KR20180072541A - 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

The present invention provides a hydrothermally treated catalyst for the carbon monoxide oxidation which contains a catalyst including a support including metal oxide nanoparticles and noble metal nanoparticles fixed to the support; and a manufacturing method thereof. The catalyst according to the present invention solves the problem of catalyst inactivation by applying hydrothermal treatment conditions which are substantially similar to the actual vehicle exhaust environment, thereby contributing to the improvement of catalytic activity and the design of a stable automobile catalyst.

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}FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a hydrotreated carbon monoxide oxidation catalyst comprising a metal oxide support and noble metal nanoparticles fixed on the support, a method for producing the catalyst, and an exhaust gas purification 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 catalyst for oxidation of carbon monoxide comprising a support containing metal oxide nanoparticles and noble metal nanoparticles fixed to the support, a process for producing the catalyst, and an exhaust gas purification apparatus comprising the catalyst.

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 components of automotive three-way catalyst devices. Since rare and expensive metals are used in these 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, resulting in high cost efficiency. However, smaller metal nanoparticles tend to thicken during the catalytic reaction, which is due to the phenomenon that the metal nanoparticles are sintered. This is due to the high surface energy of the metal nanoparticles, which thermodynamic instability increases exponentially as the size of the metal nanoparticles decreases. Smaller nanoparticles tend to be sintered more easily, so to ensure high catalytic activity, the size of the nanoparticles should be small and not sintered. In addition, because the exhaust environment of a real car is very severe, modern automobile catalysts must remain active at high temperature (about 750 ° C) and air (humidity of about 10% H 2 O). However, the conventional catalysts have a problem that their surface area is reduced in the actual exhaust environment as described above, and the catalytic active sites are lost.

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.Conventionally, various studies such as pretreatment, post-treatment, or production of a new catalyst structure have been carried out in order to prevent such inactivation. Among them, the redispersion phenomenon in which the size of the metal nanoparticles is reduced after a specific treatment is attracting attention as a promising strategy for regenerating the sintered metal nanocatalyst. Methods such as repeated oxidation-reduction, oxy-chlorination or chlorination, and iodinated methane treatment have been studied for treatment to induce redispersion.

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.Among the repetitive oxidation - reduction methods Nagai. Y. et. According to al., platinum nanoparticles supported on cerium oxide were redispersed in an oxidizing atmosphere. Tanabe. T. et. In this study, it was confirmed that platinum nanoparticles supported on magnesium oxide were heat - treated in air at 1073K and redispersed in case of reduction in 10% hydrogen atmosphere. Wu. T. et. al., it was confirmed that the platinum nanoparticles supported on cubic cobalt oxide were redispersed by repeated oxidation-reduction. Lira. E. et. al., reported that platinum nanoparticles supported on γ-Al 2 O 3 are oxidized and redispersed by NO. Jones. J. et. al. reported that platinum is redispersed in cerium oxide by atom trapping. Repeated oxidation-reduction processes are difficult to apply industrially because they require rapid iterations 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. Oxy-chlorination or post-chlorination treatment of Lenormand. F. et. al., it was confirmed that the sintered Pt / Al 2 O 3 was redispersed under the HCl / H 2 O / O 2 / N 2 flow at 773K. Galisteo. FC et. The autocatalytic activity of Pt / Al 2 O 3 was recovered by oxy - chlorination and the diesel oxidation catalyst performance was recovered. Lambrou. PS et. According to al., palladium nanoparticles supported on CeO 2 -Al 2 O 3 were redispersed by oxy-chlorination. However, such oxy-chlorination or post-chlorination post-treatment process is complicated and difficult to handle and treat due to toxicity of halogen gas generated by 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 iodinated methane treatment method, Goguet. A. et. al. And Duan. X. P. et. According to al., the iodinated methane treatment increased the degree of dispersion of the gold particles and maintained the catalytic activity. J. et. al., it was confirmed that the degree of dispersion of gold particles was increased by the Au-I interaction resulting from methane treatment with iodide. In the case of iodinated methane treatment, it is limited to gold in the metal. However, since gold has a very low thermal stability, it is difficult to use it as an actual automobile 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 above problems, many researchers have studied a method for improving the stability of a supported metal catalyst. In recent years, cerium oxide (CeO 2 ) as a support material for noble metal nano- . This is because strong metal-support interactions lead to a synergistic redox cycle for both the metal and cerium oxide, which is the preferred catalyst performance in a wide variety of applications. In addition, cerium oxide has a high oxygen storage capacity (OSC) and redox properties due to the cycle of Ce 4 + / Ce 3 + , contributing to high activity for CO oxidation. Among the various noble metals, palladium (Pd) can be evenly dispersed on cerium oxide due to strong interaction with cerium oxide, and as a result, the catalytic activity can be improved. Thus, a number of recent researchers are interested in low temperature CO oxidation using palladium supported on cerium oxide. X. Yang. et. al. reported that the redispersing effects of cube-shaped cerium oxide on platinum (Pt) nanoparticles are supported by an alternating atmosphere of oxidizing and reducing conditions. T. Wu. et. al. reported that redispersion of cerium oxide-based supported platinum in an actual vehicle exhaust environment is due to strong metal support interaction between platinum and cerium oxide. J. Lupescu. et. al. investigated the effect of processing environment on redispersion of palladium model catalysts. B. Goldsmith. et. al. reported decomposition and redispersion of 3-way catalysts rhodium, palladium and platinum induced by CO and NO during oxidation of toxic gases such as NOx and CO. However, a large number of Pd / CeO 2 catalysts still undergo a severe deactivation process during high temperature and humid air treatment, which is the actual vehicle 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 CO is oxidized using a catalyst, a carbonate layer is formed on the surface of the catalyst. In general, various carbonates that form a layer on the surface are considered to be toxic and result in a decrease in CO oxidation activity. Therefore, in order to improve the catalytic activity and durability, it is very important to remove the carbonate formed on the surface. In this regard, B. Schumacher. et. al. reported that the deactivation of Au / TiO 2 is caused by the accumulation and deposition of carbonate species on the surface of the catalyst and not by the sintering of Au particles. T. Ntho. et. al. reported that FT-IR analysis indicates that the formation of bicarbonate on Au supported on titania nanotubes is a competitive reaction leading to catalyst deactivation. Although research for removing carbonates is essential to perform efficient CO oxidation, studies to investigate such an important topic have not been sufficiently performed so far, and the problems of carbonates formed during CO oxidation are still continuing.

대한민국 등록특허 제10-0206487호Korean 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.An object of the present invention is to provide a catalyst for carbon monoxide oxidation, which comprises a support including metal oxide nanoparticles and noble metal nanoparticles and has improved catalytic activity and durability, an automobile exhaust gas purification apparatus comprising the same, 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.DISCLOSURE OF THE INVENTION In view of the fact that metal nanoparticles can be redispersed when a catalyst containing metal nanoparticles immobilized on a support is subjected to hydrothermal treatment, a support including metal oxide nanoparticles and hydrothermal treatment including noble metal nanoparticles Treated carbon monoxide oxidation catalyst.

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 support for metal oxide nanoparticles and noble metal nanoparticles, wherein said noble metal nanoparticles are 0.3 to 1.6 nm in diameter.

