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Catalytic development for the direct synthesis of hydrogen peroxide = 과산화수소 직접 합성 촉매의 개발 및 연구
서명 / 저자 Catalytic development for the direct synthesis of hydrogen peroxide = 과산화수소 직접 합성 촉매의 개발 및 연구 / Sunwoo Yook.
저자명 Yook, Sunwoo ; 육선우
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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DCBE 17007

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초록정보

Hydrogen peroxide ($H_2O_2$) is a green oxidant that produces only water as its reaction product and hence widely used in almost all industrial areas, particularly in fine chemical industry and environmental remediation. Beyond the conventional anthraquinone process, catalytic direct synthesis of $H_2O_2$ from $H_2$ and $O_2$ could be an attractive solution for production of $H_2O_2$ with low energy input and clean reactions. Despite the simplicity of the process design, the direct synthesis of $H_2O_2$ still faces a series of challenges such as the high flammability of $H_2/O_2$ mixtures and low $H_2O_2$ yields due to the thermodynamically favored competing formation of $H_2O$ and the subsequent disproportionation/hydrogenation of the produced $H_2O_2$ into $H_2O$. The work presented in this thesis addresses two different ways to develop the catalysts with having high selectivity and productivity toward $H_2O_2$. In the first part, the results showed that a high density of oxygen functional groups on the carbon surface was essential for synthesizing highly dispersed bimetallic catalysts with effective AuPd alloying, which is a prerequisite for achieving high $H_2O_2$ selectivity. Regarding porous structure, a solely mesoporous carbon support was superior to microporous ones because $H_2O_2$ produced from AuPd catalyst in the micropores was more prone to subsequent disproportionation/hydrogenation into $H_2O$ due to retarded diffusion of the $H_2O_2$ out of the microporous structure. In the second part, selective dissociation of $H_2$ over $O_2$ was realized by depositing $H_2$ -selective carbon diffusion layers on the top of a Pt catalyst. Because $O_2$ cannot access to the carbon-coated Pt surface, $O_2$ hydrogenation occurs at the carbon surface via spilt-over hydrogen rather than at the Pt surface where O-O dissociation is likely. This leads to the great suppression of O-O dissociation, which allows highly selective synthesis of $H_2O_2$.

과산화수소($H_2O_2$)는 넓은 pH 범위에서 높은 산화 포텐션을 나타낸다는 점과 산화 반응의 부산물로서 오직 물밖에 나오지 않는다는 이점을 바탕으로 친환경적인 산화제로 주목을 받고 있으며 다양한 산업분야에 응용되고 있다. 현재 과산화수소는 대부분 안트라퀴논 기반의 공정을 통해 합성되고 있으나, 과산화수소를 수소와 산소로부터 직접 합성한다면 보다 저렴하며 친환경적인 공정을 바탕으로 과산화수소를 생산해 낼 수 있다. 하지만 과산화수소 직접 합성은 반응물로서 수소와 산소가 공존하기 때문에 폭발의 위험성이 있으며, 열역학적으로 더 안정한 물로 가는 경쟁 반응과 생성된 과산화수소가 추가 반응을 통해 물로 분해되는 반응이 공존하여 높은 과산화수소 선택도를 얻는데에 어려움이 있다. 본 학위논문에서는 과산화수소를 높은 선택도와 수율로 직접 합성하는 두 종류 촉매의 개발을 서술하고자 한다. 첫번째 촉매의 연구에서는 탄소 표면에 존재하는 산소작용기의 존재가 AuPd 촉매의 효과적인 합금화를 이루도록 함과 동시에 굉장히 작고 잘 분산된 AuPd 촉매의 합성을 가능하게 한다는 점을 알 수 있었다. 또한, 오직 메조기공만 있는 탄소 담지체가 마이크로 기공이 같이 있는 탄소 담지체보다 더 효과적이며, 그 이유는 마이크로 기공에서는 생성된 과산화수소의 확산 속도가 느려 물로 분해될 가능성이 크기 때문이라는 점을 확인하였다. 두번째 촉매의 연구에서는 Pt 촉매의 표면을 오직 수소만이 통과가 가능한 탄소층으로 덮어 산소분자 내부의 O-O 결합의 끊어짐을 막고, 담지체 표면으로 전도된 스필오버-수소에 의해서 촉매 반응이 진행되도록 촉매를 설계하였다. 이 경우, O-O 결합의 끊어짐이 원천적으로 차단되기 때문에 촉매 반응에서 높은 과산화수소 선택도를 얻을 수 있었다.

서지기타정보

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청구기호 {DCBE 17007
형태사항 vii, 66 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 육선우
지도교수의 영문표기 : Minkee Choi
지도교수의 한글표기 : 최민기
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 Including references
주제 hydrogen peroxide
gold-palladium
heterogeneous catalyst
carbon
pore structure
hydrogen spillover
chemoselectivity
과산화수소
금-팔라듐
불균일계 촉매
탄소
기공구조
수소-스필오버
화학선택도
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