Metal nanoparticles with high surface to volume ratio and unique catalytic reactivity are dispersed on oxide supports and commonly used as a heterogeneous catalyst in many industries including automobile exhaust control and hydrocarbon reforming for fuel cells. For the ideal design of these catalysts, elemental and structural modification and related studies to maximize the catalytic activity and stability under reacting conditions are of great interest. However, despite academic and industrial demands, their application and fundamental research on high-temperature catalysis face obstacles, owing to the sintering behavior of the nano-sized metal particles.
In this thesis, monodispersed Pt nanoparticles with various particle diameters were synthesized through colloidal synthesis and then post-encapsulated with silica shell to give sintering resistance at high temperatures. Synthetic variables that affect the final morphology and quality of the core-shells were identified and various physical and chemical analyses were conducted by using transmission electron microscopy, X-ray diffraction, inductively coupled plasma spectroscopy and CO chemisorption. The catalytic activity of the $Pt @SiO_2$ core-shell nanoparticles was also measured for CO and $CH_4$ oxidation with varying core sizes, and the results were compared to $Pt/SiO_2$ reference particles in terms of reactivity and stability.
I observed that the $Pt@SiO_2$ is slightly less reactive to CO oxidation at low temperatures (<300°C) than $Pt/SiO_2$, but promotes $CH_4$ oxidation much more aggressively at higher temperatures (>550°C). However, non-negligible degradation of the core-shell catalyst was observed, and possible reasons were suggested. Finally, the metal surface was identified as the active site of the $Pt@SiO_2$ catalyst by studying the particle size effect. The results help us get a step closer to ideal design for a heterogeneous catalyst in high-temperature chemical reactions.
높은 부피 대비 표면적과 독특한 촉매 반응성을 갖는 금속 나노 입자는 산화물 지지체 상에 분산되어 자동차 배기 가스 제어 및 연료 전지의 탄화수소 개질을 포함한 많은 산업 분야에서 불균일 촉매로 널리 사용된다. 이러한 촉매의 이상적인 설계를 위해, 반응 조건 하에서 반응성 및 안정성을 극대화하기 위한 촉매의 조성이나 구조 변형과 관련된 연구가 매우 중요하다. 그러나 학계 및 산업계의 요구에도 불구하고 고온 촉매에 대한 응용 및 기초 연구는 나노 크기 금속 입자의 소결 현상 때문에 어려움을 겪고 있다.
본 논문에서는 콜로이드 합성을 통해 다양한 입자 직경을 갖는 분산 된 백금 나노 입자를 합성하고 이를 실리카 껍질로 감싸주어 고온에서 소결 저항성을 부여 한다. 이 과정에서 코어-쉘의 최종 모양 및 특성에 영향을 미치는 합성 변수를 확인하고 투과 전자 현미경, X선 회절, 유도 결합 플라즈마 분광법 및 일산화탄소 화학 흡착을 사용하여 다양한 물리 화학적 분석을 수행한다. 다양한 코어 크기를 갖는 백금/이산화규소 코어-쉘 나노 입자의 일산화탄소 및 메탄 산화반응에 대한 촉매 반응성을 측정하고 이를 반응성과 안정성 측면에서 전형적인 산화물 지지된 백금 촉매와 비교한다.
코어-쉘 촉매는 기존의 백금/이산화규소 촉매보다 저온(<300 ° C)에서 약간 낮은 일산화탄소 산화 반응에 대한 활성도를 보이지만 고온(> 550 ° C)에서는 훨씬 더 적극적으로 메탄 산화를 촉진하였다. 그러나, 코어 - 쉘 촉매 역시 장기간 고온 반응에서의 열화는 무시할 수 없고 이에 대한 가능성 있는 원인들을 제안하였다. 마지막으로, 입자 크기의 효과를 연구하여 금속 표면이 백금@이산화규소 촉매의 반응 활성점임을 밝혔다. 본 논문의 결과들은 고온 화학 반응에서 불균일 촉매에 대한 이상적인 설계에 한 걸음 더 다가갈 수 있게 도와줄 것이다.