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 purifying apparatus including a 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 provides a process for producing a carbon monoxide oxidation catalyst, comprising: forming a support comprising metal oxide nanoparticles; fixing noble metal nanoparticles on the support to form a catalyst for oxidizing carbon monoxide; and hydrothermally treating the catalyst for carbon monoxide oxidation And 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 hydrotreated catalyst for oxidation of carbon monoxide comprising a support comprising metal oxide nanoparticles and a catalyst comprising noble metal nanoparticles, wherein the hydrothermal treatment (750 ° C, 10% H 2 O in air, ), The noble metal nanoparticles supported on the support including the metal oxide nanoparticles are redispersed and the catalytic activity is improved.

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.According to the present invention, a hydrothermal treatment catalyst for oxidation of carbon monoxide including a support comprising metal oxide nanoparticles and a catalyst including noble metal nanoparticles solves the problem of catalyst deactivation by applying hydrothermal treatment conditions substantially similar to actual vehicle exhaust environments , The effect of further improving the catalytic activity is achieved, and the present invention can contribute to designing an activated and stable new automobile catalyst.

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 then re-dispersion of palladium occurs and the formation of carbonate species on the surface of the catalyst is reduced. As a result, the 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 showing that Pd nanoparticles are redispersed on a cerium oxide support by hydrothermal treatment of the catalyst of the present invention, and poisoning formation is reduced by hydroxyl groups, indicating high CO oxidation activity and durability.
Figure 2 is Example 1, prepared according to (a) Pd / CeO of the non-heat-treated Pd 2% by weight of second catalyst, (b) of the heat-treated Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst, (c) a hydrothermal treatment Pd 2% by weight of a HAADF-STEM image of a Pd / CeO 2 catalyst. The white circle represents the palladium on the surface of the cerium oxide. (d) is an EDS mapping image of a hydrothermal treatment with Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst. Red indicates palladium, and green indicates cerium.
Figure 3 (a) is a HAADF-STEM image of a cerium oxide, (b) is a cerium oxide, (c) is Pd / CeO of the non-heat-treated Pd 0.1% by weight of second catalyst, (d) is not heat-treated Pd 2 wt. % of Pd / CeO 2 is a TEM image of the 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 indicates palladium, and green indicates cerium.
5 (a) to 5 (e) are HR-TEM images of a Pd / CeO 2 catalyst containing 2 wt% of Pd without heat treatment. The red circles represent palladium. (f) is a palladium diameter distribution diagram obtained from an HR-TEM image.
6 (a) to 6 (e) are HR-TEM images of a Pd / CeO 2 catalyst with 2 wt% of heat-treated Pd. The red circles represent palladium. (f) is a palladium diameter distribution diagram obtained from an HR-TEM image.
7 (a) to (e) are HR-TEM images of a Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% Pd treated with hydrothermal treatment. The red circles represent palladium. (f) is a palladium diameter distribution diagram obtained from an HR-TEM image.
Figure 8 (a) Pd / CeO of the non-heat-treated Pd 2% by weight of second catalyst, (b) Pd / CeO 2 catalyst (T) of Pd 2% by weight of the heat-treated, (c) a hydrothermal treatment of Pd 2% by weight of Pd / CeO 2 catalyst (HT), (d) 0.1 wt% Pd / CeO 2 catalyst without heat treatment, (e) 0.1 wt% Pd / CeO 2 catalyst with heat treatment P, Pd is the Pd 3d XPS spectrum of 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))
9 is an XRD result of Pd 0.1% by weight before and after thermal treatment or hydrothermal treatment, and 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst. The PdO peak disappeared after hydrothermally treating 2 % by weight of the Pd / CeO2 catalyst.
10 is a graph showing the relationship between (a) another moisture content, (a) the amount of Pd / CeO 2 catalyst (as-made) containing Pd 2 wt% of Pd and the Pd / CeO 2 catalyst (b) other hydrothermal treatment temperatures, (c) other hydrothermal treatment time conditions and at a flow rate of 100 sccm (1% CO and 1% O 2 under He) at 120,000 ml / hr cat .
11 is a non-heat-treated (as-made), the heat-treated (T), a hydrothermal-treated (HT) XANES (X-ray of Pd 2% by weight of Pd / CeO 2 catalyst, PdO, and Pd foil absorption near-edge structure ) Data.
FIG. 12 (a) shows a Pd / CeO 2 catalyst of 2% by weight Pd / hydrothermally treated (HT) Pd / CeO 2 catalyst as heat treated, heat treated, Pd K edge k 3 weighted Fury of PdO and Pd foil The converted EXAFS spectrum, the solid line is the experimental data, and the dotted line is the fitting result. The spectra of the PdO and Pd foils are multiplied by 1/3 and 1/4 times, respectively, to facilitate comparison. (b) is an overlaid FT-EXAFS spectrum of Pd / CeO 2 catalyst with 2 wt% Pd as heat-treated (T) and hydrothermally treated (HT).
13 is a view showing the change of CO adsorption type after heat treatment or hydrothermal treatment of Pd / CeO 2 catalyst of Pd 2 wt% by in-situ DRIFT measurement.
14 is a graph showing the results of oxidation of CO with the catalyst prepared according to Example 1 and Comparative Example 9. Fig.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the M / CeO 2 catalyst and the hydrothermally treated (HT) M = Pd, Pt, Rh, Ru hydrothermally treated M / CeO 2 catalyst at 120,000 ml / hr cat at a flow rate of 100 sccm 1% O 2 ).
FIG. 16 is a graph showing the relationship between Pd / CeO 2 catalysts treated with hydrothermally treated (HT) Pd / CeO 2 catalysts at 120,000 ml / hrg cat at a flow rate of 100 sccm (1% 2 ). ≪ / RTI >
Figure 17 is a non-heat-treated, heat-treated (T), a hydrothermal-treated (HT) 1% CO and 1% under a Pd / CeO 2 catalyst of Pd 2% by weight of a flow rate of 100 sccm at 120,000 ml / hrg cat (He O 2 ). FIG. '2.0 H 2 O' indicates the result of oxidizing CO by contacting Pd / CeO 2 catalyst with Pd 2 wt% of untreated Pd / CeO 2 catalyst to CO and O 2 flow containing 3.2% H 2 O.
FIG. 18 is a graph showing the results of CO oxidation under conditions of a low 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 1% CO 2 flow.
19 is a graph showing in-situ DRIFT results of a Pd / CeO 2 catalyst of hydrothermally treated Pd 2% by weight. Flowing a 2% CO and Ar 20 minutes at 25 ℃, and is made a 2% O 2, including Ar for obtaining the IR spectrum at 25 to 125 ℃ After purging the residual CO gas to flow in a vacuum for 10 minutes.
FIG. 20 is a graph showing changes in catalytic activity for CO oxidation according to the content of water contained in the CO stream using Pd / CeO 2 catalyst of Pd 2 wt.% Without heat treatment.
FIG. 21 (a) is a graph showing various hydrothermal treatment times, and FIG. 21 (b) is a graph showing CO oxidation results repeatedly reacted with a hydrothermally treated catalyst for 25 hours.
FIG. 22 (a) is a graph showing the relationship between CO (CO) content when Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% Pd which is as-made, hydrothermally treated (HT), hydrothermally treated at 570 ° C. And the rate of oxidation reaction. (b) is a graph showing the relationship between ln r and 1 / T from the reaction rate.
23 (a) is a graph showing the results of TPD of a Pd / CeO 2 catalyst containing 2 wt% of Pd hydrothermally treated with H 2 18 O. FIG. H 2 16 O (m / z = 18) and H 2 18 O (m / z = 20) were monitored by mass spectrometry. (b) shows temperature-programmed reaction spectroscopy (TPRS) results of Pd / CeO 2 catalyst of Pd 2 wt% hydrothermally treated with H 2 18 O. FIG. CO flow was repeated 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).
24 (a) shows the result of simultaneous oxidation of CO and C 3 H 6 using a Pd / CeO 2 catalyst with 2 wt% of Pd (hydrothermally treated) and without heat treatment. (b) is a result of CO oxidation after sulfur (S) contamination of Pd / CeO 2 catalyst with 2 wt% Pd heat treated (HT) and heat treated (T) without heat treatment.
25 (a) is a result of a long-term durability test for oxidation of CO with Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% Pd heat-treated (T) and hydrothermally treated (HT) Pd without heat treatment. (b) is a graph showing the results of CO oxidation in the presence of 100 ppm of SO 2 flow.
26 is a graph showing a result of performing the continuous CO oxidation at various temperatures using a hydrothermal treatment of the Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst. At the end of each CO oxidation cycle, the sample was cooled to room temperature and proceeded 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) the Pd / CeO 2 catalyst of Pd 2 wt% without heat treatment, and (d) the presence of surface hydroxyl groups of the Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% Pd hydrothermally treated by in situ DRIFT analysis.
Fig. 28 (a) shows the result of in-situ DRIFT analysis of carbonate formation of heat-treated cerium oxide, (b) hydrothermally treated cerium oxide, (c) cerium oxide without heat treatment, (d) In-situ DRIFT analysis of the presence of hydroxyl groups on the surface.
Figure 29 is the non-cerium oxide and hydrothermal treatment (HT) of cerium oxide, with the non-heat-treated Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst, and hydrothermal treatment (HT) Pd / CeO 2 catalyst surface for Pd 2% by weight to the heat treatment The TPD of CO 2 (m / z = 44) was measured by mass spectrometry after forming the carbonate.
30 is DRIFT data for sulfate formation of Pd / CeO2 catalyst with Pd 2% by weight of untreated Pd / CeO 2 catalyst and hydrothermally treated (HT) Pd 2% by weight Pd / CeO 2 catalyst. For comparison, DRIFT data of unheated cerium oxide, hydrothermally treated cerium oxide and Pd 2 wt.% Pd / Al 2 O 3 catalyst are shown.
31 (a) is a graph showing the TPD of oxygen (m / z = 32) observed by mass spectrometry of cerium oxide and Pd 2% by weight of Pd / CeO 2 catalyst after surface carbonate formation .
TPD graph of the case 32 is passed through a CO / He in the carbonate form (C) of the non-heat-treated Pd 2% by weight before and after the Pd / CeO 2 catalyst and the hydrothermal-treated (HT) Pd / CeO 2 catalyst of Pd 2% by weight 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 for oxidation of carbon monoxide, comprising a support comprising metal oxide nanoparticles and noble metal nanoparticles fixed to the support, wherein the diameter of the noble metal nanoparticles is 0.3 to 1.6 nm. By hydrothermal treatment of the catalyst of the present invention, the diameter of the noble metal nanoparticles may be as shown in the above range, and in this case, the specific surface area of the catalyst capable of exhibiting the catalytic activity required for carbon monoxide oxidation is obtained.

