MCM-41 is a new mesoporous molecular sieve which consists of linear channels of a uniform pore diameter packed with a hexagonal structure. The material attracts much attention in the study of adsorption and catalysis due to very large pore size compared with conventional crystalline zeolites. In addition, the material has he advantage that the pore diameter can be tailored in the range of 2-10 nm.
The present work was undertaken to investigate the physicochemical characteristics of MCM-41 as a support of catalytically active metal clusters.
Aluminum containing MCM-41 (AlMCM-41) with a Si/Al ratio of 35 was synthesized by hydrothermal crystallization using a gel mixture with a molar composition of 6 $SiO_2$ : 0.1 $Al_2O_3$ : 1.0 hexadecyltrimethylammonium chloride : 0.25 dodecyltrimethylammonium bromide : 0.25 tetrapropyl ammonium bromide : 0.15 $(NH_3)_2O$ : 1.5 $Na_2O$ : 300 $H_2O$. The AlMCM-41 sample was ion exchanged with $Pt(NH_3)_4^{2+}$. The supported Pt species was activated in $O_2$ flow at 593 K and subsequently reduced with $H_2$ flow at 573 K. The size and location of the resulting platinum clusters supported on the MCM-41 have been investigated by hydrogen chemisorption, $^{129}Xe$ NMR spectroscopy and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS). Ethane hydrogenolysis was used as a probe reaction to determine catalytic activity of the Pt clusters. The catalytic activity of the Pt clusters obtained by the ion exchange technique have been compared with those prepared by an impregnation technique using $H_2PtCl_6$. It has been found that the Pt clusters prepared by ion exchange were about 1 nm in size and located inside the AlMCM-41 channel without pore blockage. On the contrary, results of the present work indicate that the impregnation method led to the formation of much larger Pt cluster inside the mesoporous channel, causing pore blockage. This finding is considered to provide useful information for design of practical catalysts with supported metal clusters on the mesoporous material.
MCM-41은 육각형구조로 배열된 균일한 세공지름을 갖는 직선형의 세공구조로 이루어진 중형다공분자체 이다. 이 물질은 기존의 결정성 제오라이트에 비해서 매우 큰 세공 크기를 갖고 있기 때문에 흡착, 촉매연구분야에서 많은 관심을 끌고 있다. 이 외에도 이 물질은 세공의 지름이 2-10 mm 범위에서 조절이 가능하다는 장점도 있다.
본 연구는 MCM-41이 촉매 활성이 있는 금소 클러스터의 담체로서 어떠한 물리 화학적 특성을 가지고 있는가를 조사하고자 하였다.
Si/Al의 비가 35인 알루미늄이 골격에 치환된 MCM-41(AlMCM-41)은 다음과 같은 조성의 겔 혼합물의 수열반응에 의해서 얻어진다. 6 $SiO_2$ : 0.1 $Al_2O_3$ : 1.0 hexadecyltrimethylammonium chloride : 0.25 dodecyltrimethylammonium bromide : 0.25 tetrapropyl ammonium bromide : 0.15 $(NH_3)_2O$ : 1.5 $Na_2O$ : 300 $H_2O$. 이렇게 얻어진 AlMCM-41 시료는 $Pt(NH_3)_4^{2+}$로 이온교환시킨 후 산소 흐름 하에서 593 K에서 소성시키고 수소흐름 하에서 593 K 에서 환원시켰다. 이렇게 형성된 백금클러스터의 크기가 세공내의 위치를 수소흡착법, $^{129}XeNMR$분광법, X선 흡광법 (EXAFS)으로 조사하였다. 에탄 수소 분해반응(Ethane hydrogenolysis)을 사용하여서 백금이 담지 된 MCM-41의 촉매활성을 조사하였다. 이온 교환법에 의해서 얻어진 백금 클러스터의 촉매활성은 $H_2PtCl_6$를 사용한 함침법에 의해서 얻어진 백금 클러스터의 활성과 비교하였다. 이를 통해서 이온교환법에 의해서 제조된 백금 클러스터는 약 1 nm의 크기로 AlMCM-41의 세공 내에 위치하며 세공을 막지 않는 것으로 나타났다. 반대로, 함침법에 의해서 만들어진 백금 클러스터의 경우 매우 큰 클러스터가 만들어져서 세공을 막는 것으로 나타났다. 이러한 사실들을 중형세공물질에 금속을 담지 시키는 실용촉매의 설계에 매우 유용한 정보를 제공할 것으로 생각된다.
