실온에서 일산화탄소 산화에 사용되는 고활성 망간 산화물 촉매의 성능

일산화탄소(CO)는 탄소 함유 화합물의 부분 산화로 생성되는 매우 독성이 강한 가스로, 대기 중으로 배출됩니다. 일산화탄소(CO)는 혈액 세포의 헤모글로빈과 결합하여 일산화탄소헤모글로빈으로 전환되어 인체의 산소 운반 능력을 감소시킵니다. 촉매 변환기는 자동차에서 내연 기관의 유독 가스 배출을 줄이기 위해 사용됩니다. 촉매 변환기의 촉매에는 환원 촉매와 산화 촉매가 있습니다. 배기가스에서 HC와 NOx의 기본 반응은 산화이며, 최종 생성물은 CO₂(H₂O)입니다. 반면 NOx의 반응은 환원이며, 최종 생성물은 N₂입니다.

모든 조건에서 촉매는 세라믹 모노리스에 존재하며 금속 지지체로 덮여 있습니다. 촉매 반응은 촉매 표면과 자동차 배기가스에 남아 있는 가스 사이의 반응입니다. 촉매 변환기의 성능은 사용되는 촉매의 종류에 따라 크게 달라집니다. 촉매의 작용으로 화학 반응 속도가 가속화되고, 촉매는 반응의 활성화 에너지를 감소시키는 물질처럼 작용합니다. 일산화탄소의 저온 촉매 산화는 잠수함이나 우주선과 같은 밀폐된 환경에서 모든 생명 유지 장치에 필수적입니다.

백금족 금속(PGM)은 자동차 촉매 변환기의 원소로 가장 많이 고려되지만, 귀금속 가격 상승으로 인해 일산화탄소 촉매 전환을 위한 전이 금속 산화물 촉매(TMO)의 사용이 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 촉매 중 산화망간(MnOx)은 표면 화학이 효과적인 산화물 촉매와 유사한 새로운 유형의 혼합 산화물 촉매입니다.

장기간 기계적 및 화학적 안정성을 갖춘 저비용, 친환경적, 효율적인 일산화탄소 산화 촉매 개발이 많은 주목을 받고 있습니다. 산화망간은 친환경적이고 저렴한 일산화탄소 산화 촉매입니다.

산화망간에서 다양한 표면 구조는 화합물의 표면 에너지와 관련이 있으며 화학적 특성에 영향을 미칩니다. 표면 MnOx는 금속 양이온과 산소 음이온의 배위에 크게 영향을 받으며, 이는 이러한 화합물의 촉매 활성을 변화시킵니다. MnOx 촉매의 구조적 결함은 촉매 성능과 밀접한 관련이 있습니다. 표면 이온의 위치는 구조에 따라 달라집니다. Mn2O3를 담체로 사용하면 산화 상태에 큰 영향을 받습니다. 이는 환원제 또는 산화제로서의 역할을 나타냅니다. 격자 내 산소 함유 용량과 망간의 다양한 산화 상태의 산화물 생성 능력이 촉매 성능을 결정합니다. MnOx는 더 높은 산소 저장 용량과 빠른 산소 흡착 및 산화환원 속도를 가지고 있으며, 배기가스 내 총 일산화탄소(CO) 양을 줄이는 데 사용될 수 있습니다. Mn2O3는 O2와 반응하여 MnO2를 생성하며, 이 반응은 산소 농도와 온도의 영향을 받습니다. 높은 산소 농도와 낮은 온도는 MnO2 생성에 유리합니다. 반대로, 낮은 산소 농도와 높은 온도는 MnO2 생성 속도를 감소시키고, 반응이 진행됨에 따라 Mn2O3가 점진적으로 생성됩니다. 망간 산화물 촉매의 성공은 각 원소의 역할과 활성 부위의 특성을 활용하기 위한 많은 기초 연구로 이어졌습니다.

또한, 다양한 촉매가 다양한 결정 형태로 존재할 수 있으며, 비화학양론적 혼합 원자가 화합물의 수가 알려져 있어 특성 분석이 더욱 복잡해집니다. 입자 크기가 촉매 활성에 미치는 영향은 기초 연구와 실제 응용 모두에서 중요하기 때문에 큰 관심을 받아 왔습니다. 향후 연구는 촉매 선택성을 향상시키기 위한 산화망간 촉매의 개발 및 활용에 집중될 것입니다.

저자: 헤이즐

날짜: 2025-06-11