KR102057119B1 - A fabrication method of catalyst and exhaust gas purifying apparatus which are metal nanoparticles supported on metal oxide support treated by hydrothermal treatment for carbon monoxide oxidation - Google Patents

A fabrication method of catalyst and exhaust gas purifying apparatus which are metal nanoparticles supported on metal oxide support treated by hydrothermal treatment for carbon monoxide oxidation Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체와 지지체에 담지된 귀금속 나노입자를 포함하는 촉매를 포함하는 수열 처리된 일산화탄소 산화용 촉매 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 다른 촉매는 실제 자동차 배기 환경과 상당히 유사한 수열 처리 조건을 적용하여 촉매 불활성 문제를 해결하여, 촉매 활성이 향상되면서도 안정한 자동차 촉매를 설계하는데 기여할 수 있다.The present invention provides a catalyst for hydrothermally treating carbon monoxide oxidation comprising a support comprising a metal oxide nanoparticle and a catalyst comprising a noble metal nanoparticle supported on the support, and a method of manufacturing the same. Other catalysts in the present invention may apply hydrothermal treatment conditions that are substantially similar to the actual vehicle exhaust environment to solve the catalyst inertness problem, contributing to the design of stable automotive catalysts with improved catalyst activity.

Description

금속 산화물 지지체 및 상기 지지체에 고정된 귀금속 나노입자를 포함하는 수열 처리된 일산화탄소 산화용 촉매, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 배기가스 정화 장치 {A fabrication method of catalyst and exhaust gas purifying apparatus which are metal nanoparticles supported on metal oxide support treated by hydrothermal treatment for carbon monoxide oxidation}A catalyst for hydrothermally treated carbon monoxide oxidation comprising a metal oxide support and noble metal nanoparticles fixed to the support, a method for manufacturing the same, and an exhaust gas purifying apparatus comprising the same on metal oxide support treated by hydrothermal treatment for carbon monoxide oxidation}

본 발명은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체 및 상기 지지체에 고정된 귀금속 나노입자를 포함하는 일산화탄소 산화용 촉매, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 배기가스 정화 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a support for metal oxide nanoparticles and a catalyst for oxidizing carbon monoxide comprising noble metal nanoparticles fixed to the support, a method of manufacturing the same, and an exhaust gas purifying apparatus including the same.

산화물들 상에 지지된 백금 (Pt), 로듐 (Rh), 및 팔라듐 (Pd)과 같은 귀금속 나노입자들 (NPs)은 자동차의 3-방향-촉매 디바이스들의 전형적인 구성 성분들이다. 상기 디바이스들에서 희귀하고 값비싼 금속들이 사용되기 때문에, 높은 촉매 활성을 유지시키는 한편 금속들의 함량을 감소시키기 위한 많은 시도들이 있었다. 귀금속 나노입자들의 입자 크기를 감소시킴으로써, 이들의 촉매 활성이 향상될 수 있고, 귀금속 함량은 감소될 수 있으며, 이는 높은 비용 효율로 귀결된다. 그러나, 더 작은 금속 나노입자들은 촉매 반응 동안 굵어지는 경향이 있는데, 금속 나노 입자들이 소결되는 현상에 따른 것이다. 이는 금속 나노입자들의 높은 표면 에너지 때문인데, 이러한 열역학적 불안정성은 금속 나노입자의 크기가 감소함에 따라 기하 급수적으로 증가하게 된다. 더 작은 나노입자는 더 쉽게 소결되는 경향을 나타내므로, 높은 촉매 활성을 확보하기 위해서는 나노입자 크기는 작게 하면서도 소결되지 않도록 하여야 한다. 또한, 실제 자동차의 배기 환경은 매우 가혹하기 때문에 현대의 자동차 촉매는 고온 (약 750℃) 및 공기 (약 10% H2O의 습도 함유) 조건에서 활성을 유지하여야만 한다. 그러나 종래의 촉매들은 상기와 같은 실제 배기 환경에서 그 표면적이 감소되고, 촉매 활성 자리가 손실되는 문제점이 있었다.Precious metal nanoparticles (NPs) such as platinum (Pt), rhodium (Rh), and palladium (Pd) supported on oxides are typical constituents of three-way-catalyst devices in automobiles. Since rare and expensive metals are used in the devices, there have been many attempts to reduce the content of metals while maintaining high catalytic activity. By reducing the particle size of the noble metal nanoparticles, their catalytic activity can be improved and the noble metal content can be reduced, which results in high cost efficiency. However, smaller metal nanoparticles tend to thicken during catalysis, due to the sintering of the metal nanoparticles. This is due to the high surface energy of the metal nanoparticles, and this thermodynamic instability increases exponentially as the size of the metal nanoparticles decreases. Smaller nanoparticles tend to sinter more easily, so in order to ensure high catalytic activity, the nanoparticle size should be kept small and not sintered. In addition, the actual automotive exhaust environment is so severe that modern automotive catalysts must remain active at high temperatures (about 750 ° C.) and air (containing about 10% H 2 O humidity). However, the conventional catalysts have a problem in that the surface area is reduced and the catalytically active site is lost in such an actual exhaust environment.

종래에는 이러한 비활성화를 방지하기 위해 전처리, 후처리 또는 새로운 촉매 구조 제작과 같은 다양한 연구가 수행되었다. 이 중에서도 특정 처리를 한 뒤에 금속 나노입자의 크기가 오히려 감소하는 재분산 현상은 소결된 금속 나노 촉매를 재생시키기 위한 유망한 전략으로 주목받고 있다. 재분산을 유도하기 위한 처리에는 반복적인 산화-환원, 옥시-염소화 또는 염소화, 요오드화 메탄 처리와 같은 방법이 연구되었다.In the past, various studies have been conducted to prevent such deactivation, such as pretreatment, aftertreatment, or fabrication of a new catalyst structure. Among these, the redispersion phenomenon, in which the size of metal nanoparticles decreases after a certain treatment, is drawing attention as a promising strategy for regenerating sintered metal nanocatalysts. As treatments to induce redispersion, methods such as repeated oxidation-reduction, oxy-chlorination or chlorination, and methane iodide treatment have been studied.

반복적인 산화-환원 처리 방법 중 Nagai. Y. et. al.에 따르면, 산화세륨에 담지된 백금 나노입자는 산화성 분위기 하에서 재분산되었다. Tanabe. T. et. al.에서는 산화마그네슘에 지지된 백금 나노입자가 1073K 조건에서 공기 중에서 열처리 하고, 10% 수소 분위기에서 환원되는 경우 나노입자가 재분산되는 것을 확인하였다. Wu. T. et. al.에서는 큐빅 산화세륨에 담지된 백금 나노입자가 반복적인 산화-환원을 통해 재분산되는 것을 확인하였다. Lira. E. et. al.에서는 γ-Al2O3에 담지된 백금 나노입자가 NO에 의해 산화되어 재분산되는 현상을 보고하였다. Jones. J. et. al.에서는 백금이 원자 트래핑(atom trapping)에 의해 산화세륨에 재분산되는 현상을 보고하였다. 반복적인 산화-환원 처리 방법은 복잡한 과정을 빠르게 반복 처리해야하기 때문에 산업적으로 적용하기에는 어려움이 있다.Nagai in a method of repeated redox treatment. Y. et. According to al., the platinum nanoparticles supported on cerium oxide were redispersed under an oxidizing atmosphere. Tanabe. T. et. In al., it was confirmed that the platinum nanoparticles supported by magnesium oxide were heat-treated in air at 1073 K and reduced in the 10% hydrogen atmosphere. Wu. T. et. In al., it was confirmed that platinum nanoparticles supported on cubic cerium oxide were redispersed through repeated oxidation-reduction. Lira. E. et. In al., we reported the phenomenon that platinum nanoparticles supported on γ-Al 2 O 3 are oxidized and redispersed by NO. Jones. J. et. al. reported the redispersion of platinum in cerium oxide by atomic trapping. Repetitive redox treatments are difficult to apply industrially because they require rapid iteration of complex processes.

옥시-염소화 또는 염소화 후처리 방법 중 Lenormand. F. et. al.에서는 소결된 Pt/Al2O3가 773K 조건에서 HCl/H2O/O2/N2 플로우 하에서 재분산된 것을 확인하였다. Galisteo. F. C. et. al.에서는 소결된 Pt/Al2O3를 옥시-염소화 처리하여 재활성화하였고, 이를 통해 디젤 산화 촉매 성능이 회복되는 것을 확인하였다. Lambrou. P. S. et. al.에 따르면 CeO2-Al2O3에 담지된 팔라듐 나노입자가 옥시-염소화에 의해 재분산되었다. 다만, 이러한 옥시-염소화 또는 염소화 후처리 방법은 그 절차가 복잡하고, 후처리에 따라 발생하는 할로겐 가스의 독성으로 인해 그 취급과 처리에 어려움이 있었다. Lenormand. Oxy-chlorination or chlorination post-treatment method. F. et. In al., it was confirmed that the sintered Pt / Al 2 O 3 was redispersed under HCl / H 2 O / O 2 / N 2 flow under 773K conditions. Galisteo. FC et. In al., the sintered Pt / Al 2 O 3 was reactivated by oxy-chlorination, and it was confirmed that diesel oxidation catalyst performance was restored. Lambrou. PS et. According to al., palladium nanoparticles supported on CeO 2 -Al 2 O 3 were redispersed by oxy-chlorination. However, such an oxy-chlorination or chlorination post-treatment method has a complicated procedure and has difficulty in handling and treating due to the toxicity of halogen gas generated by the post-treatment.

요오드화 메탄 처리 방법에서는 Goguet. A. et. al. 및 Duan. X. P. et. al.에 따르면 요오드화 메탄 처리가 금 입자의 분산도를 증가시켜 촉매 활성이 유지되었고, Sa. J. et. al.에 서는 요오드화 메탄 처리 후 생기는 Au-I 상호 작용에 의해 금 입자의 분산도가 증가하는 것을 확인하였다. 요오드화 메탄 처리의 경우 금속 중 금에 한정되어 있는데, 금은 열적 안정성이 매우 낮기 때문에 실제 자동차 촉매로써 사용은 어려운 문제가 있다.In the process for treating methane iodide, Goguet. A. et. al. And Duan. X. P. et. According to al. methane iodide treatment increased the dispersity of gold particles to maintain catalytic activity, Sa. J. et. In al., it was confirmed that Au-I interaction after methane iodide treatment increases the dispersion of gold particles. In the case of methane iodide treatment, it is limited to gold among metals, and since gold has very low thermal stability, it is difficult to use as an actual automotive catalyst.

상기와 같은 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위하여, 많은 연구진들이 지지된 금속 촉매의 안정성을 향상시키기 위한 방법을 연구해왔고, 최근에는 귀금속 나노입자들에 대한 지지 물질로서 산화세륨 (CeO2)이 큰 관심을 끌고 있다. 이는 강한 금속-지지 상호작용이 상기 금속 및 산화세륨 모두에 대해 상승적 산화환원 사이클을 유도하기 때문이며, 이는 폭넓은 응용 분야들에서 선호되는 촉매 성능이기 때문이다. 또한, 산화세륨은 Ce4 +/Ce3 +의 사이클에 의해 높은 산소 저장 용량 (OSC) 및 산화환원 물성을 보유하여, CO 산화에 대한 높은 활성에 기여하게 된다. 다양한 귀금속들 중에서, 팔라듐 (Pd)은 산화세륨과의 강한 상호작용으로 인하여 산화세륨 상에 고르게 분산될 수 있고, 그 결과 촉매 활성이 향상될 수 있다. 따라서, 최근 다수의 연구진들은 산화세륨에 지지된 팔라듐을 이용한 저온 CO 산화에 관심을 보이고 있다. X. Yang. et. al.에서는 큐브-형태의 산화세륨 상의 백금 (Pt) 나노입자들의 재분산 효과들이 산화 조건 및 환원 조건의 교차적 분위기에 의해 지지됨을 보고하였다. T. Wu. et. al.에서는 실제 자동차 배기 환경에서의 산화세륨-기반의 지지된 백금의 재분산이 백금 및 산화세륨 사이의 강한 금속 지지 상호작용에 의한 것임을 보고하였다. J. Lupescu. et. al.은 팔라듐 모델 촉매들의 재분산에 대한 처리 환경의 효과를 조사하였다. B. Goldsmith. et. al.은 NOx 및 CO 등의 독성 가스들의 산화 동안 CO 및 NO에 의해 유도되는 3-방향-촉매들 로듐, 팔라듐 및 백금의 분해 및 재분산에 대해 보고하였다. 그러나, 여전히 다수의 Pd/CeO2 촉매들은, 실제 자동차 배기 정제 시스템 환경인 고온 및 습윤 공기 처리 동안 심한 불활성화 과정을 겪게 된다.In order to solve the problems of the prior arts, many researchers have studied a method for improving the stability of the supported metal catalyst, and recently, cerium oxide (CeO 2 ) as a support material for precious metal nanoparticles has been of great interest. Is dragging. This is because strong metal-supporting interactions lead to synergistic redox cycles for both the metal and cerium oxide, which is the preferred catalytic performance in a wide range of applications. Also, cerium oxide to have a high oxygen storage capacity (OSC) and redox properties by the cycle of the Ce 4 + / Ce 3 +, and contribute to the higher activity for CO oxidation. Among various precious metals, palladium (Pd) can be evenly dispersed on cerium oxide due to the strong interaction with cerium oxide, resulting in improved catalytic activity. Therefore, many researchers have recently shown interest in low-temperature CO oxidation with palladium supported on cerium oxide. X. Yang. et. al. reported that the redispersion effects of platinum (Pt) nanoparticles on cube-shaped cerium oxide are supported by a crossover atmosphere of oxidizing and reducing conditions. T. Wu. et. al. reported that the redispersion of cerium oxide-based supported platinum in actual vehicle exhaust environments is due to strong metal support interactions between platinum and cerium oxide. J. Lupescu. et. al. investigated the effect of treatment environment on redispersion of palladium model catalysts. B. Goldsmith. et. al. reported on the decomposition and redispersion of the tri-catalysts rhodium, palladium and platinum induced by CO and NO during oxidation of toxic gases such as NOx and CO. However, many Pd / CeO 2 catalysts still suffer from severe deactivation during high temperature and wet air treatment, which is the actual automotive exhaust purification system environment.

또한, 촉매를 이용하여 CO를 산화시키는 경우 촉매 표면에 카보네이트 층이 형성된다. 일반적으로, 표면에 층을 형성하는 각종 카보네이트는 독성 물질로서 여겨지며, CO 산화 활성을 감소시키는 결과를 초래한다. 따라서, 촉매 활성 및 내구성을 향상시키기 위해서는 표면에 형성되는 카보네이트를 제거하는 것이 매우 중요하다. 이와 관련하여, B. Schumacher. et. al.에서는 Au/TiO2의 불활성화가 상기 촉매의 표면 상에 카보네이트 종의 축적 및 증착 때문에 야기되는 것이며, Au 입자들의 소결 때문이 아님을 보고하였다. T. Ntho. et. al.에서는 티타니아 (titania) 나노튜브에 지지된 금 (Au) 상의 중탄산염 (bicarbonate)의 형성이 촉매 불활성화를 유도하는 경쟁적 반응임을 FT-IR 분석을 이용하여 나타내었다. 효율적인 CO 산화를 수행하기 위해서는 카보네이트 제거를 위한 연구가 필수적임에도 불구하고, 이처럼 중요한 주제를 조사하기 위한 연구들은 지금까지 충분히 수행되지 않았으며, CO 산화 동안 형성되는 카보네이트의 문제점은 여전히 지속되고 있다.In addition, when oxidizing CO using a catalyst, a carbonate layer is formed on the surface of the catalyst. In general, the various carbonates that form a layer on the surface are considered toxic and result in a decrease in CO oxidation activity. Therefore, it is very important to remove the carbonate formed on the surface in order to improve the catalytic activity and durability. In this regard, B. Schumacher. et. al. reported that inactivation of Au / TiO 2 is caused by the accumulation and deposition of carbonate species on the surface of the catalyst and not due to the sintering of Au particles. T. Ntho. et. In al., FT-IR analysis indicated that the formation of bicarbonate on gold (Au) supported on titania nanotubes is a competitive reaction leading to catalyst deactivation. Although studies for carbonate removal are essential for efficient CO oxidation, studies to investigate this important topic have not been carried out until now, and the problem of carbonates formed during CO oxidation still persists.

대한민국 등록특허 제10-0206487호Republic of Korea Patent No. 10-0206487

본 발명의 목적은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체 및 귀금속 나노입자를 포함하고, 촉매 활성 및 내구성이 향상된 일산화탄소 산화용 촉매, 이를 포함하는 자동차 배기가스 정화장치 및 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a catalyst comprising a metal oxide nanoparticle and a noble metal nanoparticle, a catalyst for carbon monoxide oxidation having improved catalytic activity and durability, an automobile exhaust gas purifier and a method for producing the catalyst.

본 발명자들은 지지체에 고정된 금속 나노입자를 포함하는 촉매를 수열 처리하는 경우, 금속 나노입자를 재분산 시킬 수 있다는 점에 착안하여, 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체 및 귀금속 나노입자를 포함하는 수열 처리된 일산화탄소 산화용 촉매를 제안하였다.The inventors pay attention to the fact that when hydrothermally treating a catalyst including metal nanoparticles immobilized on a support, the metal nanoparticles can be redispersed, and the hydrothermal process includes a support including metal oxide nanoparticles and a noble metal nanoparticle. A catalyst for the treatment of carbon monoxide oxidation has been proposed.

