Heterogeneous catalyst with metal nanoparticles (NPs) dispersed on functional oxides catalyze many major industrial reactions. Uniform dispersion and chemical configuration of these NPs which determines the catalytic activity is rather difficult to control due to problems such as sintering. In this study, we apply a method combining heterogeneous doping and ex-solution. This method utilizes oxidation as an in-diffusing tool of metal source inside the support grain boundaries followed by particle ex-solution in between the grains.
We synthesized Pt-Ni alloy NPs on CeO$_2$, and by manipulating reducing conditions we were able to precisely control particle size and its composition and achieve a highly dispersed and stable alloy nanocatalyst. Quantitative analysis revealed that increasing synthesis temperature increased particle size and decreased particle density. Increasing synthesis time increased the size and the Pt content in the synthesized Pt-Ni NPs. We synthesized alloy nanoparticles through heterogeneous doping method on columnar CeO$_2$ and performed multiple chemical reactions in order to ensure its catalytic feasibility and durability.
금속 나노입자/산화물 복합 촉매는 넓은 반응 면적과 표면 원자의 결함성에서 기인하는 큰 반응성으로 여러 분야에서 화학, 전기화학 촉매로 사용되고 있다. 하지만 나노 크기의 금속 입자들은 고온의 반응 환경에서 사용할 경우 응집해 반응성이 저하되는 문제가 있다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 이종 도핑 방법을 사용한다. 이종 도핑 방법이란 도핑 하고자 하는 금속을 지지체의 결정립계를 통해 확산시키는 방법으로 지지체 내부로 확산된 금속은 환원 열처리를 통해 지지체의 표면에 존재하는 결정립계에 담지된다.
위 방법을 이용해 세리아 지지체 위에 Pt-Ni 합금 나노입자를 형성하고 환원 조건을 제어해 입자의 형성 거동을 관찰하였다. 환원 온도를 증가시킴에 따라 형성된 입자의 크기가 증가하였으며, 입자의 개수는 감소하는 경향을 보였다. 환원 시간을 증가시킬 경우 입자의 크기는 증가하였으며 입자 속 Pt의 조성이 증가하는 경향을 보였다. 나아가 형성된 촉매를 고온 화학 촉매로 사용하고자 대표적인 화학반응인 RWGS 반응에 대한 활성과 안정성을 확인하였다.
