Tuning reactivity of catalysts is of importance both in industries and academia, since it can bring up new catalytic processes and more efficient catalysts. Nickel has been studied for many catalysis due to its ability of hydrogen adsorption. However, there have been critical obstacles in nickel catalysts known to be inevitable. In this thesis, I study two heterogeneous catalysis with nickel nanocrystals in gas and liquid phases in order to explore new catalysis and overcome presented impediments. The first study is about nickel nanocrystals on single crystalline MgO for dry reforming of methane. Nickel has been studied as the alternative of precious metals, but it is known that nickel is vulnerable to carbon formation and sintering. I show nickel-molybdenum nanocrystals migrate to the unstable sites such as edge on single crystalline MgO by proper heating under reactive gas. This phenomenon leads to blocking unstable step edges of single crystalline MgO, making the catalyst exceptionally stable for 850 hours of continuous reaction without coking. In the second study, I explore nickel nanocrystals on porous carbon for direct coupling of nitrobenzene to azobenzene. Highly dispersed nickel nanoparticles on porous carbon was achieved by deposition-precipitation method and carbonization. The catalyst shows high selectivity to azobenzene because of high porosity and dispersity of nickel nanocrystals. It was also found out that the catalyst selectively navigates condensation route due to partially oxidized nickel surface, preventing it from making aniline.
촉매의 반응성을 조절하는 연구는 효율적인 촉매 및 반응 개발 가능성 때문에 중요한 분야로 여겨진다. 니켈은 수소를 효율적으로 흡착할 수 있어 다양한 촉매반응에 연구되었지만 여전히 해결해야 할 문제점들이 남아있다. 본 학위논문에서는 니켈 나노결정을 이용하여 기상 및 고상에서의 새로운 촉매반응을 연구하였다. 첫번째 연구에서는 니켈-몰리브데늄 나노결정이 단결정 마그네슘 산화물에 올려진 촉매를 이용하여 메탄의 건식개질 반응을 다루었다. 마그네슘 산화물의 모서리와 같이 불안정한 표면에서 선택적으로 탄소가 쌓이는 현상을 발견하고 반응분위기에서 적절한 열을 이용해 니켈-몰리브데늄 나노결정이 이러한 불안정한 표면을 덮어 안정화되는 현상을 규명하였다. 이러한 촉매는 850시간동안 비활성화되지 않고 안정하였다. 두번째 연구에서는 다공성 탄소 구조체에 함침된 니켈 나노결정을 이용해 니트로벤젠의 환원반응에 대해 연구하였다. 촉매는 넓은 표면적의 탄소 구조체에 니켈 나노결정이 균일하게 분산되어 선택적으로 아조벤젠을 생성하였다.