따라서, 본 발명은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체 및 귀금속 나노입자를 포함하고, 상기 귀금속 나노입자는 직경이 0.3 내지 1.6 nm인, 일산화탄소 산화용 촉매에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to a catalyst comprising a metal oxide nanoparticle and a noble metal nanoparticle, wherein the noble metal nanoparticle has a diameter of 0.3 to 1.6 nm.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 일산화탄소 산화용 촉매를 포함하는 자동차 배기가스 정화 장치에 관한 것이다.The present invention also relates to an automobile exhaust gas purification apparatus comprising the catalyst for oxidizing carbon monoxide according to the present invention.

또한, 본 발명은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체를 형성하는 것, 상기 지지체 상에 귀금속 나노입자를 고정하여 일산화탄소 산화용 촉매를 형성하는 것, 및 상기 일산화탄소 산화용 촉매를 수열 처리하는 것을 포함하는 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention also includes forming a support including metal oxide nanoparticles, fixing a noble metal nanoparticle on the support to form a catalyst for carbon monoxide oxidation, and hydrothermally treating the catalyst for carbon monoxide oxidation. A method for producing a catalyst for oxidizing carbon monoxide.

본 발명에 따라 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체 및 귀금속 나노입자를 포함하는 촉매를 포함하는 수열 처리된 일산화탄소 산화용 촉매가 제공되며, 수열 처리 (750℃, 공기 중의 10% H2O, 25시간) 동안 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체에 지지된 귀금속 나노입자들이 재분산 되고, 촉매 활성이 향상되는 효과가 있다. According to the present invention there is provided a catalyst for hydrothermally treated carbon monoxide oxidation comprising a support comprising a metal oxide nanoparticle and a catalyst comprising a noble metal nanoparticle, and a hydrothermal treatment (750 ° C., 10% H 2 O in air, 25 hours). ), The noble metal nanoparticles supported on the support including the metal oxide nanoparticles are redispersed, thereby improving the catalytic activity.

본 발명에 따라 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체 및 귀금속 나노입자를 포함하는 촉매를 포함하는 수열 처리된 일산화탄소 산화용 촉매는 실제 자동차 배기 환경과 상당히 유사한 수열 처리 조건을 적용하여 촉매 불활성 문제를 해결하고, 촉매 활성이 한층 더 향상시키는 효과를 달성하는바, 본 발명은 활성화되고 안정한 신규 자동차 촉매를 설계하는데 기여할 수 있다.The hydrothermally treated carbon monoxide oxidation catalyst comprising a support comprising metal oxide nanoparticles and a catalyst comprising precious metal nanoparticles according to the present invention applies hydrothermal treatment conditions that are substantially similar to the actual vehicle exhaust environment to solve the catalyst deactivation problem. In addition, the catalyst activity achieves the effect of further improving, and the present invention can contribute to the design of a new automobile catalyst that is activated and stable.

본 발명에 따라 제공되는 일산화탄소 산화용 촉매는 수열 처리된 후 팔라듐의 재분산 현상이 발생하고 촉매 표면에 카보네이트 종의 형성이 감소된다. 그 결과 저온 일산화탄소 산화에 대한 촉매 활성 및 내구성이 크게 향상되는 효과가 있다.The catalyst for oxidizing carbon monoxide provided according to the present invention undergoes hydrothermal treatment, and redispersion of palladium occurs and the formation of carbonate species on the surface of the catalyst is reduced. As a result, catalytic activity and durability against low temperature carbon monoxide oxidation are greatly improved.

도 1은 본 발명의 촉매를 수열 처리함에 따라 Pd 나노입자가 산화세륨 지지체 상에서 재분산되고 수산기에 의해 피독물질 형성이 감소하여, 높은 CO 산화 활성 및 내구성을 나타내는 것에 관한 개념도이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조한 (a) 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (b) 열처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (c) 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 HAADF-STEM 이미지이다. 흰색 원은 산화세륨 표면의 팔라듐을 표시한 것이다. (d)는 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 EDS 맵핑 이미지이다. 빨간색은 팔라듐, 녹색은 세륨을 나타낸다.
도 3 (a)는 산화세륨의 HAADF-STEM 이미지이고, (b)는 산화세륨, (c)는 열처리하지 않은 Pd 0.1 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (d)는 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 TEM 이미지이다.
도 4 (a)는 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (b) 열처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 HAADF-STEM 및 EDS 맵핑 이미지이다. 빨간색은 팔라듐, 녹색은 세륨을 나타낸다.
도 5 (a) 내지 (e)는 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 HR-TEM 이미지이다. 빨간 원은 팔라듐을 표시한 것이다. (f)는 HR-TEM 이미지로부터 얻은 팔라듐 직경 분포도이다.
도 6 (a) 내지 (e)는 열처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 HR-TEM 이미지이다. 빨간 원은 팔라듐을 표시한 것이다. (f)는 HR-TEM 이미지로부터 얻은 팔라듐 직경 분포도이다.
도 7 (a) 내지 (e)는 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 HR-TEM 이미지이다. 빨간 원은 팔라듐을 표시한 것이다. (f)는 HR-TEM 이미지로부터 얻은 팔라듐 직경 분포도이다.
도 8 (a) 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (b) 열처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 (T), (c) 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 (HT), (d) 열처리하지 않은 Pd 0.1 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (e) 열처리된 Pd 0.1 중량%의 Pd/CeO2 촉매 (T), (f) 수열 처리된 Pd 0.1 중량%의 Pd/CeO2 촉매 (HT)의 Pd 3d XPS 스펙트럼이다. (Pd0 : 341.5 eV (3d3 /2)/336 eV (3d5 /2), Pd2 + : 342 eV (3d3 /2)/337.5 eV (3d5/2))
도 9는 열처리 또는 수열 처리 전후의 Pd 0.1 중량% 및 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 XRD 결과이다. PdO 피크는 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 수열 처리한 뒤 사라졌다.
도 10은 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 (as-made) 및 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 (HT) 각 50 mg으로 (a) 다른 수분 함량, (b) 다른 수열 처리 온도, (c) 다른 수열 처리 시간 조건 및 120,000 ml/hrgcat에서 100 sccm의 흐름속도 (He 하에서 1 % CO 및 1% O2) 하에서 CO 산화시킨 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 열처리하지 않은 (as-made), 열처리된 (T), 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, PdO 및 Pd 호일의 XANES (X-ray absorption near-edge structure) 데이터이다.
도 12 (a)는 열처리하지 않은 (as-made), 열처리된 (T), 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, PdO 및 Pd 호일의 Pd K 엣지 k3 가중 푸리에 변환 EXAFS 스펙트럼이고, 실선은 실험 데이터를, 점선은 피팅한 결과이다. PdO 및 Pd 호일의 스펙트럼은 각각 1/3배 및 1/4배 곱하여 비교하기 쉽게 나타낸 것이다. (b)는 열처리하지 않은 (as-made), 열처리된 (T), 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 FT-EXAFS 스펙트럼을 겹쳐서 나타낸 것이다.
도 13은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 열처리 또는 수열 처리된 후의 CO 흡착 유형 변화를 in-situ DRIFT 측정으로 확인한 도이다.
도 14는 실시예 1 및 비교예 9에 따라 제조한 촉매로 CO를 산화시킨 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 열처리하지 않은, 수열 처리된 (HT) M = Pd, Pt, Rh, Ru 2 중량%의 M/CeO2 촉매로 120,000 ml/hrgcat에서 100 sccm의 흐름속도 (He 하에서 1 % CO 및 1% O2) 하에서 CO 산화시킨 결과를 나타낸 그래프이다.
도 16은 열처리하지 않은 (as-made), 수열 처리된 (HT) Pd/CeO2 촉매에서 Pd 중량비를 조절하면서 120,000 ml/hrgcat에서 100 sccm의 흐름속도 (He 하에서 1 % CO 및 1% O2) 하에서 CO를 산화시킨 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 열처리하지 않은, 열처리된 (T), 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매로 120,000 ml/hrgcat에서 100 sccm의 흐름속도 (He 하에서 1 % CO 및 1% O2) 하에서 CO를 산화시킨 결과를 나타낸 도이다. '2.0 H2O'는 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 3.2 % H2O를 포함하는 CO 및 O2 흐름에 접촉시켜 CO를 산화시킨 결과를 나타낸다.
도 18은 느린 공간 속도 24,000 ml/hrgcat 및 10 %로 높은 O2함량을 가지는 조건에서 CO 산화 결과를 나타낸 그래프이다. 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 1 % CO 흐름에 사용하였다.
도 19는 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 in-situ DRIFT 결과를 나타낸 도이다. 2 % CO와 Ar을 25 ℃에서 20분간 흐르게 하고, 잔류 CO 가스를 진공 하에서 퍼지시킨 후 25 내지 125 ℃에서 IR 스펙트럼을 얻는 동안 Ar을 포함한 2 % O2를 10분간 흐르게한 것이다.
도 20은 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 사용하여 CO 흐름에 포함된 물의 함량에 따른 CO 산화에 대한 촉매 활성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 21 (a)는 다양한 수열 처리 시간, (b)는 25시간 동안 수열 처리된 촉매로 반복 반응시킨 CO 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 22 (a)는 열처리하지 않은 (as-made), 수열 처리된 (HT), 570 ℃에서 열처리 후 수열 처리된 (570-HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 이용하는 경우의 CO 산화 반응 속도를 나타낸 그래프이다. (b)는 반응 속도로부터 ln r과 1/T의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 23 (a)는 H2 18O로 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 승온 탈착법 (TPD) 결과를 나타낸 도이다. H2 16O (m/z=18) 및 H2 18O (m/z=20)을 질량 분석으로 모니터링한 것이다. (b)는 H2 18O로 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 TPRS (Temperature-programmed reaction spectroscopy) 결과를 나타낸 도이다. CO 흐름을 0.5 분마다 껐다 켰다를 반복하였다. C16O2 (m/z=44), C16O18O (m/z=46), 및 C18O2 (m/z=48)을 질량 분석으로 모니터링한 것이다.
도 24 (a)는 열처리하지 않은, 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 이용하여 CO와 C3H6 동시 산화를 진행한 결과이다. (b)는 열처리하지 않은, 열처리된 (T), 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 황 (S)으로 오염시킨 후의 CO 산화 결과이다.
도 25 (a)는 열처리하지 않은, 열처리된 (T), 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매로 CO 산화에 대한 장기 내구성 시험한 결과이다. (b)는 100 ppm의 SO2 흐름 존재 하에서 CO 산화 결과를 나타낸 그래프이다.
도 26은 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 이용하여 다양한 온도에서 연속적으로 CO 산화를 수행한 결과를 나타낸 그래프이다. 각 CO 산화 사이클이 종료되면, 샘플을 실온으로 식히고, 다음 온도에서 진행한 것이다.
도 27 (a) 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (b) 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 카보네이트 형성을 in-situ DRIFT로 분석한 결과이고, (c) 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매, (d) 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 표면 수산기 존재 여부를 in-situ DRIFT로 분석한 결과이다.
도 28 (a) 열처리하지 않은 산화세륨, (b) 수열 처리된 산화세륨의 카보네이트 형성을 in-situ DRIFT로 분석한 결과이고, (c) 열처리하지 않은 산화세륨, (d) 수열 처리된 산화세륨의 표면 수산기 존재 여부를 in-situ DRIFT로 분석한 결과이다.
도 29은 열처리하지 않은 산화세륨과 수열 처리된 (HT) 산화세륨, 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 및 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 표면에 카보네이트를 형성시킨 후 질량 분석을 통해 CO2 (m/z=44)의 TPD를 측정한 것이다.
도 30은 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 및 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 황산염 형성에 대한 DRIFT 데이터이다. 비교를 위해 열처리하지 않은 산화세륨, 수열 처리된 산화세륨 및 Pd 2 중량%의 Pd/Al2O3 촉매의 DRIFT 데이터를 표시하였다.
도 31 (a)는 표면 카보네이트 형성 전, (b)는 형성 후의 산화세륨 및 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매의 질량 분석으로 관찰된 산소 (m/z=32)의 TPD를 나타낸 그래프이다.
도 32는 카보네이트 형성 (C) 전후의 열처리하지 않은 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매 및 수열 처리된 (HT) Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매에 CO/He를 흘리는 경우의 TPD 그래프이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram of Pd nanoparticles being redispersed on a cerium oxide support as the hydrothermal treatment of the catalyst of the present invention and the formation of poisoning substances by the hydroxyl group, resulting in high CO oxidation activity and durability.
FIG. 2 shows (a) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment, (b) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst with heat treatment, (c) Pd, prepared according to Example 1 HAADF-STEM image of 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst. White circles represent palladium on the surface of cerium oxide. (d) is an EDS mapping image of a hydrothermally treated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst. Red is palladium and green is cerium.
Figure 3 (a) is a HAADF-STEM image of cerium oxide, (b) is cerium oxide, (c) 0.1% by weight of Pd untreated Pd / CeO 2 catalyst, (d) Pd 2 weight unheated TEM image of% Pd / CeO 2 catalyst.
4 (a) is that the HAADF-STEM and EDS mapping image of Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst of, (b) the Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst of the heat treatment to the heat treatment. Red is palladium and green is cerium.
5 (a) to (e) are HR-TEM images of Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment. The red circle represents palladium. (f) is the palladium diameter distribution plot obtained from the HR-TEM image.
6 (a) to (e) are HR-TEM images of Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst heat treated. The red circle represents palladium. (f) is the palladium diameter distribution plot obtained from the HR-TEM image.
7 (a) to (e) are HR-TEM images of Pd 2 / CeO 2 catalyst of hydrothermally treated Pd 2% by weight. The red circle represents palladium. (f) is the palladium diameter distribution plot obtained from the HR-TEM image.
8 (a) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment, (b) 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst (T) with heat treatment Pd, (c) Pd 2 wt% Pd with hydrothermal treatment / CeO 2 catalyst (HT), (d) 0.1% by weight of Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment, (e) 0.1% by weight of Pd / CeO 2 catalyst (T) with heat treatment, (f) hydrothermally treated Pd 3d XPS spectrum of Pd 0.1 wt% Pd / CeO 2 catalyst (HT). (Pd 0: 341.5 eV (3d 3/2) / 336 eV (3d 5/2), Pd 2 +: 342 eV (3d 3/2) /337.5 eV (3d 5/2))
FIG. 9 shows XRD results of 0.1 wt% and 2 wt% Pd / CeO 2 catalysts before and after heat treatment or hydrothermal treatment. The PdO peak disappeared after hydrothermal treatment of 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst.
FIG. 10 shows (a) different moisture content, with 50 mg of Pd 2C% by weight Pd / CeO 2 catalyst (as-made) and Pd 2C% by weight hydrotreated Pd / CeO 2 catalyst (HT), respectively; b) CO oxidation results at different hydrothermal temperatures, (c) different hydrothermal treatment conditions and at flow rates of 100 sccm (1% CO and 1% O 2 under He) at 120,000 ml / hrg cat .
FIG. 11 shows the X-ray absorption near-edge structure of as-made, heat treated (T), hydrothermally treated (HT) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst, PdO and Pd foil ) Data.
Figure 12 (a) shows Pd K edge k 3 weighted Fourier of as-made, heat treated (T), hydrothermally treated (HT) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst, PdO and Pd foil It is a transformed EXAFS spectrum, and the solid line is the result of fitting experimental data and the dotted line. The spectra of PdO and Pd foils are multiplied by 1/3 and 1/4 times respectively for easy comparison. (b) shows the FT-EXAFS spectra of the as-made, heat-treated (T) and hydrothermally treated (HT) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalysts.
13 is a diagram confirming the change in the type of CO adsorption after heat treatment or hydrothermal treatment of Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst by in-situ DRIFT measurement.
14 is a graph showing the results of oxidizing CO with catalysts prepared according to Example 1 and Comparative Example 9. FIG.
FIG. 15 shows a flow rate of 100 sccm at 120,000 ml / hrg cat (1% CO under He) with unheat-treated, hydrothermally treated (HT) M = Pd, Pt, Rh, Ru 2 wt.% M / CeO 2 catalyst. It is a graph showing the result of CO oxidation under 1% O 2 ).
FIG. 16 is a flow rate of 100 sccm at 120,000 ml / hrg cat (1% CO and 1% O under He) while controlling Pd weight ratio in an as-made, hydrothermally treated (HT) Pd / CeO 2 catalyst. 2 ) is a graph showing the results of oxidation of CO under.
FIG. 17 shows a flow rate of 100 sccm at 120,000 ml / hrg cat (1% CO and 1% under He) with Pd / CeO 2 catalyst of 2 % by weight of (T), hydrothermally treated (HT) Pd, not heat treated. Figure shows the result of oxidizing CO under O 2 ). '2.0 H 2 O' represents the result of oxidizing CO by contacting a Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment to a CO and O 2 stream comprising 3.2% H 2 O.
FIG. 18 is a graph showing CO oxidation results under conditions with a slow space velocity of 24,000 ml / hrg cat and a high O 2 content of 10%. Hydrothermally treated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst was used for the 1% CO stream.
19 is a diagram showing in-situ DRIFT results of a hydrothermally treated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst. 2% CO and Ar were flowed at 25 ° C. for 20 minutes, the residual CO gas was purged under vacuum, and 2% O 2 including Ar was flowed for 10 minutes while obtaining an IR spectrum at 25 to 125 ° C.
20 is a graph showing the change in catalytic activity for CO oxidation according to the amount of water included in the CO stream using Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment.
21 (a) is a graph showing the results of CO oxidation by various hydrothermal treatment times, and (b) repeatedly reacted with a hydrothermally treated catalyst for 25 hours.
Figure 22 (a) is not heat-treated (as-made), CO in the case of using the hydrothermal-treated (HT), a post heat treatment at 570 ℃ hydrothermal treatment (570-HT) Pd / CeO of Pd 2% by weight of second catalyst It is a graph showing the oxidation reaction rate. (b) is a graph showing the relationship between ln r and 1 / T from the reaction rate.
Figure 23 (a) is a diagram showing the result of the temperature desorption (TPD) method of Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst hydrothermally treated with H 2 18 O. H 2 16 O (m / z = 18) and H 2 18 O (m / z = 20) were monitored by mass spectrometry. (b) is a diagram showing the results of Temperature-programmed reaction spectroscopy (TPRS) of Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst hydrothermally treated with H 2 18 O. The CO flow was turned off and on again every 0.5 minutes. C 16 O 2 (m / z = 44), C 16 O 18 O (m / z = 46), and C 18 O 2 (m / z = 48) were monitored by mass spectrometry.
FIG. 24 (a) shows the result of co-oxidation of CO and C 3 H 6 using Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% of hydrothermally treated (HT) Pd without heat treatment. (b) is the result of CO oxidation after contaminating the untreated heat treated (T), hydrothermally treated (HT) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst with sulfur (S).
Figure 25 (a) is a result of a long-term durability test for CO oxidation with a Pd / CeO 2 catalyst of 2 % by weight (T), hydrothermally treated (HT) Pd untreated, hydrothermally treated. (b) is a graph showing the results of CO oxidation in the presence of 100 ppm SO 2 stream.
FIG. 26 is a graph showing the results of CO oxidation continuously at various temperatures using a hydrothermally treated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst. At the end of each CO oxidation cycle, the samples were cooled to room temperature and run at the next temperature.
FIG 27 (a) Pd / CeO of the non-heat-treated Pd 2% by weight of second catalyst, was analyzed and (b) a hydrothermal treatment carbonate formation of the Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst to the in-situ DRIFT, ( c) Pd / CeO 2 catalyst with 2 % by weight of Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment and (d) Pd / CeO 2 catalyst with 2 % by weight of hydrothermally treated Pd / CeO 2 catalyst were analyzed by in-situ DRIFT.
28 (a) Cerium oxide not heat-treated, (b) Carbonate formation of hydrothermally treated cerium oxide was analyzed by in-situ DRIFT, (c) Cerium oxide not heat-treated, (d) Cerium oxide heat-treated In-situ DRIFT analyzes the presence of surface hydroxyl group in.
29 shows the surface of cerium oxide untreated and hydrothermally treated (HT) cerium oxide, untreated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst and hydrothermally treated (HT) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst surface After forming the carbonate, mass spectrometry was used to measure the TPD of CO 2 (m / z = 44).
30 is a DRIFT data for the sulfate form of the Pd that is not 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst and the hydrothermal treatment (HT) of Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst of the heat treatment. For comparison, DRIFT data of unheat treated cerium oxide, hydrothermally treated cerium oxide and Pd 2 wt.% Pd / Al 2 O 3 catalyst are shown.
(A) is a graph showing the TPD of oxygen (m / z = 32) observed by mass spectrometry of cerium oxide and Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst before formation of surface carbonate and (b) after formation .
32 is a TPD graph when CO / He is flowed into an unheat-treated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst and a hydrothermally treated (HT) Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst before and after carbonate formation (C) to be.