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-support interactions with noble metals and are suitable for use as supports for fixing catalysts containing 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. The noble metal may be included in an amount of 0.1 to 5.0% by weight based on the catalyst for oxidizing carbon monoxide of the present invention. Preferably 2.0% by weight. When the content of the noble metal is lower than 0.1 wt%, the efficiency of carbon monoxide oxidation is remarkably lowered. When the content of noble metal is higher than 5.0 wt%, the economic efficiency is lowered and the oxidation efficiency is lowered compared with the noble 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 30 to 60 m 2 / g. If 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, the hydrothermal treatment collectively refers to a treatment performed through heating in a wet environment, which is distinguished from a heat treatment performed through heating in a moisture-free environment. The catalyst for oxidation of carbon monoxide subjected to hydrothermal treatment according to the present invention may be one in which the noble metal nanoparticles on the catalyst support are redispersed. Here, the redispersion phenomenon of the noble metal nanoparticles due to the hydrothermal treatment increases the proportion of the ionic noble metal nanoparticles as the proportion of the metallic noble metal nanoparticles decreases, But may be, but is not limited to, redispersing by the particles. The redispersion of the noble metal nanoparticles may improve the catalytic activity of the catalyst for oxidizing carbon monoxide according to the present invention. In addition, the hydrolysis-treated catalyst for carbon monoxide oxidation according to the present invention can inhibit the formation of carbonate species in the carbon monoxide oxidation process. Here, the carbonate species is a toxic component that results in a decrease in carbon monoxide oxidizing activity. As a result, the activity of the carbon monoxide oxidizing catalyst is improved as the formation of the carbonate species is suppressed by the hydrothermal treatment . 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. In the case of hydrothermal treatment in air containing less than 600 ° C or H 2 O of less than 5%, there arises a problem that the noble metal nanoparticles are not well redispersed in the metal oxide support, which leads to a sharp reduction in the carbon monoxide oxidation efficiency . If the hydrothermal treatment temperature exceeds 750 ° C, there arises a problem that the noble metal nanoparticles are sintered. In the case of hydrothermal treatment in air containing 10% or more of H 2 O, water adheres to the surface of the catalyst excessively, A problem arises. Further, in the present invention, the hydrothermal treatment may be performed under the above temperature and humidity conditions for 19 to 30 hours. When the treatment time is shorter than 19 hours, the redispersion of the metal nanoparticles is less likely to occur, and when the treatment 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.Further, the present invention relates to an automobile exhaust gas purifying apparatus including a catalyst for oxidizing carbon monoxide according to the present invention and located at the rear end of an automotive internal combustion engine. Here, an automotive internal combustion engine includes, but is not limited to, a diesel or a 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.The present invention also provides a method for producing a carbon monoxide oxidizing catalyst, comprising: forming a support comprising metal oxide nanoparticles; fixing a catalyst containing noble metal nanoparticles on the support to form a catalyst for oxidizing carbon monoxide; The present invention relates to a method for producing a catalyst for oxidation of carbon monoxide.

