서지주요정보
Catalytic function of acid sites located on the external surface of hierarchically nanoporous zeolites = 위계나노다공성 제올라이트 외부 표면에 존재하는 산점의 촉매 작용에 관한 연구
서명 / 저자 Catalytic function of acid sites located on the external surface of hierarchically nanoporous zeolites = 위계나노다공성 제올라이트 외부 표면에 존재하는 산점의 촉매 작용에 관한 연구 / Wook-Dong Kim.
저자명 Kim, Wook-Dong ; 김욱동
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
Online Access 원문보기 원문인쇄

소장정보

등록번호

8026995

소장위치/청구기호

학술문화관(문화관) 보존서고

DCH 14018

휴대폰 전송

도서상태

이용가능

대출가능

반납예정일

초록정보

The work presented in this thesis addresses the catalytic performance of hierarchically nanoporous zeolites with focus on the acid sites located on the large external surfaces of the nanoporous zeolites. Zeolites are crystalline aluminosilicate materials that have uniform micropores (0.3 < diameter < 1.2 nm) exhibiting the molecular-sieving effect. Zeolites also exhibit very strong acidity and structure stability. Due to these advantages as catalysts, zeolites account for 40% of the total heterogeneous catalysts in industrial applications. Typically, synthetic zeolites are obtained in the form of micrometer-sized crystals, so that the external surface area of zeolite crystal is much smaller than the micropore wall. In this case, since most of acid sites are located at the micropore wall, it is generally regarded that the catalytic reaction occurs mostly inside the micropores. In the micrometer-sized crystals, the length of micropore channels is quite long and diffusion of molecules is limited inside the channels. Due to this limitation, there would be an in-efficient usage of the deep part of the zeolite catalyst and the catalyst deactivation attributed to the blockage of pore channel by coke deposition. In order to overcome these problems, there have been many efforts to enhance the molecular diffusion by the addition of mesopores as a highway for molecules and reduction of crystal size to shorten the micropore channel length. Recently, the Ryoo and co-workers developed a surfactant-directed synthesis method for the preparation of hierarchically nanoporous zeolite with sub-nanometer crystal thickness. The method can be applied to the synthesis of various structure types of zeolites with MFI, BEA, MTW, and MRE structures. The nanoporous zeolites are composed of nanometer-sized crystals and have extremely short diffusion path length in the micropore channel. In addition to the short pore channel, the nanoporous zeolites have a considerable amount of acid sites located at the external surfaces. These external acid sites have sufficiently strong acidity to catalyze various catalytic reactions. Surfactant-directed nanoporous zeolites were investigated as catalysts for the Friedel-Craft alkylation reaction of benzene with propylene. In this work, nanoporous zeolites with BEA, MTW, and MRE structures were employed and the catalytic results were compared to their bulk counterparts. All the nanoporous zeolites exhibited much higher catalytic activity and longer catalytic lifetime than those of bulk zeolites. The catalytic performance could be explained by a linear combination of external surface reaction and internal pore reaction. The external contribution was insignificant in ordinary micrometer-sized crystalline zeolites, but in the nanoporous zeolites, the external contribution was more important. Furthermore, the external catalytic sites had the advantage of slow deactivation. The result revealed that the nanoporous zeolites also have the same type of advantage in the case of benzene ethylation with ethylene. In contrast to the advantages of external acid sites, methanol-to-hydrocarbon (MTH) reaction exhibited a somewhat different catalytic result. Previously, it was reported that MFI zeolite nanosheet exhibited superior catalytic longevity for the MTH reaction due to the facile diffusion of coke precursor from micropore to mesopores. In this thesis, MFI zeolites have been re-investigated for the MTH reaction to clarify whether the catalytic function originates from acid sites located solely in the internal micropores or also on the external surfaces. Two catalytic reactions were measured after all acid sites on the external surfaces were poisoned with triphenylphospine oxide. One reaction was the catalytic cracking of 1, 3, 5-triisopropylbenzene, which can occur only on external surfaces. This reaction was completely killed by poisoning. The second reaction was MTH conversion. Unlike the catalytic cracking of triisopropylbenzene, the MTH reaction proceeded at the same rate, even when the external acid sites were poisoned. The result indicated that the MTH reaction occurred inside the internal pores, not at the external surfaces. This information will be useful for understanding MTH catalysis of other hierarchical zeolites.

