2) 상태를 갖는 PdOx 나노입자가 생성되었으며, 이는 산소 결손이 풍부한 세리아 지지체와 강하게 상호작용하여 전자 구조를 안정화시키고 구조적 내구성을 향상시켰다. 두 촉매 모두 습윤, 고온 및 벤치 스케일 조건에서도 완전한 메탄 산화에 대해 우수한 활성과 내구성을 나타내며, 강력한 금속-지지체 상호작용이 부여하는 견고성은 가혹한 반응 조건에서도 활성 금속 입자의 비가역적 비활성화를 방지하였다. 따라서 본 연구는 지지된 금속의 기하학적 및 전자적 구조를 맞춤화하여 완전한 메탄 산화를 가능하게 하는 유망한 촉매 설계 전략을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Designing the optimal geometric structure: Pd oxide clusters for complete CH4 oxidation
• 1. 1. Introduction 1
• 1. 2. Methods
• 1. 2. 1. Catalysts preparation 4
• 1. 2. 2. Characterizations 6
• 1. 2. 3. Catalytic reactions 12
• 1. 3. Results and discussion
• 1. 3. 1. Pd oxide nano-clusters strongly interacted with SSZ-13 support 39
• 1. 3. 2. Complete CH4 oxidation using Pd oxide nano-cluster catalysts 58
• 1. 4. Conclusion 74
• 1. 5. References 75
• 2. Designing the optimal electronic structure: partially reduced PdOx for complete CH4 oxidation
• 2. 1. Introduction 82
• 2. 2. Methods
• 2. 2. 1. Catalysts preparation 85
• 2. 2. 2. Characterizations 88
• 2. 2. 3. Catalytic reactions 91
• 2. 3. Results and discussion
• 2. 3. 1. Structural properties of ceria-supported palladium catalysts 93
• 2. 3. 2. Complete CH4 oxidation using ceria-supported palladium catalysts 123
• 2. 3. 3. Durability of ceria-supported palladium nanoparticles 129
• 2. 3. 4. Bench-scale reactions using monolith catalysts 144
• 2. 4. Conclusion 148
• 2. 5. References 149
• Acknowledgements 158