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 embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예 1-1. Pd/CeOExample 1-1. Pd / CeO 22 촉매 합성 Catalyst 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. 1000 mg of Ce (NO 3 ) 3 6H 2 O (cancochemical) was dissolved in 23 mL of distilled water in a round bottom flask to prepare a 0.1 M aqueous solution. Thereafter, ammonia water (Ducksan) was added dropwise to the aqueous solution until the pH of the solution reached 8.5 while stirring (500 rpm) continuously to form cerium hydroxide. After stirring at 500 rpm for 1 hour, a pale yellow slurry was obtained and filtered, and washed several times with twice distilled water to remove anionic impurities. The obtained precipitates were dried in a convection oven at 80 DEG C for 12 hours, and the obtained solid was pulverized into a fine powder form in ceramic mortar. Thereafter, the obtained powder was fired at 500 DEG C for 5 hours at a ramping rate of 5 DEG 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 and vigorously stirred (900 rpm) to disperse the cerium oxide powder in distilled water. To prepare the H 2 PdCl 4 solution, 2: 1 molar HCl (tertiary) 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 an Na 2 CO 3 aqueous solution. Then, H 2 PdCl 4 (Pd 4 mg) and Na 2 CO 3 aqueous solution were introduced dropwise into the cerium oxide dispersion with stirring (900 rpm), and the pH of the final solution was adjusted to 9. Stirring was continued for 2 hours, then allowed to stand at room temperature for 2 hours, then the solution was filtered and washed several times with deionized water and then dried at 80 DEG 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.Pd / CeO 2 catalysts having Pd contents of 0.1 wt%, 0.2 wt%, 0.5 wt%, 1 wt%, 2 wt%, 4 wt%, and 5 wt% were synthesized through the above method.

추가적으로, 제조한 Pd/CeO2 촉매에 144.5 sccm의 건조 공기를 750 ℃에서 25시간 동안 접촉시켜 열처리된 Pd/CeO2 촉매를 준비하였다.Additionally, were 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/CeOExamples 1-2. Rh / CeO 22 촉매 합성 Catalyst synthesis

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

실시예 1-3. Pt/CeOExamples 1-3. Pt / CeO 22 촉매 합성 Catalyst synthesis

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

실시예 1-4. Ru/CeOExamples 1-4. Ru / CeO 22 촉매 합성 Catalyst synthesis

H2RuCl5 용액을 제조하여 귀금속으로 루테늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Ru 2 중량%인 Ru/CeO2 촉매를 합성하였다.H 2 RuCl 5 to prepare a solution of ethylamine in Example 1-1 by way of Ru / CeO 2 catalyst Ru 2% by weight of ruthenium, except for using as the noble metal.

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

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

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

HAuCl43H2O 용액을 제조하여 금을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Au 2 중량%인 Au/CeO2 촉매를 합성하였다.A Au / CeO 2 catalyst of 2 wt% Au was synthesized by the method of Example 1-1 except that a HAuCl 4 3H 2 O solution was prepared and gold was used.

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

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

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

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

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

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

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

지지체로 산화티타늄을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1의 방법으로 Pd/TiO2 촉매를 합성하였다.A Pd / TiO 2 catalyst was synthesized by the method of Example 1-1 except that titanium oxide was used as a support.

비교예 6. Pd/ZrOComparative Example 6 Pd / ZrO 22 촉매 합성 Catalyst 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 a 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 a support.

비교예 8. Pd/AlComparative Example 8 Pd / Al 22 OO 33 촉매 합성 Catalyst 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 a support.

비교예 9. Pd/CeComparative Example 9 Pd / Ce 0.50.5 ZrZr 0.50.5 OO 22 촉매 합성 Catalyst 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 a support and palladium as a metal catalyst according to the method described in Appl. Cat. B. Env., 2016, 185, pp 189-202.

실험예Experimental Example

촉매를 이용한 CO 산화 반응 방법Catalytic CO oxidation process

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 the catalyst prepared according to the Examples and Comparative Examples were injected into a U-type quartz cell. At this time, the catalysts without heat treatment, the heat treated catalyst and the hydrothermally treated catalyst were compared. The reactor was purged with 100 sccm He gas at 100 < 0 > C for 1 hour and cooled to room temperature under a 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 from 25 占 폚 to 10 占 폚 at a rising rate of 5 占 폚 / min until a CO conversion of 100% was reached. When the temperature reached each temperature, the reactor was maintained for 18 minutes to achieve equilibrium.

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.Hereinafter, the effect according to the presence of propylene was confirmed in the same manner as above except that 100 sccm of a feed gas composed of 1% CO, 0.2% C 3 H 6, and 10% O 2 under He gas flow was used . In the following, the influence of sulfur pollution was confirmed by the same method as above, except that 100 ppm of SO 2 / He flow was flowed at 100 sccm for 2 hours at 300 ° C on the catalyst. In some cases, water was flowed with CO and O 2, and the moisture content was controlled by bubbling the inlet flow of the water 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 passed through a capillary column 1000 column (75035, SUPELCO, 15 ft x 1/8 in x 2.1 mm), on-line gas chromatography (GC, Younglin GC 6500 system) equipped with a thermal conductivity detector (TCD) (GS-GASPRO, Agilent Technologies, 30 m x 0.32 mm) and a 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) was measured using a Nicolet iS-50 (Thermo Scientific). To do this, 13 mg of catalyst was mixed with 86 mg of KBr and pulverized, and the pulverized powder was injected into a sample cup and mounted in a DRIFT cell. The cell was covered with a KBr window and purged with Ar gas at 98 sccm for 20 minutes at room temperature. The cell was purged with Ar flow at 100 < 0 > C for 1 hour to remove water and cool to room temperature. Thereafter, the DRIFT cell was heated at 85 ° C. for 20 minutes and the temperature was maintained at 85 ° C. because the maximum difference in activity between the prepared, heat-treated, and hydrothermally treated catalysts at that temperature . Thereafter, 2% CO 2 gas was charged at 85 캜 for 10 minutes. The DRIFT spectrum was obtained in vacuum and 2% O 2 gas was charged at 85 ° C for 10 minutes and the DRIFT spectrum was obtained simultaneously. Finally, additional spectra were obtained in vacuum.

촉매의 특성 확인 방법How to identify characteristics of 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 device (300 kV). Also, 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 (HAADF-IR) spectroscopy using titanium-cube G2 60-300 (FEI, 300 kV acceleration voltage) STEM images were obtained. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES) analysis was performed on the OPTIMA 7300 DV instrument to confirm 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 an X-ray diffraction (XRD) pattern (Rigaku, Cu Kα radiation). The state of the metal was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, K-Alpha, Thermo VG Scientific). The bond energies were calculated using the maximum intensity of the C 1s signal, which is advantageous 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. This method utilizes a pre-injection of CO 2 to prevent overestimation of noble metal nanoparticle dispersion caused by adsorption of CO on the support as a carbonate species. First, sikyeotgo heated to about 50 mg 2% 3.5% O 2 / He gas in 300 ℃ (10 ℃ / min) in the catalyst having a weight for 10 minutes, then was let cooled to 50 ℃, the sample 4.9% H 2 / Ar stream to 200 < 0 > C and cooled to 50 < 0 > C. The samples were then exposed to gas flow in the following sequence: (i) He (5 min); (ii) 3.5% O 2 / He (5 minutes); (iii) CO 2 (10 min); (iv) He (20 min); (v) 5% H 2 / Ar (5 min). Finally, the CO was pulsed every minute in the He stream until the adsorption of CO on 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 in the catalyst was measured by temperature elevation desorption (TPD) in BELCAT-B (BEL, Japan) equipped with a mass spectrometer (MS). 50 mg of each catalyst was placed in a U-shaped quartz cell and pretreated for 1 hour at 100 캜 under an He flow of 100 sccm and cooled to room temperature. 1% CO and 1% O 2 were introduced into the cell at room temperature for 20 minutes under He gas flow. The physically adsorbed gas molecules were then purged with a flow of 100 sccm He for 1 hour then the catalyst was immediately charged to the TPD-quartz cell. The TPD-quartz cell was heated up to 600 ° C at a rate of 10 ° C / min when the He flow was 50 sccm. Carbon dioxide of m / z = 44 in the discharged gas was analyzed by MS detector. The availability of lattice oxygen was measured by TPD-MS by monitoring oxygen. The sample was pretreated with 50 sccm of 3.5% O 2 / He at 300 ° C for 1 hour and cooled to room temperature under an He flow of 50 sccm. And the temperature was raised to 800 DEG C at an increasing rate of 10 DEG C / min under He flow. Oxygen with m / z = 32 in the exhausted gas was analyzed by MS detector.