본 발명은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체 및 상기 지지체에 고정된 귀금속 나노입자를 포함하고, 귀금속 나노입자의 직경이 0.3 내지 1.6 nm인, 일산화탄소 산화용 촉매에 관한 것이다. 본 발명의 촉매를 수열 처리함에 따라, 귀금속 나노입자의 직경이 상기 범위와 같이 나타날 수 있고, 이러한 경우 일산화탄소 산화에 필요한 촉매 활성을 나타낼 수 있는 촉매의 비표면적을 갖게 된다.The present invention relates to a catalyst comprising a metal oxide nanoparticle and a noble metal nanoparticle fixed to the support, wherein the diameter of the noble metal nanoparticle is 0.3 to 1.6 nm, the catalyst for carbon monoxide oxidation. By hydrothermal treatment of the catalyst of the present invention, the diameter of the noble metal nanoparticles can be represented as in the above range, in which case it has a specific surface area of the catalyst that can exhibit the catalytic activity required for carbon monoxide oxidation.

본 발명에 있어서, 금속 산화물은 산화세륨 또는 산화티타늄일 수 있다. 산화세륨 및 산화티타늄은 귀금속에 대해 강한 금속-지지 상호작용을 나타내어 귀금속 나노입자를 포함하는 촉매를 고정하는 지지체로 사용하기에 적합하다.In the present invention, the metal oxide may be cerium oxide or titanium oxide. Cerium oxide and titanium oxide exhibit strong metal-supporting interactions with noble metals and are suitable for use as a support for fixing catalysts comprising noble metal nanoparticles.

본 발명에 있어서, 귀금속은 팔라듐, 로듐, 백금 및 루테늄으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택될 수 있다. 여기서 상기 귀금속은 본 발명의 일산화탄소 산화용 촉매에 대해 0.1 내지 5.0 중량%로 포함될 수 있다. 바람직하게는, 2.0 중량%로 포함될 수 있다. 귀금속의 함량이 0.1 중량%보다 낮은 경우에는 일산화탄소 산화 효율이 현저히 낮아지고, 5.0 중량%보다 높은 경우에는 경제적 효율이 낮아지며, 귀금속 함량 대비 산화 효율이 낮아지게 된다.In the present invention, the noble metal may be selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum and ruthenium. Wherein the noble metal may be included in 0.1 to 5.0% by weight relative to the catalyst for carbon monoxide oxidation of the present invention. Preferably, it may be included in 2.0% by weight. When the content of the precious metal is less than 0.1% by weight, the carbon monoxide oxidation efficiency is significantly lowered, when higher than 5.0% by weight, the economic efficiency is lowered, the oxidation efficiency is lowered compared to the precious metal content.

본 발명에 있어서, 촉매의 비표면적은 30 m2/g 이상일 수 있다. 바람직하게는, 촉매 비표면적이 30 내지 60 m2/g일 수 있다. 촉매의 비표면적이 30 m2/g보다 낮은 경우 일산화탄소 산화 효율이 현저히 낮아지는 문제점이 있다.In the present invention, the specific surface area of the catalyst may be 30 m 2 / g or more. Preferably, the catalyst specific surface area may be between 30 and 60 m 2 / g. When the specific surface area of the catalyst is lower than 30 m 2 / g, there is a problem that the carbon monoxide oxidation efficiency is significantly lowered.

본 발명에 있어서, 수열 처리는 습윤 환경에서의 가열을 통해 수행되는 처리를 통칭하는 것으로, 습기가 제거된 환경에서 가열을 통해 수행되는 열처리와 구별되는 것이다. 본 발명에 따라 수열 처리된 일산화탄소 산화용 촉매는 촉매 지지체 상의 귀금속 나노입자가 재분산된 것일 수 있다. 여기서, 수열 처리에 따른 귀금속 나노입자의 재분산 현상은, 금속성 귀금속 나노입자의 비율이 감소되면서 이온성 귀금속 나노입자의 비율이 증가되고, 이에 따라 상기 금속성 귀금속 나노입자의 클러스터가 상기 이온성 귀금속 나노입자에 의해 재분산되는 것을 의미하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 이러한 귀금속 나노입자의 재분산은 본 발명에 따른 일산화탄소 산화용 촉매의 촉매 활성을 향상시키는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 수열 처리된 일산화탄소 산화용 촉매는 일산화탄소 산화 과정에서 카보네이트 종의 형성이 억제될 수 있다. 여기서, 상기 카보네이트 종은 일산화탄소 산화 활성을 감소시키는 결과를 초래하는 독성 성분으로서, 상기 수열 처리에 의해 상기 카보네이트 종의 형성이 억제됨에 따라 상기 일산화탄소 산화용 촉매의 활성이 향상되는 결과가 야기될 수 있다. 본 발명에 따른 일산화탄소 산화용 촉매는 600 내지 750℃의 온도 및 5 내지 10%의 H2O를 함유하는 공기 중에서 수열 처리된 것일 수 있다. 600℃ 미만의 온도 또는 5% 미만의 H2O를 함유하는 공기 중에서 수열 처리하는 경우에는 귀금속 나노입자가 금속 산화물 지지체에 잘 재분산되지 않는 문제가 발생하며, 이는 곧 일산화탄소 산화 효율 급감으로 이어지게 된다. 수열 처리 온도가 750℃를 초과하면 귀금속 나노입자가 소결되는 문제점이 발생하고, 10% 이상의 H2O를 함유하는 공기 중에서 수열 처리하는 경우 물이 촉매 표면에 너무 많이 붙게 되어 촉매의 반응성이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 본 발명에 있어서 수열 처리는 상기와 같은 온도 및 습도 조건에서 19 내지 30시간동안 수행되는 것일 수 있다. 19시간보다 짧게 처리하는 경우 금속 나노입자의 재분산이 덜 일어나게 되며, 30시간을 초과하는 경우 금속 나노입자가 소결되는 문제점이 발생한다.In the present invention, hydrothermal treatment collectively refers to a treatment performed through heating in a humid environment, and is distinguished from a heat treatment performed through heating in a dehumidified environment. In the hydrothermally treated carbon monoxide oxidation catalyst according to the present invention, the noble metal nanoparticles on the catalyst support may be redispersed. Here, the redispersion phenomenon of the noble metal nanoparticles according to the hydrothermal treatment, the proportion of the ionic noble metal nanoparticles increases as the ratio of the metallic noble metal nanoparticles is reduced, so that the cluster of the metallic noble metal nanoparticles is the ionic precious metal nano It may mean to be redispersed by the particles, but is not limited thereto. Redispersion of such noble metal nanoparticles may be to improve the catalytic activity of the catalyst for carbon monoxide oxidation according to the present invention. In addition, the catalyst for hydrothermally treated carbon monoxide oxidation according to the present invention can be suppressed the formation of carbonate species in the carbon monoxide oxidation process. Here, the carbonate species is a toxic component that results in reducing the carbon monoxide oxidation activity, the formation of the carbonate species by the hydrothermal treatment may be the result of the activity of the catalyst for the carbon monoxide oxidation is improved. . The catalyst for oxidizing carbon monoxide according to the present invention may be hydrothermally treated in air containing a temperature of 600 to 750 ° C. and 5 to 10% of H 2 O. Hydrothermal treatment in air at temperatures below 600 ° C. or in air containing less than 5% H 2 O results in poor noble metal nanoparticles redispersing the metal oxide support, leading to a sharp drop in carbon monoxide oxidation efficiency. . If the hydrothermal temperature exceeds 750 ℃, a problem that the noble metal nanoparticles are sintered occurs, and when hydrothermally treated in air containing more than 10% H 2 O water is stuck to the surface of the catalyst too much to reduce the reactivity of the catalyst A problem arises. In addition, in the present invention, the hydrothermal treatment may be performed for 19 to 30 hours at the above temperature and humidity conditions. If the treatment is shorter than 19 hours, less redispersion of the metal nanoparticles occurs, and if the time exceeds 30 hours, the metal nanoparticles are sintered.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 일산화탄소 산화용 촉매를 포함하고, 자동차 내연기관 후단에 위치되는, 자동차 배기가스 정화 장치에 관한 것이다. 여기서, 자동차 내연기관은 디젤 또는 가솔린 내연기관을 모두 포함하는 것이나, 이에 제한되지는 않는다.The present invention further relates to an automobile exhaust gas purification apparatus comprising a catalyst for oxidizing carbon monoxide according to the present invention, which is located at a rear end of an automobile internal combustion engine. Here, the automotive internal combustion engine includes, but is not limited to, a diesel or gasoline internal combustion engine.

또한, 본 발명은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체를 형성하는 것, 상기 지지체 상에 귀금속 나노입자를 포함하는 촉매를 고정하여 일산화탄소 산화용 촉매를 형성하는 것 및 상기 일산화탄소 산화용 촉매를 수열 처리하는 것을 포함하는, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention is to form a support comprising a metal oxide nanoparticles, to fix a catalyst comprising a noble metal nanoparticles on the support to form a catalyst for carbon monoxide oxidation and hydrothermal treatment of the catalyst for carbon monoxide oxidation It relates to a method for producing a catalyst for carbon monoxide oxidation, including.

실시예Example  And 실험예Experimental Example

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.

실시예 1-1. Pd/CeOExample 1-1. Pd / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

산화세륨 지지체는 침전 방법으로 제조하였다. Ce(NO3)36H2O (칸토 케미컬) 1000 mg을 원형-바닥 플라스크에서 23 mL의 증류수에 용해하여 0.1 M 수용액을 제조하였다. 이후, 상기 수용액을 지속적으로 교반 (500 rpm) 하면서 용액의 pH가 8.5에 도달할 때까지 암모니아수 (덕산)를 드롭 방식으로 첨가하여 세륨 수산화물을 형성하였다. 500 rpm으로 1시간 동안 교반한 후, 옅은 황색의 슬러리를 수득하여 걸러내고, 2회 증류된 물로 수차례 세척하여 음이온 불순물을 제거하였다. 수득된 침전물들을 컨벡션 오븐에서 80℃에서 12시간 동안 건조시켰고, 수득된 고형체는 세라믹 모르타르에서 미세 파우더 형태로 분쇄하였다. 이후, 수득된 파우더를 공기 분위기에서 5℃/분의 램핑 (ramping) 속도를 가지고 500℃에서 5시간 동안 소성시켰다.The cerium oxide support was prepared by the precipitation method. A 0.1 M aqueous solution was prepared by dissolving 1000 mg of Ce (NO 3 ) 3 6H 2 O (canto chemical) in 23 mL of distilled water in a round-bottom flask. Thereafter, while the aqueous solution was continuously stirred (500 rpm), ammonia water (Duksan) was added dropwise until the pH of the solution reached 8.5 to form cerium hydroxide. After stirring for 1 hour at 500 rpm, a pale yellow slurry was obtained, filtered and washed several times with distilled water twice to remove anionic impurities. The precipitates obtained were dried in a convection oven at 80 ° C. for 12 hours, and the solids obtained were ground to fine powder in a ceramic mortar. The powder obtained was then calcined at 500 ° C. for 5 hours with a ramping rate of 5 ° C./min in an air atmosphere.

퇴적-침전 방법으로 산화세륨에 지지된 팔라듐 촉매를 제조하였다. 20 mL 바이알에 산화세륨 파우더 196 mg 및 증류수 5 mL를 첨가하고 격렬하게 교반 (900 rpm)하여 산화세륨 파우더를 증류수에 분산시켰다. H2PdCl4 용액을 제조하기 위하여, 2:1 몰비의 HCl (삼전) 및 PdCl2 (99%, 시그마-알드리치)를 탈이온수에서 혼합시키고, 균질한 용액이 형성될 때까지 초음파 처리하였다. 별도로, 530mg의 Na2CO3 (99.5%, 시그마-알드리치)를 증류수 10 mL에 혼합하여 Na2CO3 수용액을 제조하였다. 이후, H2PdCl4 (Pd 4mg) 및 Na2CO3 수용액을 드롭 방식으로 상기 산화세륨 분산액에 교반 (900 rpm) 하면서 도입하여, 최종 용액의 pH가 9가 되도록 조절하였다. 2시간 동안 지속적으로 교반하고, 이어서 2 시간 동안 상온에서 방치한 후, 상기 용액을 걸러내고 탈이온수로 수차례 세척하고, 이후 80℃에서 5 시간 동안 건조시켰다.A palladium catalyst supported on cerium oxide was prepared by the deposition-precipitation method. 196 mg of cerium oxide powder and 5 mL of distilled water were added to a 20 mL vial, followed by vigorous stirring (900 rpm) to disperse the cerium oxide powder in distilled water. To prepare the H 2 PdCl 4 solution, a 2: 1 molar ratio of HCl (serial) and PdCl 2 (99%, Sigma-Aldrich) were mixed in deionized water and sonicated until a homogeneous solution was formed. Separately, 530 mg of Na 2 CO 3 (99.5%, Sigma-Aldrich) was mixed with 10 mL of distilled water to prepare a Na 2 CO 3 aqueous solution. Thereafter, H 2 PdCl 4 (Pd 4 mg) and Na 2 CO 3 aqueous solution were introduced into the cerium oxide dispersion in a dropwise manner with stirring (900 rpm) to adjust the pH of the final solution to 9. After stirring for 2 hours and then standing at room temperature for 2 hours, the solution was filtered off and washed several times with deionized water and then dried at 80 ° C. for 5 hours.

