Seven different nonuniformly-active Pt/$SiO_2$ catalysts were prepared in the ion exchange method with the variation of contact time during the ion exchange process to investigate the effect of contact time upon the content and distribution of platinum in the catalyst.
Pt uptake of the silica support was measured with an atomic absorption spectrophotometer and compared with the results of the transient diffusion equation solved by the finite difference method under some appropriate assumptions. Deposited Pt profile in the silica particle was also predicted from the theoretical analysis.
Surface structure of the catalysts was investigated by use of the gas chromatographic pulse technique of hydrogen chemisorption measurement. All the catalysts prepared were found to have H/Pt ratio of approximately unity, therefore surface of highly-dispersed state.
Catalytic reaction rates on these nonuniformly-active catalysts were explained theoretically with the concepts of effectiveness factor and apparent effectiveness factor, and were actually measured using the vapor phase hydrogenation of cyclohexene as a test reaction. Experimental results showed good agreement with the predictions from the theoretical analysis
Ion 교환방법으로 백금 - 실리카젤 촉매를 제조하는 과정에 있어서, support 와 ion 교환 용액간의 contact time 의 변화가 촉매내의 백금의 양과 분포상태, 활성의 분포, 그리고 겉보기 반응 속도에 미치는 영향을 조사하였다.
먼저, 적절한 가정을 도입하여 ion 교환 과정을 다공성 고체 입자내에서의 finite - quantity material 의 diffusion과 adsorption 으로 해석하고, transient diffusion equation의 해를 finite - difference method 로 구하여 contact time의 변화에 따른 support 내의 백금의 양과 deposited Pt profile 의 변화를 예측하였다. 실제적으로, 도입된 가정을 만족시킬만한 실험 조건하에서 platinum ammine 용액속에서의 주어진 contact time 에 대한 실리카젤 support 의 Pt uptake 는 이론적으로 예측한 결과와 일치하는 경향을 보였다.
제조된 촉매내의 백금 입자의 분포상태를 규명하기 위하여 gas chromatographic pulse technique 을 사용한 $H_2$ -chemisorption 실험을 수행한 결과, 백금 입자들이 support 표면에 아주 좋은 dispersion 을 이루고 있음이 밝혀 졌다.
제조된 촉매내의 활성의 분포는 deposited Pt profile과 일치하므로 촉매의 반응속도를 nonuniformly - active catalyst model 을 사용하여 n 차 비가역반응에 대해서 이론적으로 예측한 결과, 촉매내의 diffusional limitation 이 심한 경우에는 촉매내의 활성분포와 반응 물질의 침투 거리와의 관계에 의하여 contact time 이 짧은 촉매의 겉보기 반응 속도는 그 백금 함량이 비록 작더라도, contact time 이 길어서 백금 함량이 큰 촉매의 겉보기 반응 속도보다 클 수가 있으며 이러한 현상은 contact time 의 특정한 범위내에서만 가능하다는 사실이 제시되었다. 이론적인 예측에 도입된 가정을 충분히 만족시키는 실험 조건하에서 cyclohexene 의 기상 수소 첨가 반응으로 촉매의 반응 속도를 측정한 결과, 이론적인 예측의 타당성이 실험 결과에 의하여 충분히 증명되었다.
이상으로부터 본 연구에서는 촉매 제조 과정의 수학적 모델화가 시도되었으며, deposited active material 의 양이 작으면서도 좋은 반응 속도를 나타내는 촉매를 제조하는 방안이 모색되었다.