수열처리에 따른 금속의 직경 변화 확인Confirmed changes in diameter of metal due to water heat 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.An electron micrograph of the unheated Pd / CeO 2 catalyst, the heat-treated Pd / CeO 2 catalyst and the hydrothermally treated Pd / CeO 2 catalyst sample prepared according to Example 1 is shown in FIG. The approximate diameter of the cerium oxide was about 15-30 nm as shown in Fig. When 2 wt% 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, when the prepared catalyst was heat-treated at 750 ° C in wet air of 10% H 2 O for 25 hours, the Pd domain was hardly observed. The EDS mapping image of the sample hydrothermally treated in Figure 2 (d) clearly shows that Pd is uniformly distributed on the cerium oxide, but the 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 a distinct domain as shown in FIG. The high resolution TEM images of Figures 5 to 7 show that 2 wt% Pd / CeO 2 The catalysts showed an average diameter of 1.5 nm for the Pd domain, 2.2 nm for the heat-treated sample, and 0.9 nm for the hydrothermally treated sample. These results demonstrate that the Pd domain increases after heat treatment and the Pd domain decreases after 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 Pd domain diameter after hydrothermal treatment, also called redispersion phenomenon, could be confirmed by the chemical adsorption of CO. BET surface area of the catalyst sample, showed a Pd dispersion and changes in diameter, Pd oxidation state and the T 100 is estimated 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 (° C) 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 The 2 wt% Pd / CeO 2 57.457.4 59.159.1 1.51.5 0.400.40 125125 열처리된 2 중량%의 Pd/CeO2 Heat-treated 2 wt% Pd / CeO 2 38.538.5 36.736.7 2.42.4 0.220.22 145145 수열 처리된 2 중량%의 Pd/CeO2 The hydrothermally treated 2 wt% Pd / CeO 2 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 the Pd particles was estimated from the Pd dispersion.

c : Pd 3d XPS 스펙트럼으로부터 추정하였다.c: estimated from the Pd 3d XPS spectrum.

d : CO 전환율이 100%에 도달한 온도를 나타낸다.d: the temperature at which the CO conversion rate reaches 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, changes in the BET surface area and Pd oxidation state were measured to confirm the physicochemical properties of the Pd / CeO 2 catalyst according to 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 2 / g, and it was confirmed that cerium oxide aggregation was inhibited by addition of Pd. After hydrothermal treatment, the Pd dispersion increased to 97.8%, and the diameter of the Pd nanoparticles decreased to 0.9 nm, confirming that the redispersion of the Pd nanoparticles occurred. The change in 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 was significantly reduced after hydrothermal treatment. Changes in the crystal structure were also observed in XRD as shown in Fig. An XRD peak for PdO was observed in the Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% Pd, but after the hydrothermal treatment, the PdO peak disappeared and redispersion of the Pd domain was also confirmed.

수열 처리 조건이 촉매에 미치는 영향 확인Determination of effect of hydrothermal treatment condition on 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 influence of hydrothermal treatment conditions on the Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% Pd was confirmed. The Pd domain size was estimated as shown in Table 2 by varying the moisture content, temperature and treatment time. The average Pd diameter decreased as the water content increased to 10%. Also, the heat treatment at a temperature of 750 캜 for 25 hours was an optimal treatment condition for redispersion of Pd supported on cerium oxide. The CO oxidation activity of hydrothermally treated Pd / CeO 2 under various conditions is shown in FIG. In the water content experiment, the catalytic activity increased up to 10%, but as the water content increased, excessive amount of water blocked the active sites and the catalytic activity was greatly reduced. In experiments with different temperatures and times, the activity of the further redispersed catalyst was better, indicating that the Pd redispersion strategy is effective in improving CO oxidation activity.

H2O 함량(%)H 2 O content (%) 열처리하지 않은 촉매Non-heat treated catalyst 33 55 1010 1515 2020 3030 수열 처리 후 Pd 직경 (nm)Diameter of Pd 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 (℃)Heat treatment temperature (℃) 열처리하지 않은 촉매Non-heat treated catalyst 300300 450450 600600 750750 850850 950950 수열 처리 후 Pd 직경 (nm)Diameter of Pd 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)Heat treatment time (h) 열처리하지 않은 촉매Non-heat treated catalyst 1212 2525 5050 -- -- -- 수열 처리 후 Pd 직경 (nm)Diameter of Pd 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.Table 3 shows the change in the size of the Pd domain with respect to the hydrothermal treatment time in order to further confirm the Pd redispersion phenomenon. As a result, it was confirmed that the Pd domain increased from 1.5 nm to 2 nm by 4 hours and then decreased gradually. Hydrothermal treatment can provide a surface-OH group 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 Pd 2 + -OH species formed migrate with high mobility, and Pd supported on cerium oxide is redispersed due to strong interaction between Pd 2 + -OH and cerium oxide.

수열 처리 시간 (h)Heat 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)Heat 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)Heat 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.Enhanced metal-support interactions after hydrothermal treatment were confirmed by XANES and EXAFS. The change of Pd oxidation state after hydrothermal treatment was evaluated by using XANES as shown in FIG. The XANES data showed that the white line peak of hydrothermally treated Pd / CeO 2 migrated to higher energy than the untreated catalyst sample and the heat treated sample. The highly oxidized Pd in the hydrothermally treated sample appears to be due to the formation of Pd 2+ -OH. The Pd K edge EXAFS data also includes the Pd / CeO 2 catalyst sample, the heat-treated Pd / CeO 2 catalyst sample, the hydrothermally treated Pd / CeO 2 catalyst sample, the PdO and Pd The results of the fitting 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 considered to enhance the interaction of Pd-O-Ce with decreasing Pd domain size.