상기와 같은 방법을 통해, Pd 0.1 중량%, 0.2 중량%, 0.5 중량%, 1 중량%, 2 중량%, 4중량% 및 5중량%인 Pd/CeO2 촉매를 합성하였다.Through the same method, Pd / CeO 2 catalyst having 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.5 wt%, 1 wt%, 2 wt%, 4 wt% and 5 wt% Pd was synthesized.

추가적으로, 제조한 Pd/CeO2 촉매에 144.5 sccm의 건조 공기를 750 ℃에서 25시간 동안 접촉시켜 열처리된 Pd/CeO2 촉매를 준비하였다.Additionally, it was prepared by the the of 144.5 sccm air dried at a Pd / CeO 2 catalyst prepared in the contact 750 ℃ for 25 hours heat treatment Pd / CeO 2 catalyst.

또한, 제조한 Pd/CeO2 촉매에 10% H2O를 포함하는 144.5 sccm의 공기를 750 ℃에서 25시간 동안 접촉시켜 수열 처리된 Pd/CeO2 촉매를 준비하였다.In addition, by contacting of 144.5 sccm containing 10% H 2 O to prepare a Pd / CeO 2 catalyst at 750 ℃ air for 25 hours to prepare a hydrothermal treatment Pd / CeO 2 catalyst.

실시예 1-2. Rh/CeOExample 1-2. Rh / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

H2RhCl5 용액을 제조하여 귀금속으로 로듐을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Rh 2 중량%인 Rh/CeO2 촉매를 합성하였다.A Rh 2 wt% Rh / CeO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1, except that H 2 RhCl 5 solution was prepared and rhodium was used as the precious metal.

실시예 1-3. Pt/CeOExample 1-3. Pt / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

H2PtCl66H2O 용액을 제조하여 귀금속으로 백금을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Pt 2 중량%인 Pt/CeO2 촉매를 합성하였다.An H 2 PtCl 6 6H 2 O solution was prepared, and a Pt 2 Ce wt 2 catalyst was prepared by the method of Example 1-1, except that platinum was used as the precious metal.

실시예 1-4. Ru/CeOExample 1-4. Ru / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

H2RuCl5 용액을 제조하여 귀금속으로 루테늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Ru 2 중량%인 Ru/CeO2 촉매를 합성하였다.A Ru 2 wt% Ru / CeO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1 except that H 2 RuCl 5 solution was prepared and ruthenium was used as the precious metal.

비교예 1. Ir/CeOComparative Example 1. Ir / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

H2IrCl5 용액을 제조하여 이리듐을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Ir 2 중량%인 Ir/CeO2 촉매를 합성하였다.Ir 2 wt% Ir / CeO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1 except that H 2 IrCl 5 solution was prepared and iridium was used.

비교예 2. Au/CeOComparative Example 2. Au / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

HAuCl43H2O 용액을 제조하여 금을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Au 2 중량%인 Au/CeO2 촉매를 합성하였다.An Au 2 wt% Au / CeO 2 catalyst was synthesized in the same manner as in Example 1-1 except that HAuCl 4 3H 2 O solution was used to prepare gold.

비교예 3. Cu/CeOComparative Example 3 Cu / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

H2CuCl4 용액을 제조하여 구리를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Cu 2 중량%인 Cu/CeO2 촉매를 합성하였다.Cu 2 wt% Cu / CeO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1, except that H 2 CuCl 4 solution was prepared and copper was used.

비교예 4. Co/CeOComparative Example 4. Co / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

H2CoCl4 용액을 제조하여 코발트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Co 2 중량%인 Co/CeO2 촉매를 합성하였다.A Co 2 wt% Co / CeO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1, except that cobalt was used to prepare a H 2 CoCl 4 solution.

비교예 5. Ni/CeOComparative Example 5. Ni / CeO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

H2NiCl4 용액을 제조하여 코발트를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Ni 2 중량%인 Ni/CeO2 촉매를 합성하였다.A Ni 2 wt% Ni / CeO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1, except that H 2 NiCl 4 solution was prepared and cobalt was used.

실시예 2. Pd/TiOExample 2. Pd / TiO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

지지체로 산화티타늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Pd/TiO2 촉매를 합성하였다.A Pd / TiO 2 catalyst was synthesized in the same manner as in Example 1-1, except that titanium oxide was used as the support.

비교예 6. Pd/ZrOComparative Example 6 Pd / ZrO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

지지체로 산화지르코늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Pd/ZrO2 촉매를 합성하였다.A Pd / ZrO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1 except that zirconium oxide was used as the support.

비교예 7. Pd/MgO 촉매 합성Comparative Example 7. Synthesis of Pd / MgO Catalyst

지지체로 산화마그네슘을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Pd/MgO 촉매를 합성하였다.A Pd / MgO catalyst was synthesized by the method of Example 1-1, except that magnesium oxide was used as the support.

비교예 8. Pd/AlComparative Example 8. Pd / Al 22 OO 33 촉매 합성 Catalytic synthesis

지지체로 산화알루미늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Pd/Al2O3 촉매를 합성하였다.A Pd / Al 2 O 3 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1 except that aluminum oxide was used as the support.

비교예 9. Pd/CeComparative Example 9. Pd / Ce 0.50.5 ZrZr 0.50.5 OO 22 촉매 합성 Catalytic synthesis

Jason A. L. et. al. (Appl. Cat. B. Env., 2016, 185, pp 189-202)에 기재된 방법대로 지지체로 산화세륨-지르코니아, 금속 촉매로 팔라듐을 사용하여 Pd/Ce0.5Zr0.5O2 촉매를 합성하였다.Jason AL et. al. Pd / Ce 0.5 Zr 0.5 O 2 catalyst was synthesized using cerium oxide-zirconia as support and palladium as metal catalyst as described in (Appl. Cat. B. Env., 2016, 185, pp 189-202).

실험예Experimental Example

촉매를 이용한 CO 산화 반응 방법CO Oxidation Reaction Using Catalyst

실시예 및 비교예에 따라 제조한 촉매 각 50 mg을 U-형 쿼츠 셀에 주입하였다. 이때 열처리 하지 않고 단순 제조한 촉매, 열처리된 촉매 및 수열 처리된 촉매를 비교 실험하였다. 반응기를 100 sccm의 He 가스로 100 ℃에서 1시간 동안 퍼지시키고, He 가스 흐름 하에서 실온으로 냉각시켰다. He 가스 흐름 하에서 CO 산화를 위해 1 % CO 및 1 % O2를 포함하는 공급 가스 총 100 sccm를 도입하였다. 반응기를 5 ℃/min의 상승 속도로 25 ℃부터 10 ℃ 간격으로 CO 전환율 100%에 도달할 때까지 승온시키고, 각 온도에 도달하면 평형 상태를 이루기 위해 18분 동안 유지시켰다.50 mg of each catalyst prepared according to Examples and Comparative Examples was injected into a U-type quartz cell. At this time, a simple prepared catalyst, a heat treated catalyst, and a hydrothermally treated catalyst without heat treatment were compared. The reactor was purged with 100 sccm of He gas at 100 ° C. for 1 hour and cooled to room temperature under He gas flow. A total of 100 sccm of feed gas containing 1% CO and 1% O 2 was introduced for CO oxidation under He gas flow. The reactor was heated up at 25 ° C. to 10 ° C. at a rate of 5 ° C./min until it reached 100% CO conversion and held for 18 minutes to reach equilibrium after reaching each temperature.

이하에서 프로필렌 존재에 따른 효과를 확인하는 경우에는 He 가스 흐름 하 1 % CO, 0.2 % C3H6 및 10 % O2로 이루어진 공급 가스 100 sccm을 사용한 것을 제외하고는 상기와 같은 방법으로 수행하였다. 또한, 이하에서 황 오염의 영향은 촉매 상에서 300 ℃에서 2시간 동안 100 ppm의 SO2/He 흐름을 100 sccm씩 흘려준 것을 제외하고는 상기와 같은 방법으로 수행하여 확인하였다. 어떤 경우에는 CO와 O2와 함께 물을 흘려주었고, 수분의 함량은 다양한 온도에서 수조의 유입구 흐름을 버블링시켜 조절하였다.When confirming the effect of the presence of propylene in the following was carried out in the same manner as above except that 100 sccm of the feed gas consisting of 1% CO, 0.2% C 3 H 6 and 10% O 2 under He gas flow. . In addition, below, the influence of sulfur contamination was confirmed by the same method as above except that 100 ppm of SO 2 / He flow was flowed at 100 ppm for 2 hours at 300 ° C on the catalyst. In some cases, water was flowed together with CO and O 2, and the water content was controlled by bubbling the inlet flow of the tank at various temperatures.

생성된 가스를 카복센 1000 칼럼 (75035, SUPELCO, 15 ft × 1/8 in × 2.1 mm), 열전도 검출기 (TCD)가 장착 된 온-라인 가스 크로마토그래피 (GC, Younglin GC 6500 시스템), 모세관 칼럼 (GS-GASPRO, Agilent Technologies, 30m × 0.32mm) 및 화염 이온화 검출기 (FID)를 이용하여 확인하였다.The resulting gas was subjected to a Kaboxen 1000 column (75035, SUPELCO, 15 ft × 1/8 in × 2.1 mm), on-line gas chromatography (GC, Younglin GC 6500 system) equipped with a thermal conductivity detector (TCD), capillary column (GS-GASPRO, Agilent Technologies, 30m × 0.32mm) and flame ionization detector (FID).

Nicolet iS-50 (Thermo Scientific)을 이용하여 in-situ 확산 반사율 푸리에 변환 적외선 분광 (DRIFT; diffuse reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy) 측정하였다. 이를 위해 13 mg의 촉매를 86 mg의 KBr와 혼합하여 분쇄하고, 분쇄된 파우더를 샘플 컵으로 주입하여 DRIFT 셀에 장착시켰다. 셀은 KBr 윈도우로 커버시키고, 실온에서 20 분 동안 98 sccm의 Ar 가스로 퍼지시켰다. 셀을 100 ℃에서 1 시간 Ar 흐름으로 퍼지하여 물을 제거하고 실온으로 냉각시켰다. 이후, DRIFT 셀은 85℃로 20분 동안 가열시키고 온도를 85℃에서 유지시켰는데, 이는 상기 온도에서 열처리되지 않은 제조된 촉매, 열처리, 및 수열 처리된 촉매 사이의 활성 차이가 최대로 나타나기 때문이다. 이후, 2%의 CO 가스를 85℃에서 10분 동안 충진시켰다. 진공에서 DRIFT 스펙트럼을 얻었고, 2%의 O2 가스를 85℃에서 10분 동안 충진시킨 뒤 DRIFT 스펙트럼을 동시에 얻었다. 최종적으로, 진공에서 추가적인 스펙트럼을 얻었다.In-situ diffuse reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy (DRIFT) measurements were performed using Nicolet iS-50 (Thermo Scientific). To this end, 13 mg of catalyst was mixed with 86 mg of KBr and ground, and the ground powder was injected into a sample cup and mounted in a DRIFT cell. The cell was covered with a KBr window and purged with 98 sccm of Ar gas for 20 minutes at room temperature. The cell was purged with an Ar flow at 100 ° C. for 1 hour to remove water and to cool to room temperature. The DRIFT cell was then heated to 85 ° C. for 20 minutes and the temperature was maintained at 85 ° C. because at this temperature the difference in activity between the prepared catalyst, untreated, heat treated, and hydrothermally treated catalysts was greatest. . Thereafter, 2% CO gas was charged at 85 ° C. for 10 minutes. DRIFT spectra were obtained in vacuo, and DRIFT spectra were simultaneously obtained after 2% O 2 gas was charged at 85 ° C. for 10 minutes. Finally, additional spectra were obtained in vacuo.

촉매의 특성 확인 방법How to check the characteristics of the catalyst

Tecnai TF30 ST 장치 (300 kV)를 이용하여 투과전자현미경 (TEM) 이미지를 얻었다. 또한, TF30 ST (Tecnai, 300 kV 가속 전압)를 이용하여 고해상도 투과전자현미경 (HR-TEM) 이미지를 얻었다. 티타늄 큐브된 G2 60-300 (FEI, 300kV 가속 전압)를 이용하여 에너지-분산 X-선 분광법 (EDS) 맵핑 데이터 및 고각고리암시야 주사투과전자현미경 (high angle annular dark field-scanning TEM; HAADF-STEM) 이미지를 얻었다. OPTIMA 7300 DV 기구 상에서 유도 결합형 플라즈마 원자 발광 분광 (Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy; ICP-AES) 분석을 수행하여 촉매 내의 금속 함량을 확인하였다.Transmission electron microscope (TEM) images were obtained using a Tecnai TF30 ST apparatus (300 kV). In addition, a high resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image was obtained using TF30 ST (Tecnai, 300 kV acceleration voltage). Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping data and high angle annular dark field-scanning TEM using titanium cubed G2 60-300 (FEI, 300 kV acceleration voltage); HAADF- STEM) image obtained. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) analysis was performed on an OPTIMA 7300 DV instrument to determine the metal content in the catalyst.

촉매들의 결정 구조는 X-선 회절 (XRD) 패턴 (Rigaku, Cu Kα 방사)을 통해 관찰하였다. 금속의 상태는 X-선 광전자 분광법 (XPS, K-Alpha, Thermo VG Scientific)을 이용하여 확인하였다. 결합 에너지들은 284.8 eV에서 유리한 C 1s 신호의 최대 강도를 레퍼런스로 이용하여 계산하였다. The crystal structure of the catalysts was observed through X-ray diffraction (XRD) pattern (Rigaku, Cu Kα radiation). The state of the metal was confirmed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-Alpha, Thermo VG Scientific). Binding energies were calculated using the maximum intensity of the favorable C 1s signal at 284.8 eV as a reference.

지지체에 지지된 귀금속 나노입자의 직경 (dx)은 Takeguchi 등에 의해 개발된 수정된 펄스 CO 흡착 기술로 확인하였다. 상기 방법은 카보네이트 종으로서 지지체상에 CO가 흡착되어 유발되는 귀금속 나노입자 분산의 과대평가를 방지하기 위해 CO2의 예비-주입을 이용한 것이다. 먼저, 약 50 mg의 2 중량%의 촉매를 3.5% O2/He 가스 내에서 300℃ (10℃/분)에서 10 분 동안 가열시켰고, 이어서 50℃로 냉각시켰으며, 샘플을 4.9 % H2/Ar 흐름에서 200 ℃로 가열시키고, 50 ℃로 냉각시켰다. 이후 샘플을 다음 순서로 가스 흐름에 노출시켰다 : (i) He (5분); (ii) 3.5 % O2/He (5분); (iii) CO2 (10분); (iv) He (20 분); (v) 5 % H2/Ar (5분). 마지막으로, CO는 샘플에 CO의 흡착이 포화될 때까지 He 스트림에서 1 분마다 펄스시켰다.The diameter (d x ) of the noble metal nanoparticles supported on the support was confirmed by a modified pulse CO adsorption technique developed by Takeguchi et al. The method utilizes pre-injection of CO 2 to prevent overestimation of noble metal nanoparticle dispersion caused by the adsorption of CO on the support as carbonate species. First, about 50 mg of 2 wt% catalyst was heated at 300 ° C. (10 ° C./min) for 10 minutes in 3.5% O 2 / He gas, then cooled to 50 ° C., and the sample was 4.9% H 2. Heated to 200 ° C. in a / Ar flow and cooled to 50 ° C. The sample was then exposed to the gas stream in the following order: (i) He (5 minutes); (ii) 3.5% O 2 / He (5 minutes); (iii) CO 2 (10 minutes); (iv) He (20 minutes); (v) 5% H 2 / Ar (5 minutes). Finally, CO was pulsed every minute in the He stream until the adsorption of CO to the sample was saturated.

상기 촉매에서 형성된 표면 탄산염은 질량 분광기 (MS)가 장착된 BELCAT-B (BEL, 일본)에서 승온 탈착법 (TPD)에 의해 측정하였다. 각 촉매 50mg을 U-형 쿼츠 셀에 넣고 100 sccm의 He 흐름하에 100 ℃에서 1시간 동안 전처리하고, 실온으로 냉각시켰다. He 가스 흐름하에 1 % CO 및 1 % O2를 실온에서 20분 동안 셀에 도입하였다. 이후 1시간 동안 100 sccm의 He 흐름으로 물리적으로 흡착된 가스 분자를 퍼지시킨 후, 촉매를 즉시 TPD-쿼츠 셀에 충전시켰다. TPD-쿼츠 셀은 He 흐름이 50 sccm일 때 10 ℃/min의 상승 속도로 600 ℃까지 가열시켰다. 배출된 가스에서 m/z = 44인 이산화탄소를 MS 검출기로 분석하였다. 격자 산소의 이용 가능성은 산소를 모니터링함으로써 TPD-MS에 의해 측정하였다. 샘플을 50 sccm의 3.5 % O2/He로 300 ℃에서 1시간 동안 전처리하고 50 sccm의 He 흐름 하에서 실온으로 냉각시켰다. He 흐름 하에서 10 ℃/min의 상승 속도로 800 ℃까지 온도를 상승시켰다. 배출된 가스에서 m/z = 32인 산소를 MS 검출기로 분석하였다.The surface carbonate formed from the catalyst was measured by a temperature desorption method (TPD) on BELCAT-B (BEL, Japan) equipped with a mass spectrometer (MS). 50 mg of each catalyst was placed in a U-type quartz cell and pretreated at 100 ° C. for 1 hour under a 100 flow flow of He and cooled to room temperature. 1% CO and 1% O 2 were introduced into the cell for 20 minutes at room temperature under He gas flow. After purging physically adsorbed gas molecules with a flow of 100 sccm for 1 hour, the catalyst was immediately charged into a TPD-quartz cell. The TPD-quartz cell was heated to 600 ° C. at a rate of 10 ° C./min when the He flow was 50 sccm. Carbon dioxide with m / z = 44 in the vented gas was analyzed by MS detector. The availability of lattice oxygen was measured by TPD-MS by monitoring oxygen. Samples were pretreated with 50 sccm of 3.5% O 2 / He at 300 ° C. for 1 hour and cooled to room temperature under 50 sccm of He flow. The temperature was raised to 800 ° C. at a rate of 10 ° C./min under He flow. Oxygen with m / z = 32 in the vented gas was analyzed by MS detector.

