Metal-supported oxide hybrid catalysts exhibit large enhancements of catalytic activity because of possible synergistic effects on catalytic activity enhanced by metal-support interactions. To enhance catalytic activity of metal-oxide catalyst, design of nanocatalysts with compatible oxide support and high surface area is needed. Syntheses of oxide supported metal catalysts by wet-chemical routes have been well known for their use in het-erogeneous catalysis. In general, wet-chemically produced oxide supported metal catalysts need to undergo cal-cination at high temperature to eliminate involved organic materials as those organic materials may exist at the interface of metal particles and oxide support. Calcination can cause oxidation of catalyst metal particles and deteriorate catalytic activity of metal particles.
We report the catalytic activity of $Au/TiO_2$ and $Pt/TiO_2$ nanocatalysts under CO oxidation fabricated by arc plasma deposition (APD), which is a facile dry process with no organic materials involved. Catalytic activity of the materials has measured by CO oxidation using oxygen, as a model reaction, in a micro-flow reactor at at-mospheric pressure. Using APD, the catalyst nanoparticles were well dispersed on metal oxide powder with an average particle size (2 ~ 4 nm). For catalytic reactivity, $Au/TiO_2$ showed higher activity than $Pt/TiO_2$ in CO oxi-dation. We observed the size dependence of the catalytic reactivity of $Au/TiO_2$ ; higher catalytic activity on smaller gold nanoparticles (2.7 nm), lower catalytic activity on larger gold nanoparticles (3.7 nm).
And we report the catalytic activity of Pt/metal oxide nanocatalysts synthesized via ultrasonic spray pyrolysis (USP) process under CO oxidation. Catalytically active Pt/oxide catalysts were fabricated via the spray pyroly-sis process. We focused on Pt loading (1 %, 4 %, 14 %), calcination condition (as synthesized, $600^circ C$, $750^circ C$), and support effect $(CeO_2, SiO_2, Al_2O_3, FeAl_2O_4)$. TEM, XPS, BET, and chemisorption instruments were used to measure the morphology, oxidation states, metal nanoparticle size distribution, and active area of the Pt/oxide nanocatalysts, respectively. As for catalytic reactivity, 4 % loading of $Pt/TiO_2$ showed a higher conversion of CO, regarding Pt consumption. The turnover rate of the $Pt/TiO_2$ catalysts increased after calcination at $600^circ C$, then decreased after calcination at $750^circ C$, mainly due to agglomeration at the high temperature and partly because of severe oxidation. And we used various oxide supports including $CeO_2$, $Al_2O_3$, and $FeAl_2O_4$. Metal dispersion and active area of $Pt/TiO_2$ was the highest, while $Pt/TiO_2$ showed the lowest active area. Among the four kinds of Pt-oxide nanocatalysts, $Pt/CeO_2$ showed the highest catalytic activity, presumable due to the strong metal support interaction caused by the charge transport between metal catalysts and oxides.
금속-산화물 하이브리드 나노촉매는 금속과 지지체간의 상호작용에 의한 시너지 효과에서 기인한 높은 촉매 활성도를 나타낸다. 금속-산화물 촉매의 활성도를 증강시키기 위해서는 좋은 상호작용을 보이는 산화물 지지체를 사용하고 넓은 표면적을 가진 촉매의 설계가 필수적이다.
이종 금속-산화물 촉매의 합성법으로서 wet-chemical 합성법이 잘 알려져 있다. 일반적으로 wet-chemical 합성법으로 만들어진 촉매는 합성 과정에서 사용되는 유기물질들을 제거하기 위한 소결 과정을 거치게 된다. 소결 과정을 거친 촉매는 금속 입자의 산화 및 촉매 활성도 저하를 일으킬 수 있다.
본 논문에서는 유기물질들을 사용하지 않는 건식공정인 arc plasma deposition (APD) 로 합성된 $Au/TiO_2$ 와 $Pt/TiO_2$ 나노촉매의 일산화탄소 산화 반응에서의 촉매 특성에 대한 연구를 수행하였다. 촉매 활성도는 flow reactor에서 산소를 사용한 일산화탄소 산화 모델 반응으로 측정되었다. APD를 사용한 촉매는 약 2 ~ 4 nm의 백금 입자 크기로 산화울 표면에 균일하게 도포되었다. 일산화탄소 산화 실험 결과 $Au/TiO_2$ 가 $Pt/TiO_2$ 보다 높은 촉매 활성도를 보였다. $Au/TiO_2$ 의 입자 크기 의존성 실험 결과에서는 입자 크기가 작은 시료가 (2.7 nm) 더 높은 촉매 활성도를 보였고, 입자 크기가 큰 시료가 (3.7 nm) 더 낮은 촉매 활성도를 보였다.
또한 본 논문에서는 분무열분해법 (USP) 으로 합성한 백금/산화물 촉매의 일산화탄소 산화 반응에서의 촉매 특성에 대한 연구를 수행하였다. 촉매로 활성화된 백금/산화물 분말들이 분무열분해법으로 합성되었다. 본 논문에서는 백금의 loading (1 %, 4 %, 14 %), 소결 조건 (as synthesized, $600^circ C$, $750^circ C$), support effect $(CeO_2, SiO_2, Al_2O_3, FeAl_2O_4)$ 에 초점을 맞추어 연구를 진행하였다. 백금/산화물 나노촉매의 형태, 산화 상태, 입자 크기 분포, active area 등을 측정하기 위해 TEM, XPS, BET, chemisorption 장비가 사용되었다. 일산화탄소 산화 실험 결과 백금 사용량을 감안하였을 때, 4 % loading의 $Pt/TiO_2$ 가 더 높은 전환율을 보였다. $Pt/TiO_2$ 의 turnover rate는 $600^circ C$ 에서의 소결 후 높아졌고, $750^circ C$ 의 소결 후 높은 온도의 소결 조건에서 입자가 엉기고 산화되어 감소하였다. 또한 본 논문에서는 $CeO_2$, $SiO_2$, $Al_2O_3$, $FeAl_2O_4$ 등의 다양한 산화물 지지체를 사용하였다. $Pt/CeO_2$ 의 금속 분포와 active area가 가장 높았고, $Pt/FeAl_2O_4$ 가 가장 낮은 active area를 나타냈다. 네 종류의 백금-산화물 나노촉매들 중, $Pt/CeO_2$ 가 가장 높은 촉매 활성도를 보였고, 금속 촉매와 산화물 사이의 전하 수송에서 기인한 강한 금속 지지체 상호작용을 나타낸 것으로 사료된다.