제올라이트는 결정형 알루미노실리케이트 물질로 결정 내부에 매우 균일한 크기의 마이크로 기공과 강한 산점을 가지고 있다. 제올라이트는 이러한 강한 산점과 결정 구조에 기인하는 안정성, 마이크로 기공에 의한 분자 선택성 때문에 고체 산 촉매로 널리 사용되고 있다. 일반적으로 제올라이트는 수 ~ 수십 마이크로미터 크기를 가지는 결정으로 합성되며, 결정의 외부 표면적이 결정 내부의 마이크로 기공 벽의 면적에 비해서 매우 작다. 이러한 큰 결정의 제올라이트는 분자 확산에 있어서 단점을 가지고 있다. 마이크로 기공 내부로 들어갈 수 없는 큰 분자의 반응은 제올라이트 촉매에서 반응이 거의 일어나지 않는다. 마이크로 기공 내부에 들어갈 수 있는 작은 분자의 경우에도, 좁은 마이크로 기공 내부에서 확산이 제한되어 있어 결정 내부가 비 효율적으로 사용되거나, 반응 중 생성된 코크(coke)에 의해서 마이크로 기공이 막혀 촉매 비활성화가 일어날 수 있다. 이러한 분자 확산 문제를 해결하기 위하여 제올라이트 결정의 크기를 줄이거나 제올라이트 결정 내부에 2 ~ 50 nm 크기를 가지는 메조 기공을 추가하려는 노력이 계속되어 왔다. 최근에 유룡 교수 연구실에서 계면활성제를 이용한 위계나노다공성 제올라이트를 합성하였다. 이 물질은 수 나노미터 크기의 작은 제올라이트 결정과 그 결정 사이에 메조 기공을 가지고 있다. 이러한 제올라이트는 분자 확산이 용이하여 촉매의 비활성화에 대한 저항성이 있고, 촉매 반응성이 증가였다. 이에 더하여 나노다공성 제올라이트는 외부 표면에 존재하는 산점의 수 또한 많기 때문에 이에 외부 산점의 촉매 특성에 대한 이해가 중요해 졌다. 학위 과정 동안 위계나노다공성 제올라이트를 벤젠과 프로필렌이 결합하여 큐멘을 합성하는 Friedel-Craft 알킬화 반응의 촉매로 연구하였다. 이 반응의 촉매로 BEA, MTW, MRE 구조를 가지는 나노다공성 제올라이트를 합성하였으며, 이 중 MTW와 MRE 제올라이트는 본 연구를 위해서 합성법을 새로이 개발하였다. 모든 나노다공성 제올라이트는 벌크 제올라이트에 비해서 더 높은 촉매 반응성과 긴 촉매 수명을 나타내었다. 이러한 촉매 결과를 분석하기 위해서 시간에 따라 촉매가 비활성화 되는 경향을 제올라이트 결정 내부 반응과 외부 표면에서 일어나는 반응으로 나누어 분석하였다. 이러한 분석 결과에 따르면, 벌크 제올라이트에서는 외부 표면 반응이 무시할 수 있을 정도로 조금 일어나지만, 나노다공성 제올라이트에서는 외부 표면 반응이 많이 일어난다. 특히 외부 표면 반응은 분자 확산이 매우 용이하여 반응 활성이 좋고, 비활성화가 거의 일어나지 않는 장점이 있다. 따라서 외부 반응이 많이 일어나는 나노다공성 제올라이트가 나타내는 높은 활성과 긴 촉매 수명을 설명할 수 있었다. 이러한 외부 반응의 장점에 반하여, 메탄올로부터 탄화수소를 합성하는 Methanol-to-Hydrocarbon (MTH) 반응은 사뭇 다른 결과를 나타내었다. 이전의 연구 결과에 따르면, 나노다공성 MFI 제올라이트는 코크 전구체가 마이크로 기공에서 외부 표면으로 빠르게 빠져나오기 때문에MTH 반응에 대해서 긴 촉매 수명을 나타내는 것이 보고되었다. 본 연구에서는 MFI 제올라이트의 외부 표면에서 일어나는 MTH 반응에 초점을 맞추었다. 이를 위해서 다양한 외부 표면 산점의 수를 가지는 MFI 제올라이트를 합성하여 촉매로 사용하였다. 이 결과 촉매 반응성이 외부 표면의 산점이 늘어날수록 감소하는 경향을 나타내었다. 외부 산점의 역할을 알아보기 위해서 큰 포스핀 옥사이드 분자를 흡착시켜 외부 산점을 제거하였다. 외부 산점이 제거된 것을 확인하기 위해서 외부 표면에서만 일어날 수 있는 촉매 반응인 1, 3, 5-트리아이소프로필벤젠의 분해 반응을 이용하였다. 이 반응을 통해 포스핀옥사이드에 의해서 외부 산점이 모두 제거된 것을 확인한 후, MTH 반응의 촉매로 사용하였다. 외부 산점이 모두 제거된 MFI 제올라이트는 기존의 제올라이트와 거의 똑 같은 촉매 활성을 나타내었으며, 이는 외부 산점에서 반응이 거의 일어나지 않는다는 것을 나타냈다. 이는 MTH 반응에서 유기 촉매 물질로 사용되는 하이드로카본 풀(Hydrocarbon pool)이 제올라이트 결정의 외부 표면에서 빠른 분자 확산으로 인해 거의 생성되지 않기 때문이다. 본 학위 과정을 통해 밝혀낸 외부 산점의 촉매 작용이 위계나노다공성 제올라이트의 촉매 반응 특성을 이해하는데 큰 도움이 될 것이라고 생각하며, 향후 촉매 설계에 있어서도 유용한 정보를 제공할 것으로 생각한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCH 14018
형태사항 vii, 90 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김욱동
지도교수의 영문표기 : Ryong Ryoo
지도교수의 한글표기 : 유룡
수록잡지명 : "External Surface Catalytic Sites of Surfactant-Tailored Nanomorphic Zeolites for Benzene Isopropylation to Cumene". ACS Catalysis, v.3.no.2, pp.192-195(2013)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학과,
서지주기 Including References
주제 Hierarchically nanoporous zeolite
Heterogeneous catalyst
External acid site
Friedel-Craft alkylation
Methanol conversion
위계나노다공성 제올라이트
불균일 촉매
외부표면 산점
Friedel-Craft 알킬화 반응
메탄올 전환 반응
QR CODE qr code