Carbons have been extensively investigated in recent years to explore their catalytic functions in oxidative dehydrogenations (ODH). Limited numbers of carbons have been directly compared under the same ODH condition, which makes their direct comparison impossible. This makes us difficult to understand a prime carbon design rule for simultaneously achieving high catalytic activity and stability. In this work, we investigated the catalytic properties of various carbons including an activated carbon, carbon nanotubes, onion-like carbons, and templated carbons in n-butane ODH. Regardless of the types of carbon structure, catalytic activities were linearly proportional to the number of quinone-type (C=O) functional groups, whereas the catalyst stability was correlated with the carbon oxidation stability. Because more C=O active sites are present in thermally unstable amorphous carbons, the carbon catalysts generally showed a trade-off between the catalytic activity and stability. However, a graphitic mesoporous carbon (CMK-3G) with the ‘coin-stacking’ of carbon layers showed high catalytic activity and stability simultaneously. This may be due to the fact that ‘coin-stacking’ of carbon layers allows a graphitic order of carbon framework as well as a large number of carbon edge sites where the C=O groups can be located.
최근 여러 탄소 물질을 산화 탈수소화 (ODH) 반응의 촉매로 이용하여 그들의 촉매적 역할에 대한 연구들이 많이 이루어지고 있다. 진행되어 온 연구들은 매우 적은 수의 탄소 물질을 동일한 반응 조건에서 비교하였기 때문에 탄소 물질의 촉매적 활성을 직접적으로 비교하는 것은 한계가 있다. 따라서 높은 촉매적 활성과 안정성을 이루기 위해 탄소 물질이 가져야 하는 범용적인 규칙이 없다는 문제가 있다. 이에 본 연구에서는 활성탄, 탄소 나노튜브, onion-like carbon 과 templated carbon 을 포함한 다양한 탄소 물질들의 성질에 따른 n-butane ODH 반응에서 나타내는 촉매적 성능의 관계를 연구해 보았다. 촉매적 활성은 탄소 물질의 구조에 상관 없이 퀴논 (C=O) 작용기의 개수에 비례하였고, 촉매의 안정성은 탄소의 결정성과 관련이 있었다. 일반적으로 C=O 작용기는 탄소의 edge site 에 존재하기 때문에 탄소 촉매들은 활성과 안정성에서 trade-off 관계를 나타내었다. 그렇지만 graphene layer 가 ‘coin-stacking’ 되어 있는 구조의 탄소 물질 (CMK-3G) 은 높은 결정성과 많은 edge site를 가지고 있어 높은 촉매적 활성과 안정성을 동시에 나타내는 것을 확인하였다.