샘플Sample 패스pass 배위수 (R)The coordination number (R) 원자간 거리 (Å)Atomic distance (Å) 디바이-월러 팩터 (σ2/Å2)The Db-Waller factor (? 2 /? 2 ) R-팩터 (%)R-factor (%) 열처리되지
않은 샘플
Not heat treated.
No samples
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
Hydrothermally treated
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.After adsorption of CO to the metal reaction site, in-situ IR analysis was performed to obtain important information on the metal structure. CO molecules linearly adsorbed to a single Pd site show peaks at 2000 to 2200 cm -1 while CO adsorbed to Pd ensemble sites with a bridge mode or a 3-fold hollow mode have a peak at 1900 to 2000 cm -1 Or a peak at 1800 to 1900 cm -1 . Figure 13 shows the IR peaks of the CO adsorbed on the catalyst, the catalyst heat-treated and hydrothermally treated Pd / CeO 2 samples that are not heat treated. The heat treated samples showed large Hollow CO peaks due to Pd agglomeration. However, in the hydrothermally treated sample, the bridge or the hollow CO peak almost disappeared, and the linear CO peak remarkably increased to support the Pd redispersion phenomenon. XANES data, EXAFS data, and in-situ IR data all indicate that the Pd domains on the Pd / CeO 2 catalyst were redispersed during hydrothermal treatment because oxidized Pd 2 + -OH was formed and the metal-support interaction was enhanced.

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 investigate the phenomenon of Pd redispersion, prepared Pd / CeO 2 was heat-treated under He flow to control the initial Pd diameter to 1.5 to 17.8 nm, and Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst of various diameters As shown in Fig. 5, the redispersion of the initial Pd domain size was observed by hydrothermal treatment. Pd nanoparticles with diameters of 1.5, 1.6, and 2.3 nm exhibited almost 100% dispersion and were fully redispersed. However, Pd nanoparticles of larger diameter were significantly reduced in Pd domain size, but not completely redispersed. Redispersion can occur repeatedly, as shown in Table 6. The redispersed Pd samples were sintered through heat treatment and re-dispersed by hydrothermal treatment. The redispersion was reversible up to 13 times, and it was confirmed that all the Pd was completely redispersed after hydrothermal treatment. Thus, the hydrothermal treatment process can be repeatedly applied to the regeneration process through redispersion of the sintered Pd metal catalyst in practical industrial applications.

열처리 온도 (℃)Heat treatment temperature (캜) 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 at 100 sccm of He for 2 hours at various temperatures before hydrothermal treatment.

사이클cycle 열처리전Before heat treatment 1회차 R1st round R 1회차 S1st round S 2회차 RSecond round R 2회차 SSecond round S 3회차 R3 times R 3회차 S3rd turn S 4회차 R4th order R 4회차 SFourth turn 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 order R 5회차 S5th turn S 6회차 R6th R 6회차 S6 times S 7회차 R7th order R 7회차 SSeventh round S 8회차 R8th order R 8회차 S8 times S 9회차 R9 times 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 S9 times S 10회차 R10 times R 10회차 S10 times S 11회차 R11 times R 11회차 S11 times S 12회차 R12 times R 12회차 S12 times S 13회차 R13 times 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 redispersing by hydrothermal treatment at 750 ° C for 25 hours using a 10% H 2 O flow, 'S' means sintering by thermal annealing at 500 ° C for 2 hours using He flow it means.

촉매 지지체 종류에 따른 금속 재분산 현상 확인Confirmation of metal dispersion phenomenon by 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 on cerium oxide by hydrothermal treatment was confirmed by various experiments and it was confirmed whether or not Pd redispersion also occurs in other metal oxide supports as shown in Table 7. [ As a result, Pd was re-dispersed in the TiO 2 support after hydrothermal treatment. On the other hand, Pd nanoparticles were remarkably 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-support interaction is essential to induce Pd redispersion through hydrothermal treatment.

촉매
(Pd 2 중량%)
catalyst
(Pd 2% by weight)
열처리되지 않은 촉매의 분산 (%)Dispersion of untreated catalyst (%) 열처리되지 않은 촉매의 Pd 직경(nm)Pd diameter (nm) of the untreated catalyst 수열 처리된 촉매의 분산 (%)Dispersion (%) of hydrothermally treated catalyst 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 catalysts of Example 1 and Comparative Example 9 were used to confirm CO oxidation activity. A catalyst containing 2% by weight of Pd was used. In Fig. 14, " Ref lean " means that the catalyst of Comparative Example 9 was flowed with 0.1% O 2 and 10% H 2 O at 700 ° C under N 2 condition. The reaction conditions were that 50 mg of each catalyst was contacted 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 an exhaust purification catalyst for an automobile, it is very important to remove all of CO at 150 ° C or less. However, in the case of using the catalyst of Comparative Example 9, it can be seen that all the CO is removed only when it exceeds 150 ° C. Jason. Take it. al., it was confirmed that Pd was redispersed even when dry lean treatment was carried out after the rich treatment using the catalyst of Comparative Example 9. In the case of using the catalyst of Comparative Example 9, PdO was important for redispersion of Pd. On the other hand, in the case of the catalyst of Example 1, Pd redispersion occurred only when hydrothermally treated. This means that Pd 2+ -OH plays an important role in redispersion. In the case of the present invention, the catalytic activity effect of hydrothermal treatment contributes not only to redispersion of Pd but also to formation of surface hydroxyl groups.

금속 종류에 따른 재분산 현상 확인Confirm redispersion phenomenon according to 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 a 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 and Ni metals were sintered considerably after hydrothermal treatment. During hydrothermal processing, the metal species is converted to the M 2+ -OH form. In addition, many OH groups are formed on the surface of the cerium oxide. For metal redispersion, the mobility of the M 2+ -OH species should be better than the metal or metal oxide, and the interactions of the metal and the support should be stronger than the cerium oxide on the clean surface with OH on the surface. That is, Pd, Rh, Pt, and Ru correspond to this theory and cause metal redispersion after hydrothermal treatment.

촉매
(금속 2 중량%)
catalyst
(Metal 2% by weight)
열처리되지 않은 촉매의 분산 (%)Dispersion of untreated catalyst (%) 열처리되지 않은 촉매의 금속 직경(nm)Metal diameter (nm) of the untreated catalyst 수열 처리된 촉매의 분산 (%)Dispersion (%) of hydrothermally treated catalyst 수열 처리된 촉매의 금속 직경(nm)The metal diameter (nm) of the hydrothermally treated catalyst
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 the metals (Pd, Pt, Rh, Ru) showed higher CO oxidation activity after hydrothermal treatment due to metal redispersions. The metal redispersions provide more catalytic reaction sites than the initial sample, further enhancing the CO oxidation activity. The catalytic activities for CO oxidation were in the order of Pd> Pt> Rh> Ru (Fig. 15).

CO 산화에 대한 촉매 활성 및 내구성Catalytic activity and durability for 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 of the Pd / CeO 2 catalyst having various Pd contents for CO oxidation was as shown in FIG. The cerium oxide showed almost no activity up to 200 DEG C, but the activity was improved by adding 0.1 wt% of Pd alone. The catalyst activity increased as the Pd content of the catalyst sample increased to 5 wt%. In the case of hydrothermally treated catalyst samples, the activity was increased up to 2% by weight and no further increase in Pd content showed a significant difference in activity. Pd nanoparticles of larger diameter (4.0 wt% to 5.0 wt%) hardly redispersed. The total redispersion was observed only up to 2 wt%. The catalytic activity for CO oxidation increased to 2 wt% Pd content. The activity and durability were further investigated using a catalyst having a Pd content of 2 wt%.

