Maximizing the catalytic performance and the use of precious metals (Pt, Pd and Rh) has been actively pursued in heterogeneous catalysis. In the present decade, single-atom catalysts, in which all the metal atoms are spatially isolated on a support with 100% metal dispersion, have received much attention. However, existing single-atom catalysts contain many critical limitations, such as lack of ensemble sites, highly oxidized state and poor durability. In this study, metal atom arrangement of atomic catalysts was precisely controlled to the isolated single-atom or neighboring ensemble structure. Specifically, strong interaction between defective support and metal atom, controlling the impregnation rate of metal atom strategies, and metal atom redispersion by hydrothermal treatment were designed and applied to synthesize the atomic catalysts. In addition, electronic state of atomic catalysts was controlled from oxidized to metallic state while maintaining the atomic structure. The metal atom arrangement and electronic state of the fabricated atomic catalysts were clearly investigated using various characterization tools. Geometric structure and electronic state controlled atomic catalysts exhibited superior activity and durability for surface reactions, and can provide a solid platform for performance studies in heterogeneous catalysis.
불균일계 촉매에서 귀금속의 (백금, 팔라듐, 로듐) 촉매 성능과 사용 효율을 최대화하기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 최근 10여년간 모든 금속 원자가 지지체 위에서 독립적으로 존재하며 100% 금속 분산도를 갖는 단일원자 촉매가 각광받고 있다. 하지만 기존 단일원자 촉매는 앙상블 자리의 부재, 고도로 산화된 상태, 낮은 내구성 등의 치명적인 한계점을 갖는다. 따라서 본 연구에서는 금속 원자 촉매의 원자 배열 구조를 정밀하게 제어하여 단일원자 촉매부터 앙상블 촉매까지 효과적으로 합성하였다. 구체적으로, 결함 자리가 많은 지지체와 금속 원자의 강력한 상호작용, 금속 원자 담지 속도 제어 방법, 수열 처리를 통한 금속 원자의 재분산 방법을 고안하고 적용하여 금속 원자 촉매를 합성하였다. 또한 금속 원자 촉매의 전자 구조를 산화된 상태부터 환원된 금속 상태까지 효과적으로 제어하였다. 합성된 금속 원자 촉매의 원자 배열 구조와 전자 구조를 다양한 특성 분석 기법을 활용하여 명확하게 규명하였다. 금속 원자 배열과 금속 전자 구조가 정밀하게 제어된 금속 원자 촉매는 다양한 표면 반응에서 우수한 촉매 활성과 내구성을 보였으며, 이 금속 원자 촉매는 불균일계 촉매 반응의 성능 연구를 위한 견고한 플랫폼을 제공할 것으로 기대된다.
