Fe-Mo/MgO 촉매를 이용한 탄소나노튜브 합성에서 몰리브덴의 역할에 관한 연구 = The role of molybdenum in the synthesis of carbon nanotubes using Fe-Mo/MgO catalysts

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 MgO 지지체에 담지된 Fe-Mo 촉매를 이용하여 메탄(CH4)을 사용한 열화학 기상 증착법(CVD)으로 탄소나노튜브(CNT)를 합성하고 Fe와 Mo의 몰 비(molar ratio) 변화가 CNT의 수율과 구조적 품질에 미치는 영향을 체계적으로 규명하였다. 실험 결과 Mo의 첨가는 탄소 수율을 비약적으로 향상시키는 반면에 생성된 CNT의 직경과 벽 수를 증가시켜 단일벽(SWCNT)에서 다중벽(MWCNT)으로의 구조적 전이를 유발하는 뚜렷한 상충 관계(trade-off)를 보였다.
구조 분석(XRD, TEM, Raman) 결과 Mo 첨가에 의한 수율 증대는 구조적 요인과 화학적 요인의 복합적인 작용에 기인함을 확인하였다. 첫째, 구조적 측면에서 Mo 이온은 MgO 지지체의 역자 왜곡(Lattice distortion)을 유발하며 이는 금속 촉매를 고정하는 고정점(anchoring sites)으로 작용하였다. 증가된 고정점은 반응에 참여하는 유효 활성점의 총량을 증대시켜 수율 상승의 물리적 기반을 제공하였다. 둘째, 화학적 측면에서 고농도 Mo는 환원 과정에서 Fe-Mo 합금 상을 형성하여 탄소 공급원의 분해 속도를 폭발적으로 가속화시켰다. 이러한 높은 반응성은 수율 증대의 주원인이 되지만 동시에 과도한 탄소 석출로 인한 촉매 입자의 조대화(coarsening)를 야기하여 굵은 직경의 MWCNT 성장과 결정성 저하의 원인으로 작용하였다. 또한 임계점 이상의 과량 Mo 조건에서는 Mo 종이 활성 Fe 표면을 덮는 현상에 의해 오히려 촉매 활성이 저하됨을 확인하였다.
결론적으로 Fe-Mo/MgO 시스템에서 Mo는 지지체 구조 제어를 통해 수율을 증대시키고 합금화를 통해 반응 속도를 조절하는 핵심 인자이며 고품질 SWCNT 합성을 위해서는 저농도 Mo를, 대량 생산을 위해서는 고농도 Mo를 적용하는 맞춤형 촉매 설계 전략이 필요함을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we produced carbon nanotubes (CNTs) using a mixture of Iron (Fe) and Molybdenum (Mo) on a Magnesium Oxide (MgO) support. We wanted to see how changing the amount of Mo changes the number of CNTs produced (yield) and their shape (quality).
Our experiments showed a clear trade-off. Adding Mo greatly increased the production of CNTs. However, it also made the tubes thicker. Instead of thin, single-walled tubes (SWCNTs), we got thick, multi-walled tubes (MWCNTs).
We found two main reasons why Mo increases the yield:
Structural Reason (More Seats): Mo atoms distort the surface of the MgO support. This distortion creates "anchor points" that can hold more Iron particles firmly. Because the support can hold more catalyst particles, we can grow more CNTs.
Chemical Reason (Faster Reaction): When a lot of Mo is added, it mixes with Iron to form a powerful Fe-Mo alloy. This alloy breaks down the gas (methane) much faster than Iron alone, which boosts production speed.
However, because the reaction becomes so fast, the catalyst particles clump together and get bigger. These larger particles grow thicker tubes, which lowers the quality. Also, if we add way too much Mo, it covers up the Iron particles, stopping the reaction and lowering the yield.
In conclusion, Mo is a key controller. To make high-quality thin tubes, use a small amount of Mo. To make a large quantity of thick tubes, use more Mo.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 3
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 2.1 탄소나노튜브의 기본 특성 및 분류 4
• 2.2 CNT 합성 방법과 CVD 공정의 특징 6
• 2.3 촉매 CVD에서 금속 촉매와 지지체의 역할 8
• 2.4 Fe-Mo/MgO 촉매 10 2.5 CNT 성장 메커니즘의 동역학적 해석 12
• 제 3 장 실험방법 14
• 3.1 촉매 제조 방법 14
• 3.2 촉매 환원 및 CNT 합성 16
• 3.3 특성 분석 18
• 3.3.1 탄소 수율(Carbon yield) 평가 18
• 3.3.2 TGA 분석 19
• 3.3.3 FE-SEM 분석 20
• 3.3.4 TEM-EDS 분석 21
• 3.3.5 Raman 분석 22
• 3.3.6 XRD 분석 23
• 제 4 장 결과 및 고찰 24
• 4.1 탄소 수율 및 TGA 분석 24
• 4.1.1 탄소 수율 24
• 4.1.2 TGA 27
• 4.2 전자현미경 분석 29
• 4.2.1 FE-SEM 29
• 4.2.2 TEM-EDS 31
• 4.3 Raman 분석 37
• 4.4 XRD 분석 39
• 제 5 장 결 론 44
• REFERENCES 46
• 감사의 글 50