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 rate reached 100% (hereinafter referred to as T 100 ) was determined by comparing the Pd / CeO 2 catalyst prepared in Example 1 with Pd / CeO 2 The catalyst had a temperature of 145 캜, and the Pd / CeO 2 catalyst having a hydrothermally treated Pd 2% by weight was 75 캜 (Fig. 17). The hydrothermally treated samples exhibited improved catalytic activity despite reduced surface area due to Pd redispersion. The catalytic activity of the heat treated samples was lower due to the Pd sintering, and the reactivity was improved as the Pd nanoparticles were redispersed after hydrothermal treatment. As shown in Fig. 18, when the space velocity was slow or the composition of oxygen was increased, CO conversion reached 100% even at 40 占 폚, which corresponds to a very low temperature in the case of the hydrothermally treated sample.

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 identify the actual active sites for CO oxidation at low temperatures. Figure 19 shows that Pd 2 + site is causing the CO oxidation at low temperature. Peaks at 2074 and 2106 cm -1 indicate linearly adsorbed CO at the Pd 0 site and peaks at 2152 cm -1 indicate linearly adsorbed CO at the Pd 2 + position. The CO-Pd 2 + peak disappeared between 25 ° C and 75 ° C, and the CO-Pd 0 peak disappeared between 65 ° C and 125 ° C. This means that CO oxidation activity at low temperatures occurs mainly in redispersed Pd 2+ sites.

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 with CO and O 2 , the activity of the Pd / CeO 2 catalyst of 2 wt% Pd produced was improved, not as much as the hydrothermally treated catalyst sample. It has been reported that the addition of moisture to the conventional feed gas stream can significantly improve the activity of the metal catalyst. The water content in the feed stream was verified by various adjustments up to 10% as shown in Fig. When the moisture content was 3.2%, the catalytic activity was the highest and the activity decreased as the water content increased. Addition of water has an effect of promoting CO oxidation by increasing the amount of hydroxyl groups on the catalyst surface. The hydrothermally treated catalyst exhibits the best activity due to the effect of redispersion of Pd and the CO oxidation effect due to hydroxyl group 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.The hydrothermal treatment time was checked by variously adjusting as shown in FIG. 21 (a). The catalyst samples according to Example 1 were hydrothermally treated for 12 to 50 hours each. It showed the best activity when hydrolyzed for 25 hours. The BET surface area after hydrothermal treatment was 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 redispersion of Pd and after 50 hours treatment the surface area has decreased too much. The CO oxidation was repeated 5 times for the catalyst subjected to heat treatment for 25 hours 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.Pd domain size is the same as the non-heat-treated Pd / CeO 2, to prepare a Pd / CeO 2 catalyst having a hydroxyl group of more surface hydroxyl groups of the redistribution and the surface of Pd was observed independently of the effect on CO oxidation. The catalyst sample prepared according to Example 1 was heat treated at 570 ° C for 2 hours at 570 ° C and hydrothermally treated (expressed as 570-HT) at 750 ° C for 25 hours, resulting in a Pd domain size of 1.5 nm, . 22 shows the results of CO oxidation for this catalyst. The activity of this catalyst was higher than that of the untreated sample but lower than that of the hydrothermally treated sample. This means that both the Pd redispersion and the surface hydroxyl group play a role in improving the CO oxidation activity. The activation energies of the untreated catalyst, 570-HT and hydrothermally treated samples were 57.0, 53.8 and 53.5 kJ / mol, respectively. As such, surface hydroxyl groups play an important role in reducing activation energy. FIG. 23 shows whether or not the surface hydroxyl groups directly participate in carbon monoxide oxidation by isotope experiment. The hydrothermal treatment was carried out 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 the oxygen contained in the surface hydroxyl group 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.To evaluate the potential of the hydrothermally treated sample as a diesel oxidation catalyst, CO and C 3 H 6 were simultaneously charged into the reactor and the reaction results are shown in FIG. 24 (a). When C 3 H 6 was present, T 100 increased from 75 ° C to 145 ° C. Nonetheless, it was found that CO and C 3 H 6 were fully oxidized at 145 and 155 ° C, respectively, and almost met the DOE target for LEV III, a low-emission automotive program.

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.Resistance to sulfur pollution is a very important problem in diesel oxidation catalysts because sulfur contained in automobile exhaust can pollute catalyst surfaces and degrade catalyst activity. In particular, cerium oxide is known to be well contaminated with sulfur. By weight of Pd 2% Pd / CeO 2 catalyst prior to performing the CO oxidation reaction, was previously deliberately flowing into the SO 2 100 ppm of a source of contamination for 2 hours. The CO conversion at this time is shown in Fig. 24 (b). T 100 increased from 125 ° C to 235 ° C in the untreated sample, 145 ° C to 285 ° C for the heat treated sample, and 145 ° C for the hydrothermally treated sample. For the hydrothermally treated samples, the increase in T 100 was the smallest, and even in the presence of sulfur, all CO was completely oxidized below 150 ° C. Thus, it was confirmed that the 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.With CO at 150 ℃ using a Pd / CeO 2 catalyst of Pd 2% by weight it was tested for long-term stability of the catalyst by oxidation for a long period of time. The results are shown in Fig. 25 (a). The catalytic activity of the untreated catalyst sample began to decrease for 27 hours and that of the heat treated catalyst sample after 8 hours, while the hydrotreated catalyst sample maintained the 100% CO conversion for 34 hours. The activity of the heat-treated samples was significantly reduced, and the hydrothermally treated samples showed a similar tendency until 60 hours, but the activity decreased. In the case of long-term oxidation of CO, the hydroxyl groups on the surface of the catalyst are largely eliminated. Nevertheless, the durability of hydrothermally treated samples was improved in the presence of 3.2% water. As shown in FIG. 25 (b), when 100 ppm of SO 2 is simultaneously flowed together with CO and O 2 , the 100% CO conversion of the hydrothermally treated sample is maintained until 14 hours, It was confirmed that the high CO conversion rate was maintained for 60 hours. When the untreated catalyst sample was subjected to CO oxidation in the presence of SO 2 , the catalytic activity dropped significantly from the initial stage, and the conversion was 0% after 35 hours. It was confirmed that hydrothermal treatment helps to 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 of the hydrothermally treated Pd 2 wt% Pd / CeO 2 catalyst was tested according to the temperature change. As shown in Fig. 26, CO oxidation was repeatedly carried out at various temperatures ranging from 75 to 850 占 폚. Performing CO oxidation to one target temperature, cooling the reactor to room temperature and then performing again at the next target temperature. The hydrothermally treated samples exhibited high durability despite rapid temperature changes and showed almost no change in CO oxidation activity.