수열처리에 따른 금속의 직경 변화 확인Confirmation of diameter change of metal by hydrothermal treatment

실시예 1에 따라 제작된 열처리되지 않은 Pd/CeO2 촉매, 열처리된 Pd/CeO2 촉매 및 수열 처리된 Pd/CeO2 촉매 샘플에 대한 전자 현미경 사진을 도 2에 나타내었다. 산화세륨의 대략적인 직경은 도 3에 나타난 것과 같이 약 15-30 nm이었다. 2 중량%의 Pd가 산화세륨 표면에 침착되었을 때, 매우 작은 Pd 나노 입자가 도 2 (a)의 흰 동그라미에 의해 표시된 것처럼 관찰되었다. 제조된 촉매를 건조 공기 중에서 750 ℃에서 25 시간 동안 열처리하면, Pd 도메인이 현저하게 커지는 것으로 확인되었다. 그러나, 제조된 촉매를 750 ℃에서 25시간 동안 10% H2O의 습윤 공기에서 열처리하였을 때에는 Pd 도메인이 거의 관찰되지 않았다. 도 2 (d)에서 수열 처리된 샘플의 EDS 맵핑 이미지는 Pd가 산화세륨 상에 균일하게 분포되어 있음을 명확하게 나타내지만, Pd 나노 입자는 HAADF-STEM에 의해 구별되지 않았다. 제조된 Pd/CeO2 촉매와 열처리된 Pd/CeO2 촉매 샘플의 EDS 맵핑 이미지는 Pd가 도 4에서 보여지는 것과 같이 별개의 도메인을 형성하는 것을 보여주었다. 도 5 내지 7의 고해상도 TEM 이미지는 2 중량 %의 Pd/CeO2 촉매의 경우 Pd 도메인의 평균 직경이 1.5 nm, 열처리된 샘플의 경우 2.2 nm, 수열 처리된 샘플의 경우 0.9 nm임을 보여주었다. 이러한 결과는 열처리 후에 Pd 도메인이 커지고, 수열 처리 후에는 Pd 도메인이 작아지는 것을 입증하는 것이다.Electron micrographs of an unannealed Pd / CeO 2 catalyst, a heat treated Pd / CeO 2 catalyst and a hydrothermally treated Pd / CeO 2 catalyst sample prepared according to Example 1 are shown in FIG. 2. The approximate diameter of cerium oxide was about 15-30 nm as shown in FIG. 3. When 2% by weight of Pd was deposited on the cerium oxide surface, very small Pd nanoparticles were observed as indicated by the white circles in Fig. 2 (a). When the prepared catalyst was heat treated at 750 ° C. for 25 hours in dry air, it was confirmed that the Pd domain was significantly increased. However, little Pd domain was observed when the prepared catalyst was heat-treated at 750 ° C. for 25 hours in humid air of 10% H 2 O. The EDS mapping image of the hydrothermally treated sample in FIG. 2 (d) clearly shows that Pd is uniformly distributed on cerium oxide, but Pd nanoparticles were not distinguished by HAADF-STEM. The EDS mapping image of the prepared Pd / CeO 2 catalyst and the heat treated Pd / CeO 2 catalyst sample showed that Pd forms separate domains as shown in FIG. 4. The high resolution TEM images of FIGS. 5-7 show 2 wt% Pd / CeO 2 The average diameter of the Pd domain was 1.5 nm for the catalyst, 2.2 nm for the heat treated samples and 0.9 nm for the hydrothermally treated samples. These results demonstrate that the Pd domain becomes large after the heat treatment and the Pd domain becomes small after the hydrothermal treatment.

재분산 현상이라고도 불리는 수열 처리 후의 Pd 도메인 직경의 감소 현상은 CO의 화학적 흡착에 의해서도 확인될 수 있었다. 촉매 샘플의 BET 표면적, Pd 분산 및 추정되는 직경, Pd의 산화 상태 및 T100의 변화를 표 1에 나타내었다.The reduction of the diameter of the Pd domain after hydrothermal treatment, also called redispersion, could be confirmed by chemical adsorption of CO. The BET surface area, Pd dispersion and estimated diameter, oxidation state of Pd and changes in T 100 of the catalyst samples are shown in Table 1.

촉매catalyst SBET(m2/g)S BET (m 2 / g) Dpd(%)a D pd (%) a dpd(nm)b d pd (nm) b Pd0/
(Pd0+Pd2 +)c
Pd 0 /
(Pd 0 + Pd 2 + ) c
T100(℃)d T 100 (℃) d
산화세륨Cerium oxide 58.758.7 -- -- -- 270270 열처리된 산화세륨Heat treated cerium oxide 4.64.6 -- -- -- 300300 수열 처리된 산화세륨Hydrothermally treated cerium oxide 4.94.9 -- -- -- 290290 제조된 2 중량%의 Pd/CeO2 2% Pd / CeO 2 prepared 57.457.4 59.159.1 1.51.5 0.400.40 125125 열처리된 2 중량%의 Pd/CeO2 2% by weight of Pd / CeO 2 heat-treated 38.538.5 36.736.7 2.42.4 0.220.22 145145 수열 처리된 2 중량%의 Pd/CeO2 2 wt% Pd / CeO 2 hydrothermally treated 39.939.9 97.897.8 0.90.9 0.140.14 7575

a : Pd 분산은 펄스된 CO 화학적 흡착에 의해 측정되었다.a: Pd dispersion was measured by pulsed CO chemisorption.

b : Pd 입자의 직경은 Pd 분산으로부터 추정하였다.b: The diameter of Pd particle | grains was estimated from Pd dispersion.

c : Pd 3d XPS 스펙트럼으로부터 추정하였다.c: Pd 3d XPS spectra were estimated.

d : CO 전환율이 100%에 도달한 온도를 나타낸다.d: represents the temperature at which the CO conversion reached 100%.

표 1에 나타낸 바와 같이 BET 표면적 및 Pd 산화 상태의 변화를 측정하여 Pd/CeO2 촉매를 수열 처리함에 따른 물리화학적 성질을 확인하였다. 산화세륨의 표면적은 수열 처리 후에 58.7m2/g에서 4.9m2/g으로 감소하면서 응집 성향을 나타냈고, 2 중량% Pd/CeO2 촉매를 수열 처리한 경우에는 57.4m2/g에서 39.9m2/g으로 감소하여, Pd의 첨가에 따라 산화세륨 응집이 억제되는 것을 확인하였다. 수열 처리 후 Pd 분산은 97.8%까지 증가하였고, Pd 나노입자의 직경은 0.9 nm로 감소하여 Pd 나노입자의 재분산 현상이 일어난 것을 확인하였다. 수열 처리 후 Pd 산화 상태의 변화는 XPS를 사용하여 도 8과 같이 추정하였다. Pd는 수열 처리 후에 더욱 산화된 것이 확인되었다. XPS 데이터로부터 추정된 Pd0 대 Pd0++Pd2+의 비율은 수열 처리 후에 상당히 감소하였다. 결정 구조의 변화는 도 9와 같이 XRD에서도 관찰되었다. Pd 2 중량%인 Pd/CeO2 촉매에서 PdO에 대한 XRD 피크가 관찰되었으나 수열 처리 후 PdO 피크는 사라졌으며 Pd 도메인의 재분산도 확인되었다.As shown in Table 1, the changes in BET surface area and Pd oxidation state were measured to confirm the physicochemical properties of the Pd / CeO 2 catalyst by hydrothermal treatment. If the specific surface area of cerium oxide showed the agglomeration tendency and reduced to 4.9m 2 / g from 58.7m 2 / g after hydrothermal treatment, hydrothermal treatment for 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst, at 39.9m 57.4m 2 / g It decreased to 2 / g, and it was confirmed that cerium oxide aggregation is suppressed with addition of Pd. After hydrothermal treatment, Pd dispersion increased to 97.8%, and the diameter of Pd nanoparticles decreased to 0.9 nm, indicating that redispersion of Pd nanoparticles occurred. The change of Pd oxidation state after hydrothermal treatment was estimated as shown in FIG. 8 using XPS. It was confirmed that Pd was further oxidized after hydrothermal treatment. The ratio of Pd 0 to Pd 0+ + Pd 2+ estimated from XPS data decreased significantly after hydrothermal treatment. The change in crystal structure was also observed in XRD as shown in FIG. 9. An XRD peak for PdO was observed in the Pd / CeO 2 catalyst at Pd 2 wt%, but after hydrothermal treatment the PdO peak disappeared and the redispersion of the Pd domain was also confirmed.

수열 처리 조건이 촉매에 미치는 영향 확인Determine the effect of hydrothermal treatment on the catalyst

Pd 2 중량%인 Pd/CeO2 촉매에 대한 수열 처리 조건의 영향을 확인하였다. 수분 함량, 온도, 처리 시간을 다양하게 하여 Pd 도메인의 크기를 표 2와 같이 추정하였다. 수분 함량이 10%까지 증가함에 따라 평균 Pd 직경이 감소했다. 또한, 750 ℃의 온도 및 25 시간 동안의 수열 처리는 산화세륨에 담지된 Pd 재분산을 위한 최적의 처리 조건이었다. 이렇게 다양한 조건에서 수열 처리 된 Pd/CeO2의 CO 산화 반응 활성을 도 10에 나타내었다. 물 함량 실험에서 촉매 활성은 10 %까지는 증가하지만, 이후 수분함량이 증가함에 따라 과량의 물이 활성 자리를 막음으로써 촉매 활성이 크게 감소하였다. 온도와 시간을 다르게 한 실험에서도, 더 재분산된 촉매의 활성이 더 우수했으며, 이는 Pd 재분산 전략이 CO 산화 반응 활성을 향상시키는 데 효과적이라는 것을 의미한다.The effect of hydrothermal treatment conditions on Pd / CeO 2 catalyst at 2 wt% Pd was confirmed. Pd domains were estimated as shown in Table 2 by varying the moisture content, temperature, and treatment time. As the water content increased by 10%, the average Pd diameter decreased. In addition, the temperature of 750 ° C. and hydrothermal treatment for 25 hours were the optimum treatment conditions for Pd redispersion supported on cerium oxide. The CO oxidation activity of hydrothermally treated Pd / CeO 2 under various conditions is shown in FIG. 10. In the water content experiments, the catalytic activity increased up to 10%, but as the water content increased, the excess of water blocked the active sites, which greatly reduced the catalytic activity. Even in experiments with different temperatures and times, the activity of the more redispersed catalyst was better, which means that the Pd redispersion strategy is effective in improving the CO oxidation reaction activity.

H2O 함량(%)H 2 O content (%) 열처리하지 않은 촉매Unheated catalyst 33 55 1010 1515 2020 3030 수열 처리 후 Pd 직경 (nm)Pd diameter after hydrothermal treatment (nm) 1.51.5 1.91.9 1.31.3 0.90.9 1.01.0 0.90.9 1.01.0 수열 처리 온도 (℃)Hydrothermal treatment temperature (℃) 열처리하지 않은 촉매Unheated catalyst 300300 450450 600600 750750 850850 950950 수열 처리 후 Pd 직경 (nm)Pd diameter after hydrothermal treatment (nm) 1.51.5 1.71.7 2.12.1 0.90.9 0.90.9 3.63.6 7.47.4 수열 처리 시간 (h)Hydrothermal treatment time (h) 열처리하지 않은 촉매Unheated catalyst 1212 2525 5050 -- -- -- 수열 처리 후 Pd 직경 (nm)Pd diameter after hydrothermal treatment (nm) 1.51.5 1.21.2 0.90.9 3.43.4 -- -- --

Pd 재분산 현상을 보다 심도 있게 확인하기 위해, 수열 처리 시간에 대한 Pd 도메인의 크기 변화를 표 3에 나타내었다. 그 결과, Pd 도메인은 4시간까지 1.5 nm에서 2 nm로 커지고 그 다음 점차 작아지는 것이 확인되었다. 수열 처리는 표면 -OH기를 제공하여 Pd2+-OH를 형성 할 수 있다. 표면 -OH기의 양은 4시간까지 불충분하지만, 4시간보다 긴 수열 처리는 충분한 양의 -OH기를 제공하여 Pd 재분산을 촉진시킨다. 즉, 형성된 Pd2 +-OH종은 높은 이동성을 가지며 이동하게 되고, 이 때 Pd2 +-OH와 산화세륨 사이의 강한 상호 작용으로 인해 산화세륨에 담지된 Pd가 재분산된다.In order to further identify the Pd redispersion phenomenon, the change in size of the Pd domain with respect to hydrothermal treatment time is shown in Table 3. As a result, it was confirmed that the Pd domain grew from 1.5 nm to 2 nm and then gradually decreased by 4 hours. Hydrothermal treatment can provide surface -OH groups to form Pd 2+ -OH. The amount of surface -OH groups is insufficient up to 4 hours, but hydrothermal treatment longer than 4 hours provides a sufficient amount of -OH groups to promote Pd redispersion. That is, the formed Pd 2 + -OH species move with high mobility, and at this time, Pd supported on the cerium oxide is redispersed due to the strong interaction between Pd 2 + -OH and cerium oxide.

수열 처리 시간 (h)Hydrothermal treatment time (h) 00 0.50.5 1One 22 33 44 55 66 77 Pd 직경 (nm)Pd diameter (nm) 1.51.5 1.51.5 1.61.6 1.81.8 1.91.9 2.02.0 2.02.0 2.02.0 1.91.9 수열 처리 시간 (h)Hydrothermal treatment time (h) 88 99 1010 1111 1212 1313 1414 1515 1616 Pd 직경 (nm)Pd diameter (nm) 1.71.7 1.61.6 1.41.4 1.31.3 1.21.2 1.21.2 1.21.2 1.11.1 1.11.1 수열 처리 시간 (h)Hydrothermal treatment time (h) 1717 1818 1919 2020 2121 2222 2323 2424 2525 Pd 직경 (nm)Pd diameter (nm) 1.11.1 1.11.1 1.01.0 1.01.0 1.01.0 1.01.0 0.90.9 0.90.9 0.90.9

수열 처리 후 향상된 금속-지지체 상호 작용은 XANES 및 EXAFS를 통해 확인하였다. 수열 처리 후 Pd 산화 상태의 변화는 도 11과 같이 XANES를 사용하여 평가하였다. XANES 데이터는 수열 처리된 Pd/CeO2의 화이트 라인 피크가 열처리되지 않은 촉매 샘플 및 열처리된 샘플보다 높은 에너지로 이동하는 것을 나타내었다. 수열 처리된 시료에서 Pd가 고도로 산화된 것은 Pd2+-OH가 생성되었기 때문으로 보인다. 또한, Pd K edge EXAFS 데이터는 도 12에서와 같이 Pd 2 중량%의 열처리되지 않은 Pd/CeO2 촉매 샘플, 열처리된 Pd/CeO2 촉매 샘플, 수열 처리된 Pd/CeO2 촉매 샘플, PdO 및 Pd 호일 샘플에 대해 비교되었으며, 그 피팅 결과는 표 4에 나타내었다. 그 결과, Pd-O-Pd의 배위수는 3.5에서 열처리 후 5.2로 증가했다. 그러나, Pd-O-Pd의 배위수는 수열 처리 후 3.5에서 0.6으로 감소하였고, Pd-O-Ce의 배위 수는 0.3에서 1.7로 증가 하였다. 따라서, 수열 처리는 Pd 도메인 크기를 감소시키면서 Pd-O-Ce의 상호 작용을 강화시킨다고 볼 수 있다.Improved metal-support interactions after hydrothermal treatment were confirmed via XANES and EXAFS. The change of Pd oxidation state after hydrothermal treatment was evaluated using XANES as shown in FIG. 11. XANES data showed that the white line peaks of hydrothermally treated Pd / CeO 2 shifted to higher energy than untreated heat treated catalyst samples and heat treated samples. The highly oxidized Pd in hydrothermally sampled is probably due to the generation of Pd 2+ -OH. In addition, the Pd K edge EXAFS data was obtained by Pd 2 wt% untreated Pd / CeO 2 catalyst sample, heat treated Pd / CeO 2 catalyst sample, hydrothermally treated Pd / CeO 2 catalyst sample, PdO and Pd as shown in FIG. The foil samples were compared and the fitting results are shown in Table 4. As a result, the coordination number of Pd-O-Pd increased from 3.5 to 5.2 after heat treatment. However, the coordination number of Pd-O-Pd decreased from 3.5 to 0.6 after hydrothermal treatment, and the coordination number of Pd-O-Ce increased from 0.3 to 1.7. Therefore, hydrothermal treatment can be seen to enhance the interaction of Pd-O-Ce while reducing the Pd domain size.

