초음파 처리로 성능을 개선한 피셔–트롭슈 촉매

초음파를 이용한 피셔–트롭슈 촉매 합성 개선: 촉매 입자의 초음파 처리는 여러 목적으로 사용됩니다. 초음파 합성은 촉매 활성이 높은 개질 또는 기능화된 나노입자를 만드는 데 도움이 됩니다. 사용 후 촉매와 피독된 촉매는 촉매의 활성을 저하시키는 오염 침착물을 제거하는 초음파 표면 처리로 쉽고 빠르게 회수할 수 있습니다. 마지막으로, 초음파 응집 해체 및 분산은 촉매 입자를 균일한 단분산 상태로 분포시켜 넓은 입자 활성 표면과 물질 전달을 확보함으로써 최적의 촉매 전환을 보장합니다.

피셔–트롭슈 공정을 위한 초음파 촉매 제조의 장점

초음파 처리는 피셔–트롭슈 촉매 합성에서 상당한 이점을 제공하며, 이는 주로 촉매의 형태와 활성점 분포를 정밀하게 제어할 수 있기 때문입니다. 초음파가 생성하는 고에너지 캐비테이션은 신속한 혼합과 효과적인 전구체 응집 해체를 보장하여 매우 균일한 입도 분포와 증가된 표면적을 제공합니다. 이렇게 향상된 균질성은 활성 성분의 분산도를 높이며, 이는 접근 가능한 반응점의 수를 극대화하는 데 매우 중요합니다. 또한 제어된 혼합 동역학은 흔히 안정성이 매우 높은 다공성 구조의 형성으로 이어져 가혹한 반응 조건에서 촉매의 촉매 성능, 선택성 및 장기 안정성을 향상시킵니다.

초음파가 촉매에 미치는 영향

고출력 초음파는 화학 반응에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 잘 알려져 있습니다. 액체 매질에 강력한 초음파를 가하면 음향 캐비테이션이 발생합니다. 초음파 캐비테이션은 최대 5,000K의 매우 높은 온도, 약 2,000atm의 압력, 최대 280m/s 속도의 액체 제트가 형성되는 극한 조건을 국소적으로 생성합니다. 음향 캐비테이션 현상과 이것이 화학 공정에 미치는 영향은 초음파 화학이라는 용어로 알려져 있습니다.
초음파의 일반적인 응용 분야 중 하나는 불균일 촉매의 제조입니다. 캐비테이션 침식이 부동태화되지 않은 반응성 높은 표면을 생성하므로 초음파 캐비테이션의 힘이 촉매 표면을 활성화합니다. 또한 난류성 액체 흐름에 의해 물질 전달이 크게 향상됩니다. 음향 캐비테이션으로 발생하는 강한 입자 충돌은 분말 입자의 표면 산화물 피막을 제거하여 촉매 표면을 재활성화합니다.
 

팔라듐 도핑 촉매 합성 (초음파 처리기 UIP1000hdT 사용)
연구 및 이미지: ©Prekob et al., 2020

초음파를 이용한 피셔–트롭슈 촉매 제조

피셔–트롭슈 공정은 일산화탄소와 수소의 혼합물을 액체 탄화수소로 전환하는 여러 화학 반응을 포함합니다. 피셔–트롭슈 합성에는 다양한 촉매를 사용할 수 있지만, 가장 자주 사용되는 촉매는 전이금속인 코발트, 철, 루테늄입니다. 고온 피셔–트롭슈 합성에는 철 촉매를 사용합니다.
피셔–트롭슈 촉매는 황 함유 화합물에 의한 촉매 피독에 취약하므로, 촉매 활성과 선택성을 온전히 유지하기 위해 초음파 재활성화가 매우 중요합니다.

초음파를 이용한 코어–셸 촉매 합성

코어–셸 나노구조는 외부 셸에 둘러싸여 보호되는 나노입자로, 이 셸은 나노입자를 서로 격리하고 촉매 반응 중 나노입자의 이동과 합체를 방지합니다.

Pirola et al. (2010)은 활성 금속 담지량이 높은 실리카 담지 철 기반 피셔–트롭슈 촉매를 제조했습니다. 이들의 연구는 실리카 담체에 대한 초음파 보조 함침이 금속 침착을 개선하고 촉매 활성을 높인다는 것을 보여줍니다. 피셔–트롭슈 합성 결과, 특히 아르곤 분위기에서 초음파 함침을 수행한 경우 초음파 처리로 제조한 촉매가 가장 효율적인 것으로 나타났습니다.

초음파 촉매 재활성화

초음파 입자 표면 처리는 사용 후 부동태화된 촉매를 재생하고 재활성화하는 빠르고 간편한 방법입니다. 촉매의 재생 가능성은 재활성화와 재사용을 가능하게 하므로, 촉매 재생은 경제적이고 환경친화적인 공정 단계입니다.
초음파 입자 처리는 촉매 반응점을 막아 활성을 저하시키는 부동태화층, 오염 침착물 및 불순물을 촉매 입자에서 제거합니다. 사용 후 촉매 슬러리에 초음파를 가하면 촉매 입자 표면이 제트로 세척되어 촉매 활성점의 침착물이 제거됩니다. 초음파 처리 후 촉매 활성은 새 촉매와 동일한 효율 수준으로 회복됩니다. 또한 초음파 처리는 응집체를 분해하고 단분산 입자를 균질하고 균일하게 분포시켜 입자의 표면적과 그에 따른 촉매 활성점을 증가시킵니다. 따라서 초음파 촉매 회수는 활성 표면적이 넓어 물질 전달이 향상된 재생 촉매를 제공합니다.
초음파 촉매 재생은 광물 및 금속 입자, (메조)다공성 입자, 나노복합체에 적용됩니다.
사용 후 촉매의 초음파 재생에 대해 자세히 알아보세요!

피셔–트롭슈 촉매의 초음파 화학적 합성을 위한 고성능 초음파 처리기

Hielscher 초음파 처리기는 견고한 설계, 정밀성 및 확장성으로 인해 촉매 합성에서 높은 선호도를 얻고 있으며, 일반 초음파 처리 장비에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 이 장치들은 정밀하게 제어할 수 있는 고강도 초음파 에너지를 제공하며, 이는 전구체를 균일하게 분산시키고 촉매 입자의 정밀한 핵생성과 성장을 촉진하는 데 매우 중요합니다. 정교한 제어 시스템을 통해 연구자는 출력과 펄스 지속 시간 등의 매개변수를 정확하게 조절하여 재현 가능한 실험 결과를 확보할 수 있으며, 이는 재료과학에서 필수적인 요소입니다. 또한 Hielscher 초음파 처리기는 내구성과 소규모 실험실 배치부터 파일럿 플랜트 운전까지 다양한 규모를 처리하는 능력으로 알려져 있어, 유망한 촉매 조성을 실험실 규모 연구에서 산업 응용으로 효율적으로 전환할 수 있게 합니다. 독일의 엔지니어링 및 제조 표준은 Hielscher 초음파 장비가 고부하 조건에서 24/7 연속 운전 시에도 안정적으로 작동할 수 있도록 보장합니다.

아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

문헌 / 참고문헌

• Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
• Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
• Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
• Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.