표면 카보네이트와 격자 산소Surface carbonates 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.Carbonates are formed on the surface of the catalyst during CO oxidation, which is well known as a source of catalyst degradation. The degree of carbonate formation was confirmed using in-situ DRIFT (Fig. 27 (a) and (b)). It was confirmed that the carbonate was formed in the form of bidentate carbonate (1585 and 1299 cm -1 ) or monodentate carbonate (1482 and 1416 cm -1 ). The infrared peak intensity of the carbonate was found to decrease dramatically after hydrothermal treatment. Figures 27 (c) and (d) show that the hydrothermally treated sample contained much more hydroxyl groups than the non-heat treated sample. The hydroxyl group on the surface of the catalyst may interfere with carbonate formation on the surface. This, tendency such as Pd / CeO 2 catalyst, even if the analysis in-situ DRIFT for ceria as illustrated in Figure 28 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.The carbon dioxide formed on the catalyst surface during the CO oxidation was analyzed using CO 2 temperature elevation desorption (TPD) (FIG. 29). CO and O 2 were introduced together under the same conditions as the CO oxidation in Experimental Example 1 and purged with He to remove the physically adsorbed gas from the catalyst and then the CO 2 desorbed by mass spectrometry was detected, Respectively. The untreated catalyst showed a large amount of carbonate on the surface, and a CO 2 desorption peak was observed at 250, 410, and 550 ° C. However, the hydrothermally treated catalyst inhibited the carbonate formation and the CO 2 peak was hardly detected. Thus, it was confirmed that the 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 a sulfate on the catalyst surface to deactivate the supported metal catalyst on the support. Untreated or hydrothermally treated Pd / CeO 2 catalyst was intentionally contaminated with 100 ppm SO 2, and then the surface sulfate formed was observed using DRIFT (FIG. 30). The intensity of the sulfate IR peak was found to decrease after hydrothermal treatment. The cerium oxide not supported with metal or the cerium oxide treated with hydrothermal treatment was also contaminated with 100 ppm SO 2 , and the IR peak was confirmed. As a result, it was confirmed that the strength of the sulfate peak was considerably reduced after 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 the sulfate is mainly formed on the surface of cerium oxide, and the formation of sulfate on the surface of cerium oxide is considerably inhibited 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. 31 shows O 2 -TPD results in the presence or absence of carbonate on the surface in a Pd / CeO 2 catalyst with cerium oxide and Pd 2 wt% Pd. All samples were pretreated at 300 ° C for 1 hour under an O 2 flow. 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 and a bulk lattice oxygen desorption peak were observed at 260 ° C. and 530 ° C., respectively, at a relatively low temperature according to hydrothermal treatment to produce hydroxyl groups on the catalyst surface. On the other hand, the untreated catalyst sample showed a desorption peak of surface lattice oxygen at 300 ° C and a bulk lattice oxygen at 550 ° C. The surface carbonates were formed by flowing CO and O 2 at room temperature and O 2 -TPD was performed. The untreated catalyst samples showed no O 2 desorption peaks, but hydrothermally treated catalyst samples still showed large O 2 peaks for surface lattice oxygen at 270 ° C and bulk lattice oxygen at 520 ° C. Thus, the transfer of oxygen was interrupted by the carbonate on the surface in the untreated catalyst sample, but hydrothermally treated catalyst samples were substantially unaffected by 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.The TPD analysis was performed on the CO / He flow and is shown in FIG. The hydrothermally treated Pd / CeO 2 showed a large peak at 83 ° C regardless of carbonate formation. However, untreated catalyst samples showed CO 2 peaks at 129 ˚ C only in the uncontaminated state, and CO 2 peaks were almost absent in the carbonate-formed samples. The amount of desorbed CO 2 was estimated as shown in Table 9. The hydrothermally treated catalyst produced a large amount of carbon dioxide, but the amount of carbon dioxide after the carbonate formation in the untreated catalyst sample was remarkably decreased. Thus, hydrothermal treatment promotes lattice oxygen migration and interferes with carbonate formation, thus confirming high activity and durability against CO oxidation.

촉매 (Pd 2 중량%)b Catalyst (Pd 2% by weight) b 메인 CO2 피크 온도 (℃)Main CO 2 peak temperature (캜) 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 Confirm conditions: catalyst: 50 mg, pretreatment: 100 sccm He at 100 ° C for 1 hour, TPD analysis: balance with 10% CO and He at 50 sccm, elevated 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 carbonate 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 the CO 2 correction data and the TCD signal area.

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.The present invention has been described by way of examples. It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.

Claims (12)

금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체; 및
상기 지지체에 고정된 귀금속 나노입자;를 포함하고,
상기 귀금속 나노입자는 직경이 0.3 내지 1.6 nm인, 일산화탄소 산화용 촉매.
A support comprising metal oxide nanoparticles; And
And noble metal nanoparticles fixed to the support,
Wherein the noble metal nanoparticles have a diameter of 0.3 to 1.6 nm.
제 1항에 있어서,
금속 산화물은 산화세륨 또는 산화티타늄인 일산화탄소 산화용 촉매.
The method according to claim 1,
And the metal oxide is cerium oxide or titanium oxide.
제 1항에 있어서,
귀금속은 팔라듐, 로듐, 백금 및 루테늄으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the noble metal is at least one selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum and ruthenium.
제 1항에 있어서,
귀금속을 0.1 내지 5.0 중량%로 포함하는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매.
The method according to claim 1,
And 0.1 to 5.0% by weight of a noble metal.
제 1항에 있어서,
촉매의 비표면적은 30 내지 60 m2/g인, 일산화탄소 산화용 촉매.
The method according to claim 1,
Wherein the specific surface area of the catalyst is 30 to 60 m 2 / g.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 일산화탄소 산화용 촉매를 포함하는 자동차 배기가스 정화 장치.An automobile exhaust gas purifying apparatus comprising the catalyst for oxidizing carbon monoxide according to any one of claims 1 to 5. 금속 산화물 나노입자를 포함하는 지지체를 형성하는 단계;
상기 지지체 상에 귀금속 나노입자를 고정하여 일산화탄소 산화용 촉매를 형성하는 단계; 및
상기 일산화탄소 산화용 촉매를 수열 처리하는 단계를 포함하는,
일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
Forming a support comprising metal oxide nanoparticles;
Fixing noble metal nanoparticles on the support to form a catalyst for oxidizing carbon monoxide; And
And hydrothermally treating the carbon monoxide oxidation catalyst.
A method for producing a catalyst for oxidizing carbon monoxide.
제 7항에 있어서,
금속 산화물은 산화세륨 또는 산화티타늄인, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the metal oxide is cerium oxide or titanium oxide.
제 7항에 있어서,
귀금속은 팔라듐, 로듐, 백금 및 루테늄으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the noble metal is at least one selected from the group consisting of palladium, rhodium, platinum and ruthenium.
제 7항에 있어서,
상기 수열 처리는 600 내지 750℃의 온도에서 수행되는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the hydrothermal treatment is carried out at a temperature of 600 to 750 占 폚.
제 7항에 있어서,
상기 수열 처리는 5 내지 10%의 H2O를 함유하는 공기 중에서 수행되는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the hydrothermal treatment is carried out in air containing 5 to 10% H 2 O.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,
상기 수열 처리는 19 내지 30시간 수행되는 것인, 일산화탄소 산화용 촉매의 제조 방법.
The method according to claim 10 or 11,
Wherein the hydrothermal treatment is carried out for 19 to 30 hours.
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