샘플Sample 패스pass 배위수 (R)Coordination Number (R) 원자간 거리 (Å)Interatomic distance 디바이-월러 팩터 (σ2/Å2)Divider-Waller Factor (σ 2 / Å 2 ) R-팩터 (%)R-factor (%) 열처리되지
않은 샘플
Not heat-treated
Not sample
Pd-OPd-O 2.2362.236 1.9791.979 0.0010.001 0.0150.015
Pd-PdPd-Pd 0.1130.113 2.6812.681 0.0030.003 Pd-ClPd-Cl 1.8721.872 2.2902.290 0.0060.006 Pd-O-CePd-O-Ce 0.3210.321 3.2143.214 0.0030.003 Pd-O-PdPd-O-Pd 3.4913.491 3.3543.354 0.0150.015 열처리된
Pd 2.0 중량%의 Pd/CeO2
Heat-treated
Pd 2.0 wt% Pd / CeO 2
Pd-OPd-O 4.5714.571 2.0032.003 0.0030.003 0.0180.018
Pd-PdPd-Pd 0.4530.453 2.7392.739 0.0030.003 Pd-O-CePd-O-Ce 0.4290.429 3.4003.400 0.0010.001 Pd-O-PdPd-O-Pd 5.2365.236 3.3603.360 0.0010.001 수열 처리된
Pd 2.0 중량%의 Pd/CeO2
Hydrothermal
Pd 2.0 wt% Pd / CeO 2
Pd-OPd-O 4.5754.575 1.9981.998 0.0030.003 0.0260.026
Pd-PdPd-Pd 0.1220.122 2.7052.705 0.0030.003 Pd-O-CePd-O-Ce 1.6781.678 3.2153.215 0.0040.004 Pd-O-PdPd-O-Pd 0.5850.585 3.4073.407 0.0030.003 PdOPdO Pd-OPd-O 4.04.0 2.0242.024 0.0040.004 0.0050.005 Pd-O-PdPd-O-Pd 4.04.0 3.0603.060 0.0070.007 Pd-O-PdPd-O-Pd 8.08.0 3.4433.443 0.0050.005 Pd 호일Pd foil Pd-PdPd-Pd 12.012.0 2.7422.742 0.0060.006 0.0030.003

금속 반응 자리에 CO를 흡착시킨 뒤 in-situ IR 분석을 하여 금속 구조에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있었다. 단일 Pd 자리에 선형으로 흡착된 CO 분자는 2000 내지 2200 cm-1에서 피크를 나타내지만, 브릿지 모드 또는 3-폴드 할로우 모드를 갖는 Pd 집합 (ensemble) 사이트에 흡착된 CO는 1900 내지 2000 cm-1 또는 1800 내지 1900 cm-1에 피크가 나타났다. 도 13은 열처리되지 않은 촉매, 열처리된 촉매 및 수열 처리된 Pd/CeO2 샘플에 흡착된 CO의 IR 피크를 보여준다. 열처리된 샘플은 Pd 응집으로 인해 큰 할로우 CO 피크를 나타냈다. 그러나, 수열 처리된 샘플에서는 브릿지 또는 할로우 CO 피크는 거의 사라졌으며, 선형 CO 피크가 현저히 증가하여 Pd 재분산 현상을 뒷받침하였다. XANES 데이터, EXAFS 데이터, in-situ IR 데이터는 모두 산화 된 Pd2 +-OH가 형성되고, 금속-지지체 상호 작용이 강화되었기 때문에 Pd/CeO2 촉매상의 Pd 도메인이 수열 처리시 재분산 되었음을 나타낸다.Adsorption of CO at the metal reaction site and in-situ IR analysis provided important information about the metal structure. CO molecules adsorbed linearly at a single Pd site peak at 2000-2200 cm −1 , while CO adsorbed at Pd ensemble sites with bridge mode or 3-fold hollow mode is 1900-2000 cm −1 Or a peak appeared at 1800 to 1900 cm −1 . FIG. 13 shows the IR peaks of CO adsorbed on unannealed catalyst, heat treated catalyst and hydrothermally treated Pd / CeO 2 samples. The heat treated sample showed a large hollow CO peak due to Pd aggregation. However, in the hydrothermally treated samples, the bridge or hollow CO peaks were almost gone, and the linear CO peaks increased significantly to support Pd redispersion. XANES data, EXAFS data, in-situ IR data, it may be formed with an oxidized Pd 2 + -OH, metal-support interactions, indicating that it is because the enhanced Pd / CeO 2 catalyst Pd domains on the redistribution during the hydrothermal treatment.

Pd 재분산 현상을 심도 있게 탐구하기 위해, 제조된 Pd/CeO2를 He 흐름하에서 열처리하여 초기 Pd 직경을 1.5 내지 17.8 nm로 제어한 다음, 다양한 직경의 Pd 2 중량% Pd/CeO2 촉매를 표 5에 나타낸 것처럼 수열 처리하여 초기 Pd 도메인 크기에 대한 재분산 현상을 관찰하였다. 1.5, 1.6, 2.3 nm의 직경을 갖는 Pd 나노 입자는 거의 100 % 분산도를 나타내며 완전히 재분산되었지만, 더 큰 직경의 Pd 나노 입자는 Pd 도메인 크기가 현저하게 감소되었으나, 완전히 재분산되지는 않았다. 재분산은 표 6에 나타낸 바와 같이 반복적으로 일어날 수 있다. 재분산된 Pd 샘플은 열처리를 통해 소결되고, 다시 수열 처리하여 재분산 되었다. 재분산은 최대 13회까지 가역적으로 일어났으며, 수열 처리 후 모든 Pd는 완전히 재분산되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 실제 산업적 응용에서 소결된 Pd 금속 촉매의 재분산을 통한 재생 공정에 수열 처리 방법을 반복적으로 적용할 수 있다.To explore Pd redispersion in depth, the prepared Pd / CeO 2 was heat-treated under He flow to control the initial Pd diameter of 1.5 to 17.8 nm, and then Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalysts of various diameters were listed. Hydrothermal treatment, as shown in Figure 5, observed redispersion of the initial Pd domain size. Pd nanoparticles with diameters of 1.5, 1.6 and 2.3 nm showed nearly 100% dispersion and were completely redispersed, while larger diameter Pd nanoparticles had a significant reduction in Pd domain size, but not fully redispersion. Redispersion may occur repeatedly as shown in Table 6. The redispersed Pd sample was sintered through heat treatment, and then redispersed by hydrothermal treatment. Redispersion occurred reversibly up to 13 times, and after hydrothermal treatment, all the Pd was completely redispersed. Thus, hydrothermal treatment methods can be repeatedly applied to regeneration processes through redispersion of sintered Pd metal catalysts in practical industrial applications.

열처리 온도 (℃)Heat treatment temperature (℃) 실온Room temperature 200200 500500 550550 600600 650650 700700 800800 초기 Pd 분산 (%)Initial Pd Dispersion (%) 59.359.3 55.555.5 38.738.7 30.730.7 23.423.4 15.615.6 10.510.5 5.05.0 초기 Pd 직경 (nm)Initial Pd Diameter (nm) 1.51.5 1.61.6 2.32.3 2.92.9 3.83.8 5.75.7 8.58.5 17.817.8 열처리 후 Pd 분산 (%)Pd dispersion after heat treatment (%) 97.997.9 98.798.7 98.398.3 74.274.2 37.137.1 19.419.4 11.611.6 4.94.9 열처리 후 Pd 직경 (nm)Pd diameter after heat treatment (nm) 0.90.9 0.90.9 0.90.9 1.21.2 2.42.4 4.64.6 7.77.7 18.318.3

Pd 나노 입자의 초기 직경은 수열 처리 전 다양한 온도에서 He의 100 sccm 하에서 2 시간 동안 어닐링함으로써 제어되었다.The initial diameter of the Pd nanoparticles was controlled by annealing for 2 hours under 100 sccm of He at various temperatures before hydrothermal treatment.

사이클cycle 열처리전Before heat treatment 1회차 RFirst round R 1회차 SFirst round S 2회차 RRound two R 2회차 SSecond round S 3회차 RThird round R 3회차 SThird round S 4회차 RFourth round R 4회차 SFourth round S Pd 직경 (nm)Pd diameter (nm) 1.51.5 0.90.9 2.12.1 1.01.0 2.12.1 0.90.9 2.22.2 0.90.9 2.22.2 사이클cycle 5회차 R5th R 5회차 S5th S 6회차 R6th round R 6회차 SSixth round S 7회차 RSeventh round R 7회차 SSeventh round S 8회차 R8th R 8회차 S8th S 9회차 R9th R Pd 직경 (nm)Pd diameter (nm) 1.01.0 2.22.2 0.90.9 2.32.3 0.90.9 2.32.3 0.90.9 2.32.3 1.01.0 사이클cycle 9회차 S9th S 10회차 R10th R 10회차 S10th S 11회차 RRound 11 R 11회차 S11th round S 12회차 RRound 12 R 12회차 S12th round S 13회차 R13th round R Pd 직경 (nm)Pd diameter (nm) 2.32.3 0.90.9 2.22.2 1.01.0 2.32.3 0.90.9 2.32.3 0.90.9

'R'은 10 % H2O 흐름을 사용하여 750 ℃에서 25시간 동안 수열 처리함으로써 재 분산시킨 것을 의미하며, 'S'는 He 흐름을 사용하여 500 ℃에서 2시간 동안 열 어닐링함으로써 소결시킨 것을 의미한다.'R' means redispersed by hydrothermal treatment at 750 ° C. for 25 hours using 10% H 2 O flow, and 'S' is sintered by heat annealing at 500 ° C. for 2 hours using He flow. it means.

촉매 지지체 종류에 따른 금속 재분산 현상 확인Identification of metal redispersion according to the type of catalyst support

수열처리를 통한 산화세륨에 지지된 Pd 재분산은 다양한 실험을 통해 확인되었고, 표 7에 주어진 바와 같이 다른 금속 산화물 지지체에서도 Pd 재분산이 일어나는지 확인하였다. 결과적으로 TiO2 지지체에서도 Pd가 수열 처리 후에 재분산되었다. 반면에, ZrO2, MgO, Al2O3 지지체에서는 Pd 나노 입자가 현저히 소결되었다. CeO2 와 TiO2 지지체는 Pd와 강하게 상호 작용하는 것으로 알려져있다. 따라서 수열 처리를 통한 Pd 재분산을 일으키기 위해서는 강한 금속-지지체 상호 작용이 필수적이라고 할 수 있다.Pd redispersion supported by cerium oxide through hydrothermal treatment was confirmed through various experiments, and it was confirmed whether Pd redispersion occurred in other metal oxide supports as given in Table 7. As a result, Pd was redispersed after hydrothermal treatment even on the TiO 2 support. On the other hand, Pd nanoparticles were significantly sintered in ZrO 2 , MgO, and Al 2 O 3 supports. CeO 2 and TiO 2 supports are known to interact strongly with Pd. Therefore, strong metal-supporter interaction is essential to cause Pd redispersion through hydrothermal treatment.

촉매
(Pd 2 중량%)
catalyst
(Pd 2 wt%)
열처리되지 않은 촉매의 분산 (%)% Dispersion of unheated catalyst 열처리되지 않은 촉매의 Pd 직경(nm)Pd diameter of unheated catalyst (nm) 수열 처리된 촉매의 분산 (%)Dispersion of Hydrothermally Treated Catalysts (%) 수열 처리된 촉매의 Pd 직경(nm)Pd diameter (nm) of hydrothermally treated catalyst
Pd/CeO2 Pd / CeO 2 59.159.1 1.51.5 97.897.8 0.90.9 Pd/TiO2 Pd / TiO 2 30.630.6 2.92.9 74.474.4 1.21.2 Pd/ZrO2 Pd / ZrO 2 31.731.7 2.82.8 6.86.8 13.113.1 Pd/MgOPd / MgO 19.719.7 4.54.5 6.06.0 14.714.7 Pd/Al2O3 Pd / Al 2 O 3 26.126.1 3.43.4 1.61.6 55.555.5

추가적으로, 실시예 1 및 비교예 9의 촉매를 이용하여 CO 산화 활성을 확인하였다. Pd는 2 중량%로 포함된 촉매를 이용하였다. 도 14에서 “Ref lean”은 비교예 9의 촉매를 700℃, N2 조건에서 0.1% O2, 10% H2O를 흘려준 것을 의미한다. 반응 조건은 He 흐름 하에서 각 촉매 50 mg을 1% CO and 1% O2, SV=120,000 ml/gcat·h에 접촉시킨 것이다.In addition, the CO oxidation activity was confirmed using the catalysts of Example 1 and Comparative Example 9. Pd used a catalyst contained in 2% by weight. In Figure 14, "Ref lean" means that the catalyst of Comparative Example 9 was flowed 0.1% O 2 , 10% H 2 O at 700 ℃, N 2 conditions. The reaction condition is that 50 mg of each catalyst was brought into contact with 1% CO and 1% O 2 , SV = 120,000 ml / g cat.h under He flow.

자동차 배기가스 정화 촉매의 경우, 150℃ 이하에서 CO를 모두 제거하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 비교예 9의 촉매를 이용하는 경우 150℃를 초과하여야만 CO가 모두 제거되는 것을 알 수 있다. Jason. A. L. et. al.에서는 비교예 9의 촉매를 이용하여 Rich 처리 후에 dry lean 처리를 하여도 Pd가 재분산되는 것을 확인하였다. 비교예 9의 촉매를 이용하는 경우 PdO가 Pd 재분산에 중요하게 작용한 것이다. 이에 비해, 실시예 1의 촉매의 경우 수열 처리된 경우에만 Pd 재분산이 일어났다. 이는, Pd2+-OH가 재분산에 중요한 역할을 하였다는 것을 의미한다. 본 발명의 경우 수열 처리에 따른 촉매 활성 효과는 Pd 재분산 뿐 아니라 표면 수산기 형성도 크게 기여하는 것이다.In the case of automotive exhaust purification catalysts, it is very important to remove all CO below 150 ° C. However, in the case of using the catalyst of Comparative Example 9 it can be seen that only CO must be removed when all the CO is removed. Jason. AL et. In al., it was confirmed that Pd was redispersed even by the dry lean treatment after the Rich treatment using the catalyst of Comparative Example 9. When the catalyst of Comparative Example 9 is used, PdO plays an important role in Pd redispersion. In contrast, in the case of the catalyst of Example 1, Pd redispersion occurred only when hydrothermally treated. This means that Pd 2+ -OH played an important role in redispersion. In the case of the present invention, the catalytic activity effect of hydrothermal treatment contributes not only to Pd redispersion but also to the formation of surface hydroxyl groups.

금속 종류에 따른 재분산 현상 확인Identify redispersion by metal type

다양한 전이 금속을 산화세륨 지지체에 담지시킨 후 합성한 M/CeO2 촉매를 수열처리하여 표 8에 정리하였다. 다양한 전이 금속 중에서 수열 처리 후 Pd, Rh, Pt, Ru이 재분산되었다. 그러나, Ir, Au, Cu, Co, Ni 금속은 수열 처리 후 상당히 소결되었다. 수열 처리 과정에서 금속 종은 M2+-OH형태로 바뀌게 된다. 또한, 많은 OH기가 산화세륨 표면에 형성 된다. 금속 재분산을 위해, 금속 또는 금속 산화물보다 M2+-OH종의 이동성이 좋아야 하며, 금속과 지지체의 상호작용이 표면에 OH가 형성 된 산화세륨이 깨끗한 표면의 산화세륨보다 강해야 한다. 즉, Pd, Rh, Pt, Ru은 이 이론에 해당하며 수열 처리 후 금속 재분산을 일으킨다.After the various transition metals were supported on the cerium oxide support, the synthesized M / CeO 2 catalyst was hydrothermally treated and summarized in Table 8. Among the various transition metals, Pd, Rh, Pt, and Ru were redispersed after hydrothermal treatment. However, Ir, Au, Cu, Co, Ni metals were considerably sintered after hydrothermal treatment. During hydrothermal treatment, the metal species is converted to M 2+ -OH form. In addition, many OH groups are formed on the surface of cerium oxide. For metal redispersion, M 2+ -OH species must be more mobile than metal or metal oxide, and the interaction between metal and support should be stronger than that of cerium oxide with OH formed on the surface. In other words, Pd, Rh, Pt and Ru correspond to this theory and cause metal redispersion after hydrothermal treatment.

