Liquid phase hydrogenation of dinitrotoluene over carbon supported palladium catalyst was investigated. Effects of support properties and catalyst preparation conditions on metal dispersion, metal distribution, and catalytic activity were examined. The oxygen-hydrogen titration cycles(OHTC) and pulse-wise oxygen titration have been employed for the determination of Pd dispersion. $^{129}Xe$ NMR spectroscopy can be a sensitive probe for the characterization of amorphous carbon support.
Oxidative treatment of carbon support appeared to increase the number of surface oxygen groups, which were characterized by acid-base titrations, TPD of the decomposition products, and infrared spectroscopy. The Pd dispersion increased with the increasing amount of surface oxygen groups, especially more acidic groups, but the catalytic activity did not improve in proportion to the dispersion. The promotional effect of surface oxygen groups on metal dispersion can be explained by the interaction between metal precursor and carbon support in catalyst preparation stages. Deposition of the metal precursor by adsorption and precipitation may be a dominant step in deciding the final state of metal dispersion on the catalyst prepared. The more acidic groups are expected to give a major influence on the metal dispersion by providing nucleation sites and enhancing the hydrophilicity of the carbon surface.
Oxidative treatment with nitric acid has been used for the preparation of an ion-exchangeable carbon. Protons of carboxylic groups on the oxidized carbon support could be exchanged with palladiumammine complex captions. Extremely high metal dispersions have been achieved by this ion-exchange method. The precipitation followed by liquid-phase reduction may yield the most efficient catalyst for liquid-phase hydrogenation which is frequently affected by pore diffusional limitations. In this case the catalytic activity tends to be dependent on the type of metal distribution throughout the entire porous structure, and it may be shown that metal located close to the exterior of the carbon particle is more effective. Thus the influence of variables studied in this work on catalyst activity could be explained by metal dispersion, metal location throughout the pore structure, and surface nature.
Effects of the major reaction parameters have been investigated, and the standard conditions for the evaluation of the catalyst activity may be established.
탄소 담지 팔라듐 촉매상에서의 디니트로톨루엔의 액상 수소화 반응에 대하여 연구하였다. 특히 탄소 담체 자체의 성질과 촉매 제조 조건에 따라 금속의 분산도, 분포 상태 및 반응성이 어떻게 변화하는지를 조사하였다. 촉매에서의 팔라듐 분산도는 산소-수소 적정 사이클 방법과 펄스에 의한 산소 적정법을 이용하여 구하였으며, 이 방법들의 재현성 및 적용 여부도 조사하였다. 또한 $^{129}Xe$ NMR spectroscopy 는 탄소 담체의 특성 조사에 매우 유용하게 사용될 수 있었다.
탄소 담체를 산화 처리함으로써 탄소 표면의 산소 복합체의 양이 증가하며, 이러한 산소 복합체의 특성은 산-염기 적정, 분해 생성물의 TPD 및 IR 을 이용하여 조사하였다. 산화처리된 탄소에 담지된 촉매의 팔라듐 분산도는 증가하지만 촉매의 반응 활성은 이에 비례하여 증가하지 않는다. 산소 복합체가 촉매의 팔라듐 분산도를 증가시키는 현상은 촉매 제조 과정에서 금속 전물질과 탄소 담체 사이의 상호 작용의 변화로 설명될 수 있다. 특히 흡착-침전에 의한 금속 전물질의 침적이 제조된 촉매의 최종 상태를 결정하는 가장 중요한 과정으로 보인다. 강한 산성의 산소 복합체는 흡착시 핵생성 자리를 제공하고 탄소 표면의 친수성을 증가시켜 줌으로써 촉매의 금속분산도를 증가시키는 작용을 하는 것으로 생각된다.
질산에 의한 산화처리 방법은 이온 교환이 가능한 탄소의 제조에 유용하다. 산화처리된 탄소 담체에 존재하는 카르복실기의 수소는 팔라듐 아민 복합체 양이온과 이온 교환될 수 있었고, 이러한 이온 교환법으로 제조된 촉매의 분산도는 매우 높았다. 침전법으로 담지된 촉매를 액상 환원시켜 제조한 촉매는 기공에 의한 물질전달이 영향이 있는 액상 수소화 반응에 가장 유용한 물성을 지니고 있는 것으로 나타났다. 이러한 반응에서는 촉매의 활성이 전체 기공구조상에 존재하는 금속의 분포 상태에 좌우될 것이며 탄소 입자의 외부 부근에 금속이 존재하는 경우가 더 유리할 것이다. 이와같이 본 연구에서 조사한 여러 변수가 촉매의 반응 활성에 미치는 영향은 금속의 분산도, 기공 구조상의 분포 상태 및 담체의 표면 성질로서 설명될 수 있었다.
주요 반응 변수의 영향도 조사하여 촉매의 반응 활성을 정확히 비교할 수 있는 표준 반응 조건을 설정하였다.