촉매
(금속 2 중량%)
catalyst
(2% by weight of metal)
열처리되지 않은 촉매의 분산 (%)% Dispersion of unheated catalyst 열처리되지 않은 촉매의 금속 직경(nm)Metal diameter of untreated catalyst in nm 수열 처리된 촉매의 분산 (%)Dispersion of Hydrothermally Treated Catalysts (%) 수열 처리된 촉매의 금속 직경(nm)Metal diameter of hydrotreated catalyst (nm)
Pd/CeO2 Pd / CeO 2 59.159.1 1.51.5 97.897.8 0.90.9 Rh/CeO2 Rh / CeO 2 38.738.7 2.32.3 89.789.7 1.01.0 Pt/CeO2 Pt / CeO 2 35.535.5 2.52.5 73.373.3 1.21.2 Ru/CeO2 Ru / CeO 2 42.242.2 2.12.1 56.456.4 1.61.6 Ir/CeO2 Ir / CeO 2 32.932.9 2.72.7 5.55.5 15.915.9 Au/CeO2 Au / CeO 2 ≥100≥100 ≤0.9≤0.9 3.73.7 23.623.6 Cu/CeO2 Cu / CeO 2 21.121.1 4.24.2 2.72.7 32.032.0 Co/CeO2 Co / CeO 2 17.417.4 5.15.1 2.02.0 43.543.5 Ni/CeO2 Ni / CeO 2 26.926.9 3.33.3 1.71.7 52.752.7

모든 금속 (Pd, Pt, Rh, Ru)은 금속 재분산으로 인해 수열 처리 후에 더 높은 CO 산화 반응 활성을 보였다. 금속 재분산은 초기 샘플보다 더 많은 촉매 반응 자리를 제공하여 CO 산화 반응 활성이 더 향상된다. CO 산화 반응에 대한 촉매 활성은 Pd > Pt > Rh > Ru 순으로 나타났다 (도 15).All metals (Pd, Pt, Rh, Ru) showed higher CO oxidation activity after hydrothermal treatment due to metal redispersion. Metal redispersion provides more catalytic reaction sites than the initial sample, further improving the CO oxidation activity. Catalytic activity for the CO oxidation reaction was found in the order Pd> Pt> Rh> Ru (FIG. 15).

CO 산화에 대한 촉매 활성 및 내구성Catalyst activity and durability against CO oxidation

다양한 Pd 함량을 갖는 Pd/CeO2 촉매의 CO 산화에 대한 촉매 활성은 도 16과 같이 나타났다. 산화세륨은 200 ℃까지 거의 활성을 보이지 않았지만, 0.1 중량%의 Pd 첨가만으로도 활성이 향상되었다. 촉매 샘플의 Pd 함량이 5 중량%까지 증가함에 따라 촉매 활성이 증가하였다. 수열 처리된 촉매 샘플의 경우, 활성은 2 중량 %까지 증가하였고, Pd 함량의 추가 증가는 활성에 큰 차이를 나타내지 않았다. 더 큰 직경 (4.0 중량% 내지 5.0 중량%)의 Pd 나노 입자는 재분산이 거의 일어나지 않았다. 전체 재분산은 2 중량%인 경우까지만 관찰되었다. CO 산화에 대한 촉매 활성은 Pd 함량 2 중량%까지 증가하였다. 이하 Pd 함량이 2 중량%인 촉매를 이용하여 활성 및 내구성을 추가 검토하였다.The catalytic activity for CO oxidation of Pd / CeO 2 catalysts having various Pd contents was shown in FIG. 16. Although cerium oxide showed little activity up to 200 ° C., the activity was improved even by adding 0.1% by weight of Pd. Catalyst activity increased as the Pd content of the catalyst sample increased up to 5% by weight. In the case of hydrothermally treated catalyst samples, the activity was increased by 2% by weight, and further increase in Pd content showed no significant difference in activity. Larger diameters (4.0% to 5.0% by weight) of Pd nanoparticles rarely occurred redispersion. Total redispersion was only observed up to 2% by weight. The catalytic activity for CO oxidation increased to 2% by weight of Pd content. The activity and durability were further examined using a catalyst having a Pd content of 2% by weight.

CO 전환율이 100 %에 도달하는 온도 (이하, T100이라 한다)는 실시예 1에 따라 제조한 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매가 125 ℃, 열처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매가 145 ℃, 수열 처리된 Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매가 75 ℃로 나타났다(도 17). 수열 처리된 샘플은 Pd 재분산으로 인해 표면적이 감소되었음에도 불구하고 향상된 촉매 활성을 보였다. 열처리된 샘플의 촉매 활성은 Pd 소결 현상으로 인해 더 낮게 나타났고, 수열 처리 후에는 Pd 나노입자가 재분산됨에 따라 반응성이 향상되는 것을 확인하였다. 도 18에서 나타난 것과 같이, 공간 속도가 느리거나, 산소의 조성이 증가하는 경우에, 수열 처리된 샘플은 경우 굉장히 낮은 온도에 해당하는 40 ℃에서도 CO 전환율이 100 %에 도달하였다.The temperature at which the CO conversion reaches 100% (hereinafter referred to as T 100 ) is determined by Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst prepared according to Example 1 at 125 ° C. and Pd 2 wt% Pd / CeO 2 heat treated. The catalyst was 145 ° C., and the hydrothermally treated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst was found to be 75 ° C. (FIG. 17). Hydrothermally treated samples showed improved catalytic activity despite the reduction in surface area due to Pd redispersion. The catalytic activity of the heat-treated sample was lower due to the Pd sintering phenomenon, and after hydrothermal treatment, it was confirmed that the reactivity was improved as the Pd nanoparticles were redispersed. As shown in FIG. 18, when the space velocity is slow or the composition of oxygen is increased, the hydrothermally treated sample reaches 100% of CO conversion even at 40 ° C., which corresponds to a very low temperature.

저온에서 CO 산화를 위한 실제 활성 사이트를 밝히기 위해 in situ DRIFT 분석을 수행하였다. 도 19는 Pd2 + 사이트가 저온에서 CO 산화를 일으키는 것을 나타낸다. 2074 및 2106 cm-1의 피크는 Pd0 사이트에 선형 흡착된 CO를 나타내는 것이고, 2152 cm-1에서의 피크는 Pd2 + 위치에 선형 흡착된 CO를 나타내는 것이다. CO-Pd2 + 피크는 25 ℃ 부터 75 ℃ 사이에서 사라졌고, CO-Pd0 피크는 65 ℃ 부터 125 ℃ 사이에서 사라졌다. 이는 저온에서의 CO 산화 활성이 재분산된 Pd2+ 사이트에서 주로 발생하는 것을 의미한다.In situ DRIFT analysis was performed to reveal the actual active site for CO oxidation at low temperature. Figure 19 shows that Pd 2 + site is causing the CO oxidation at low temperature. Peak of 2074 cm -1 and 2106 will represent a linear CO adsorbed on Pd 0 sites, the peak at 2152 cm -1 is shown a linear CO adsorbed on Pd + 2 position. CO-Pd 2 + peak disappeared from between 25 ℃ disappeared between 75 ℃, CO-Pd 0 peak is from 65 ℃ 125 ℃. This means that CO oxidation activity at low temperatures occurs mainly at the redispersed Pd 2+ site.

CO 및 O2와 함께 물을 도입하는 경우, 제조된 Pd 2 중량%인 Pd/CeO2 촉매의 활성은 수열 처리된 촉매 샘플만큼은 아니지만 향상되었다. 종래 공급 가스 흐름에 수분을 첨가하면 금속 촉매의 활성이 유의적으로 향상될 수 있다고 보고되어왔다. 공급 흐름 내의 물 함량은 도 20에 나타낸 것과 같이 10 %까지 다양하게 조절하여 확인하였다. 수분 함량이 3.2 %일 때 촉매 활성이 가장 높았으며 수분 함량이 증가할수록 활성은 감소하였다. 물의 첨가는 촉매 표면에 수산기의 양을 증가시켜 CO 산화를 촉진시키는 효과가 있다. 수열 처리된 촉매는 Pd 재분산 효과와 촉매 표면의 수산기 형성으로 인한 CO 산화 효과가 복합적으로 영향을 미쳐 최상의 활성을 보이게 된다.When water was introduced together with CO and O 2 , the activity of the prepared Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst was improved, but not as much as the hydrothermally treated catalyst sample. It has been reported that the addition of water to the conventional feed gas stream can significantly improve the activity of the metal catalyst. The water content in the feed stream was checked by varying up to 10% as shown in FIG. 20. The catalytic activity was highest when the water content was 3.2% and the activity decreased as the water content increased. The addition of water has the effect of promoting CO oxidation by increasing the amount of hydroxyl groups on the catalyst surface. Hydrothermally treated catalysts exhibit the best activity due to the combined effect of Pd redispersion and CO oxidation due to hydroxyl formation on the catalyst surface.

수열 처리 시간을 도 21 (a)와 같이 다양하게 조절하여 확인하였다. 실시예 1에 따른 촉매 샘플을 각각 12내지 50시간 동안 수열 처리하였다. 25시간 수열 처리한 경우 가장 좋은 활성을 보였다. 수열 처리 후의 BET 표면적은 12시간, 25시간, 50시간 후에 각각 47.2, 39.9, 13.3 m2/g이었다. 12 시간은 Pd 재분산에 충분하지 않을 수 있으며, 50 시간 처리 후에는 표면적이 너무 많이 감소하였다. CO 산화는 도 21 (b)에 나타낸 것처럼 25시간 수열 처리된 촉매에 대해 5번 반복하였지만 활성 변화는 관찰되지 않았다.Hydrothermal treatment time was confirmed by various adjustments as shown in Figure 21 (a). The catalyst samples according to Example 1 were hydrothermally treated for 12 to 50 hours each. 25 hours of hydrothermal treatment showed the best activity. The BET surface areas after hydrothermal treatment were 47.2, 39.9 and 13.3 m 2 / g after 12 hours, 25 hours and 50 hours, respectively. 12 hours may not be sufficient for Pd redispersion and after 50 hours treatment the surface area has decreased too much. CO oxidation was repeated five times for a 25 hour hydrothermally treated catalyst as shown in FIG. 21 (b) but no change in activity was observed.

Pd 도메인 크기는 열처리 하지 않은 Pd/CeO2와 동일하면서, 더 많은 표면의 수산기를 갖는 Pd/CeO2 촉매를 제조하여 Pd 재분산 및 표면의 수산기가 CO 산화에 미치는 영향을 독립적으로 관찰하였다. 실시예 1에 따라 제작된 촉매 샘플을 570 ℃에서 He 흐름으로 2시간 동안 열처리된 다음 750 ℃에서 25 시간 동안 수열 처리 (570-HT로 표시)하면, Pd 도메인 크기는 1.5 nm이면서 더 많은 표면 수산기를 함유하게 된다. 도 22는 이 촉매에 대한 CO 산화 결과를 나타낸 것이다. 이 촉매의 활성은 열처리 하지 않은 샘플보다는 높게 나타났으나, 수열 처리된 샘플보다는 낮게 나타났다. 이는 Pd 재분산과 표면 수산기 모두가 CO 산화 활성을 향상시키는 역할을 한다는 것을 의미한다. 열처리 하지 않은 촉매, 570-HT 및 수열 처리 된 샘플의 활성화 에너지는 각각 57.0, 53.8, 53.5 kJ/mol이었다. 이처럼 표면 수산기는 활성화 에너지를 감소시키는 데에 중요한 역할을 한다. 도 23은 동위 원소 실험에 의해 표면 수산기가 일산화탄소 산화에 직접 관여 하는지 여부를 관찰한 것이다. 수열 처리는 H2 18O로 수행하였다. 도 23 (a)에 나타난 TPD에 의해 표면에 18OH가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 그 후, 도 23 (b)에 나타난 것과 같이 촉매 상에서 CO 산화를 수행시켰다. 오직 C16O2만이 C16O18O 또는 C18O2없이 관찰되었는데, 이것은 표면 수산기에 포함된 산소가 CO 산화에 직접 관여하지 않았음을 나타내는 결과이다.While the Pd domain size was the same as Pd / CeO 2 without heat treatment, a Pd / CeO 2 catalyst was prepared with more surface hydroxyl groups to independently observe the effect of Pd redispersion and surface hydroxyl groups on CO oxidation. The catalyst sample prepared according to Example 1 was heat treated at 570 ° C. with a He flow for 2 hours and then hydrothermally treated at 750 ° C. for 25 hours (denoted 570-HT), where the Pd domain size was 1.5 nm and more surface hydroxyl groups. It will contain. 22 shows the CO oxidation results for this catalyst. The activity of this catalyst was higher than that of the sample without heat treatment, but lower than that of the hydrothermally treated sample. This means that both Pd redispersion and surface hydroxyl groups play a role in enhancing CO oxidation activity. The activation energies of the unannealed catalyst, 570-HT and hydrothermally treated samples were 57.0, 53.8 and 53.5 kJ / mol, respectively. As such, surface hydroxyls play an important role in reducing activation energy. FIG. 23 shows whether surface hydroxyl groups are directly involved in carbon monoxide oxidation by isotope experiments. Hydrothermal treatment was performed with H 2 18 O. It was confirmed that 18 OH was formed on the surface by the TPD shown in FIG. 23 (a). Thereafter, CO oxidation was performed on the catalyst as shown in FIG. 23 (b). Only C 16 O 2 was observed without C 16 O 18 O or C 18 O 2 , indicating that oxygen contained in the surface hydroxyl groups was not directly involved in CO oxidation.

수열 처리된 샘플의 디젤 산화 촉매로의 잠재력을 평가하기 위해 CO와 C3H6를 동시에 반응기에 넣고 반응 결과를 도 24 (a)에 나타내었다. C3H6이 존재하는 경우, T100은 75 ℃에서 145 ℃로 증가하였다. 그럼에도 불구하고, CO와 C3H6는 각각 145, 155 ℃에서 완전히 산화되어 저-배출 자동차 프로그램인 LEV III에 관한 DOE 목표를 거의 충족시키는 것을 확인하였다.In order to evaluate the potential of the hydrothermally treated sample as a diesel oxidation catalyst, CO and C 3 H 6 were simultaneously added to the reactor, and the reaction results are shown in FIG. In the presence of C 3 H 6 , T 100 increased from 75 ° C. to 145 ° C. Nevertheless, it was found that CO and C 3 H 6 were fully oxidized at 145 and 155 ° C, respectively, to almost meet the DOE target for the low-emission automotive program LEV III.

자동차 배기 가스에 포함된 황은 촉매 표면을 오염시켜 촉매 활성을 저하시킬 수 있기 때문에 황 오염에 대한 내성은 디젤 산화 촉매에 있어 매우 중요한 문제이다. 특히, 산화세륨은 황에 잘 오염되는 것으로 알려져 있다. Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매로 CO 산화 반응을 수행하기 전에, 미리 의도적으로 2시간 동안 100 ppm의 SO2를 오염원으로 흘려주었다. 이 때 CO 전환을 도 24 (b)에 나타내었다. T100은 열처리하지 않은 샘플에서 125 ℃에서 235 ℃로, 열처리된 샘플의 경우 145 ℃에서 285 ℃로, 수열 처리된 샘플의 경우 75 ℃에서 145 ℃로 증가하였다. 수열 처리된 샘플의 경우 T100 증가가 가장 작았으며, 황이 존재하는 경우에도 모든 CO가 150 ℃ 이하에서 완전히 산화되었다. 이처럼, 수열 처리가 Pd/CeO2 촉매의 황 저항성을 상당히 증가시키는 것을 확인하였다.Sulfur contamination is a very important issue for diesel oxidation catalysts because sulfur contained in automotive exhaust gases can contaminate the catalyst surface and degrade catalyst activity. In particular, cerium oxide is known to be contaminated with sulfur well. Before carrying out the CO oxidation reaction with Pd 2 wt.% Pd / CeO 2 catalyst, 100 ppm SO 2 was deliberately flowed into the source for 2 hours in advance. At this time, CO conversion is shown in FIG. 24 (b). T 100 increased from 125 ° C. to 235 ° C. in the unheated sample, from 145 ° C. to 285 ° C. for the heat treated sample and from 75 ° C. to 145 ° C. for the hydrothermally treated sample. The T 100 increase was the smallest for the hydrothermally sampled and all CO was completely oxidized below 150 ° C even in the presence of sulfur. As such, it was found that hydrothermal treatment significantly increased the sulfur resistance of the Pd / CeO 2 catalyst.

Pd 2 중량%의 Pd/CeO2 촉매를 이용하여 150 ℃에서 CO를 장기간 동안 산화시킴으로써 촉매의 장기 안정성을 시험하였다. 그 결과는 도 25 (a)에 나타내었다. 열처리하지 않은 촉매 샘플은 27시간, 열처리된 촉매 샘플은 8시간 이후부터 촉매 활성이 저하되기 시작한 반면, 수열 처리된 촉매 샘플은 34시간 동안 100 % CO 전환율을 유지하였다. 열처리된 샘플의 활성은 현저하게 감소하였고, 수열 처리된 샘플은 60시간까지는 비슷한 경향을 보이다가 활성이 떨어졌다. CO를 장기간 동안 산화시키는 경우 촉매 표면의 수산기는 대부분 제거되어 버리는데, 그럼에도 불구하고 3.2 % 물 존재 하에서 CO 산화시 수열 처리된 샘플의 내구성이 향상되는 것으로 나타났다. 도 25 (b)에 나타난 것과 같이, SO2 100 ppm을 CO 및 O2와 동시에 함께 흘려줄 때 수열 처리된 샘플의 100 % CO 전환이 14시간까지 유지되고, 전환율이 변동되는 경우에도 80%보다 높은 CO 전환율을 60시간까지 유지하는 것을 확인하였다. 열처리하지 않은 촉매 샘플을 SO2의 존재 하에서 CO 산화 반응시켰을 때, 촉매 활성은 초기 단계에서부터 현저하게 떨어지고, 전환율은 35시간 후에 0 %가 되었다. 이처럼 수열 처리는 황이 존재하는 경우에도 높은 촉매 활성을 유지하는데 도움이 되는 것을 확인하였다.The long term stability of the catalyst was tested by prolonged oxidation of CO at 150 ° C. with Pd 2 wt.% Pd / CeO 2 catalyst. The results are shown in Figure 25 (a). The catalyst activity began to decrease after 27 hours for the unannealed catalyst sample and after 8 hours for the heat treated catalyst sample, while the hydrothermally treated catalyst sample maintained 100% CO conversion for 34 hours. The activity of the heat treated samples was significantly reduced, and the hydrothermally treated samples showed similar trends up to 60 hours before deactivating. When CO is oxidized for a long time, most of the hydroxyl groups on the surface of the catalyst are removed, nevertheless, the durability of the hydrothermally treated samples is improved upon CO oxidation in the presence of 3.2% water. As shown in FIG. 25 (b), 100% CO conversion of the hydrothermally treated sample was maintained for 14 hours when 100 ppm SO 2 was simultaneously flowed together with CO and O 2 , even when the conversion rate was changed to 80%. It was confirmed that high CO conversion was maintained up to 60 hours. When the non-heat treated catalyst sample was subjected to CO oxidation in the presence of SO 2 , the catalyst activity dropped significantly from the initial stage, and the conversion rate became 0% after 35 hours. As such, hydrothermal treatment was found to help maintain high catalytic activity even in the presence of sulfur.

또한, 수열 처리된 Pd 2 중량% Pd/CeO2 촉매를 이용하여 온도 변화에 따른 내구성을 시험하였다. 도 26에 나타낸 것과 같이, 75 내지 850 ℃의 다양한 온도에서 CO 산화를 반복 수행하였다. 하나의 목표 온도까지 CO 산화를 수행하고, 반응기를 실온으로 냉각시킨 후, 다음 목표 온도에서 다시 수행하였다. 수열 처리된 샘플은 급격한 온도 변화에도 불구하고 높은 내구성을 나타내며 CO 산화의 활성 변화는 거의 없었다.In addition, the durability according to the temperature change was tested using a hydrothermally treated Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst. As shown in FIG. 26, CO oxidation was repeated at various temperatures of 75 to 850 ° C. CO oxidation was carried out to one target temperature and the reactor was cooled to room temperature and then run again at the next target temperature. Hydrothermally treated samples showed high durability despite rapid temperature changes and little change in activity of CO oxidation.

표면 카보네이트와 격자 산소Surface carbonate and lattice oxygen

CO 산화 중에 촉매 표면에 카보네이트가 형성되는데, 이러한 카보네이트는 촉매 활성을 저하시키는 오염원으로 잘 알려져있다. 카보네이트 형성의 정도는 in-situ DRIFT를 사용하여 확인하였다(도 27 (a) 및 (b)). 카보네이트는 바이덴테이트 카보네이트 (1585 및 1299 cm-1) 또는 모노덴테이트 카보네이트 (1482 및 1416 cm-1)의 형태로 형성되는 것을 확인하였다. 카보네이트의 적외선 피크 강도는 수열 처리 후에 극적으로 감소하는 것으로 나타났다. 도 27 (c) 및 (d)는 수열 처리된 샘플이 열처리되지 않은 샘플에 비해 훨씬 많은 수산기를 함유하고 있음을 나타낸다. 촉매 표면의 수산기는 표면의 카보네이트 형성을 방해할 수 있다. 도 28에 나타낸 바와 같이 산화세륨에 대해 in-situ DRIFT 분석한 경우에도, Pd/CeO2 촉매와 같은 경향이 관찰되었다.Carbon dioxide is formed on the surface of the catalyst during CO oxidation, and this carbonate is well known as a contaminant that degrades catalytic activity. The degree of carbonate formation was confirmed using in-situ DRIFT (Figures 27 (a) and (b)). It was found that the carbonate was formed in the form of bidentate carbonates (1585 and 1299 cm −1 ) or monodentate carbonates (1482 and 1416 cm −1 ). The infrared peak intensity of carbonate was found to decrease dramatically after hydrothermal treatment. 27 (c) and (d) show that the hydrothermally treated sample contains much more hydroxyl groups than the unheated sample. The hydroxyl groups on the surface of the catalyst can interfere with the formation of carbonates on the surface. As shown in FIG. 28, even when in-situ DRIFT analysis was performed on the cerium oxide, the same tendency as the Pd / CeO 2 catalyst was observed.

CO2 승온 탈착법 (TPD)을 이용하여 CO 산화 동안 촉매 표면에 형성된 카보네이트를 분석하였다(도 29). CO 및 O2를 포함하는 반응 가스를 실험예 1의 CO 산화와 동일한 조건에서 함께 도입하고, He로 퍼지하여 촉매에 물리적으로 흡착된 가스를 제거한 다음 질량 분광법으로 탈착된 CO2를 검출하면서 온도를 증가시켰다. 열처리하지 않은 촉매는 표면에 카보네이트가 다량 생성되어 250, 410, 550 ℃에서 CO2 탈착 피크가 보이나, 수열 처리된 촉매는 카보네이트 생성이 억제되어 CO2 피크가 거의 검출되지 않았다. 따라서, 수열 처리가 표면의 카보네이트 형성을 억제하는 것을 확실하게 확인하였다.Carbon dioxide formed on the catalyst surface during CO oxidation was analyzed using CO 2 elevated desorption (TPD) (FIG. 29). Reaction gases containing CO and O 2 were introduced together under the same conditions as CO oxidation of Experimental Example 1, purged with He to remove the gas physically adsorbed on the catalyst, and then the temperature was detected while detecting the desorbed CO 2 by mass spectrometry. Increased. The catalyst which was not heat-treated produced a large amount of carbonate on the surface and showed a CO 2 desorption peak at 250, 410, and 550 ° C., but the hydrothermally treated catalyst suppressed carbonate formation and hardly detected a CO 2 peak. Therefore, it was confirmed reliably that hydrothermal treatment suppressed carbonate formation on the surface.

황은 촉매 표면에 황산염을 형성시켜 지지체에 지지된 금속 촉매를 비활성화시킬 수있다. 열처리하지 않은 또는 수열 처리된 Pd/CeO2 촉매를 의도적으로 100 ppm SO2로 오염시킨 다음, 형성된 표면 황산염을 DRIFT를 사용하여 관찰하였다 (도 30). 황산염 IR 피크의 강도는 수열 처리 후에 감소하는 것으로 나타났다. 금속을 지지하지 않은 산화세륨 또는 수열 처리한 산화세륨 또한 100ppm SO2로 오염시키고, IR 피크를 확인한 결과, 황산염 피크의 강도가 수열 처리 후 상당히 감소하는 것을 확인하였다. 수열 처리된 Pd 2 중량% Pd/Al2O3를 황으로 오염시켰을 때, 황산염 피크는 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 황산염이 주로 산화세륨 표면에 형성되는 것이고, 산화세륨 표면의 황산염 형성은 수열 처리하면 상당히 억제되는 것을 보여주는 것이다.Sulfur can form sulfates on the surface of the catalyst to deactivate the metal catalyst supported on the support. The unannealed or hydrothermally treated Pd / CeO 2 catalyst was intentionally contaminated with 100 ppm SO 2 and then the surface sulphate formed was observed using DRIFT (FIG. 30). The intensity of the sulfate IR peak was shown to decrease after hydrothermal treatment. The cerium oxide or the hydrothermally treated cerium oxide which did not support the metal was also contaminated with 100 ppm SO 2 , and the IR peak was confirmed, and it was confirmed that the intensity of the sulfate peak decreased significantly after the hydrothermal treatment. When the hydrothermally treated Pd 2 wt% Pd / Al 2 O 3 was contaminated with sulfur, no sulfate peak was observed. These results show that sulfate is formed mainly on the surface of cerium oxide, and that sulfate formation on the surface of cerium oxide is significantly suppressed by hydrothermal treatment.

표면의 수산기 및 카보네이트는 산소의 이동에 영향을 줄 수 있다. 도 31은 산화세륨 및 Pd 2 중량%인 Pd/CeO2 촉매에서 표면에 카보네이트가 존재 또는 부존재하는 경우의 O2-TPD 결과를 도시한 것이다. 모든 샘플을 300 ℃에서 1시간 동안 O2 흐름 하에서 전처리시켰다. 산화세륨과 비교하여, Pd를 첨가하는 경우 더 큰 O2 피크를 나타내었다. Pd/CeO2 촉매의 경우 촉매 표면에 수산기를 생성하는 수열 처리에 따라 비교적 저온인 260 ℃에서 표면 격자 산소 피크가, 530 ℃에서 벌크 격자 산소 탈착 피크가 관찰 되었다. 반면에 열처리하지 않은 촉매 샘플은 300 ℃에서 표면 격자 산소의 탈착 피크와 550 ℃에서 벌크 격자 산소를 나타내었다. 표면 카보네이트는 실온에서 CO 및 O2를 흘려주면서 형성시켰으며, O2-TPD를 수행하였다. 열처리하지 않은 촉매 샘플은 O2 탈착 피크를 나타내지 않았지만, 수열 처리된 촉매 샘플은 여전히 270 ℃에서 표면 격자 산소 및 520 ℃에서 벌크 격자 산소에 대해 큰 O2 피크를 나타내었다. 이처럼 산소의 전달은 열처리하지 않은 촉매 샘플에서 표면의 카보네이트에 의해 방해 받았지만, 수열 처리된 촉매 샘플은 카보네이트 형성이 억제되어 거의 영향을 받지 않았다.Hydroxyl groups and carbonates on the surface can affect the transport of oxygen. FIG. 31 shows O 2 -TPD results when carbonate is present or absent on the surface of cerium oxide and a Pd / CeO 2 catalyst at 2 % by weight of Pd. All samples were pretreated under O 2 flow at 300 ° C. for 1 hour. Compared with cerium oxide, the addition of Pd showed a larger O 2 peak. In the case of Pd / CeO 2 catalyst, a surface lattice oxygen peak at 260 ° C. and a bulk lattice oxygen desorption peak at 530 ° C. were observed by hydrothermal treatment to generate hydroxyl groups on the catalyst surface. On the other hand, the catalyst sample without heat treatment showed a desorption peak of surface lattice oxygen at 300 ° C. and bulk lattice oxygen at 550 ° C. Surface carbonate was formed while flowing CO and O 2 at room temperature, and O 2 -TPD was performed. The untreated heat treated catalyst sample did not show an O 2 desorption peak, but the hydrothermally treated catalyst sample still showed large O 2 peaks for surface lattice oxygen at 270 ° C. and bulk lattice oxygen at 520 ° C. As such, the transfer of oxygen was hindered by the surface carbonate in the untreated heat treated catalyst sample, but the hydrothermally treated catalyst sample was hardly affected due to the inhibition of carbonate formation.

CO/He 흐름에 대해 TPD 분석을 수행하여 도 32에 나타내었다. 수열 처리된 Pd/CeO2는 카보네이트 형성과 무관하게 83 ℃에서 큰 피크를 보였다. 그러나 열처리하지 않은 촉매 샘플은 오염되지 않은 상태에서만 129 ˚C에서 CO2 피크를 보였으며 카보네이트가 형성된 샘플은 CO2 피크가 거의 나타나지 않았다. 탈착된 CO2의 양은 표 9와 같이 추정되었다. 수열 처리된 촉매는 다량의 이산화탄소를 생성하였으나, 열처리되지 않은 촉매 샘플에서는 카보네이트 형성 이후에 이산화탄소 양이 현저하게 감소하였다. 이처럼, 수열 처리는 격자 산소의 이동을 촉진시키고 카보네이트 형성을 방해하여 CO 산화에 대한 높은 활성 및 내구성을 나타내게 함을 확인하였다.TPD analysis was performed on the CO / He flow and is shown in FIG. 32. Hydrothermally treated Pd / CeO 2 showed a large peak at 83 ° C regardless of carbonate formation. However, the untreated heat treated catalyst sample showed a CO 2 peak at 129 ° C only in the uncontaminated state, and the carbonate formed sample showed little CO 2 peak. The amount of desorbed CO 2 was estimated as shown in Table 9. The hydrothermally produced catalyst produced a large amount of carbon dioxide, but the amount of carbon dioxide was significantly reduced after carbonate formation in the unannealed catalyst sample. As such, the hydrothermal treatment was found to promote the transport of lattice oxygen and interfere with carbonate formation, resulting in high activity and durability against CO oxidation.

촉매 (Pd 2 중량%)b Catalyst (Pd 2 wt%) b 메인 CO2 피크 온도 (℃)Main CO 2 peak temperature (℃) 흡착된 CO2의 양 (mmol/gcat)c Amount of adsorbed CO 2 (mmol / g cat ) c 2.0 HT2.0 HT 8383 0.1830.183 2.0 HT C2.0 HT C 8383 0.1640.164 2.02.0 129129 0.1570.157 2.0 C2.0 C -- 0.0280.028

표 9 확인 조건 : 촉매 : 50mg, 전처리 : 100 ℃에서 1시간 동안 100sccm의 He, TPD 분석 : 50sccm의 10 % CO 및 He와 균형, 10 ℃/분의 상승 속도.Table 9 Confirmation conditions: catalyst: 50 mg, pretreatment: 100 sccm He for 1 hour at 100 ° C., TPD analysis: balanced with 10% CO and He of 50 sccm, rising rate of 10 ° C./min.

b : 'HT'는 수열 처리를 나타내고 'C'는 표면에 카보네이트가 형성되었음을 나타낸다.b: 'HT' indicates hydrothermal treatment and 'C' indicates that carbonate was formed on the surface.

c : 탈착된 CO2의 양은 CO2 보정 데이터와 TCD 신호 영역을 사용하여 추정되었다.c: The amount of desorbed CO 2 was estimated using CO 2 correction data and TCD signal region.

이상과 같이 실시예를 통하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, the present invention has been described through examples. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

산화세륨 또는 산화티타늄 나노입자를 포함하는 지지체; 및
상기 지지체에 고정된 귀금속 나노입자;를 포함하며,
상기 귀금속은 전체 중량대비 0.1 내지 5.0 중량%로 포함되며
상기 귀금속 나노입자는 직경이 0.3 내지 1.6 nm이며,
상기 귀금속은 팔라듐, 로듐, 백금 및 루테늄으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인
일산화탄소 산화용 촉매.
A support comprising cerium oxide or titanium oxide nanoparticles; And
It includes; precious metal nanoparticles fixed to the support;
The precious metal is included in 0.1 to 5.0% by weight relative to the total weight
The precious metal nanoparticles are 0.3 to 1.6 nm in diameter,
The precious metal is one or more selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum and ruthenium
Catalyst for Oxidation of Carbon Monoxide.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
촉매의 비표면적은 30 내지 60 m2/g인, 일산화탄소 산화용 촉매.
The method of claim 1,
A catalyst for carbon monoxide oxidation, wherein the specific surface area of the catalyst is 30 to 60 m 2 / g.
제 1항 또는 제5항의 일산화탄소 산화용 촉매를 포함하는 자동차 배기가스 정화 장치.A vehicle exhaust gas purifying apparatus comprising the catalyst for oxidizing carbon monoxide according to claim 1. 1) 산화세륨 또는 산화티타늄 나노입자를 포함하는 지지체를 형성하는 단계;
2) 상기 지지체를 소성하는 단계;
3) 2)단계의 지지체 상에 귀금속 나노입자를 고정하여 일산화탄소 산화용 촉매를 형성하는 단계로서,
상기 귀금속은 팔라듐, 로듐, 백금 및 루테늄으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되고, 상기 귀금속은 전체 중량대비 0.1 내지 5.0 중량%로 포함되는 것; 및
4) 3)단계의 일산화탄소 산화용 촉매를 수열 처리하는 단계로서, 상기 수열 처리는 19 내지 30시간 수행되는 것;
을 포함하는, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법으로서,
상기 제조 방법으로 제조된 일산화탄소 산화용 촉매의 귀금속 나노입자의 직경은 0.3 내지 1.6 nm인
일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
1) forming a support comprising cerium oxide or titanium oxide nanoparticles;
2) calcining the support;
3) fixing a noble metal nanoparticle on the support of step 2) to form a catalyst for carbon monoxide oxidation,
The precious metal is selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum and ruthenium, and the precious metal is included in an amount of 0.1 to 5.0 wt% based on the total weight; And
4) hydrothermally treating the catalyst for oxidizing carbon monoxide in step 3), wherein the hydrothermal treatment is performed for 19 to 30 hours;
As a method for producing a catalyst for oxidizing carbon monoxide,
The diameter of the noble metal nanoparticles of the catalyst for oxidizing carbon monoxide prepared by the production method is 0.3 to 1.6 nm
Method for producing a catalyst for oxidizing carbon monoxide.
삭제delete 삭제delete 제 7항에 있어서,
상기 수열 처리는 600 내지 750℃의 온도에서 수행되는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The hydrothermal treatment is carried out at a temperature of 600 to 750 ℃, method for producing a catalyst for carbon monoxide oxidation.
제 7항에 있어서,
상기 수열 처리는 5 내지 10%의 H2O를 함유하는 공기 중에서 수행되는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The hydrothermal treatment is carried out in air containing 5 to 10% H 2 O, the method for producing a catalyst for carbon monoxide oxidation.
삭제delete
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