그린에너지 나노촉매 연구실

We synthesized zeolite beta nanosponge using a zeolite-structure-directing surfactant, resulting in an ultrathin framework with uniform-sized (~4 nm) mesopores. Notably, the mesopore size was systematically increased to 12 nm by adjusting the amount of trimethylbenzene additive in the synthetic gel. Such a zeolite beta nanosponge with tailoring mesopore diameter was investigated as a support for Co catalyst in Fischer–Tropsch synthesis. Owing to the confinement effect of the mesopores, the size of the Co nanoparticles was precisely controlled to match the mesopore dimensions. Despite the same Co content, CO conversion gradually increased with larger Co particle sizes, reaching an optimal performance at a particle size of 10 nm. A similar trend was observed in the selectivity for gasoline-range hydrocarbons, attributed to the higher chain growth probability associated with larger Co particles. Meanwhile, Co supported on the zeolite beta nanosponge exhibited significantly higher selectivity for iso-paraffins compared to its bulk zeolite and MFI nanosponge counterparts. This enhancement was attributed to the shorter diffusion path, which allowed branched hydrocarbon intermediates to avoid excessive cracking, and the weaker acidity, which reduced the tendency for secondary cracking. Consequently, the Co- supported zeolite beta nanosponge with a 10 nm mesopore size achieved a high yield of branched hydrocar bons in gasoline range.

The particle size of SSZ-13 zeolites, while maintaining a consistent cubic shape and uniform Si/Al2 ratios, was successfully controlled from 100 nm to 900 nm via seed-assisted interzeolite conversion of Y zeolites in the presence of TMAdaOH and NaOH. Despite the consistent Si/Al2 ratio, variations in particle size induced significant changes in acidic properties, attributed to alterations in the coordination of aluminum species on the zeolite surface. Specifically, smaller particle sizes and spherical morphology resulted in reduced acidity, particularly at the strong acid sites. Propane equilibrium isotherms also revealed that the modifications of particle size and the associated acidity substantially influence the diffusion and residence time of reactants and products. In ethylene-to-propylene (ETP) reactions, smaller particle sizes in cubic SSZ-13 enhanced diffusion and reduced acidity, minimizing undesirable successive reactions and increasing propylene selectivity. However, excessive diffusion and weaker acidity caused the premature escape of intermediates, demonstrating a volcano-type relationship between particle size and catalytic efficiency. Notably, 250 nm-cubic SSZ-13 achieved an optimal balance of diffusion and acidity via size and shape control, leading to slower deactivation, higher propylene selectivity, and greater propylene yield. These findings provide valuable insights into the interplay between morphological modifications, physicochemical properties, and catalytic performance, offering a foundation for advancing the design of catalytic materials.

Widespread reliance on fossil fuels and their increasing costs have necessitated the search for 30 viable alternatives. This study details a reliable method for generating jet fuel-range aromatic 31 hydrocarbons (C8-C16) via catalytic pyrolysis of woody biomass. To do this, HZSM-5 was 32 modified using NaOH (N-HZSM-5) and HCl (H-HZSM-5) and utilized in the pyrolysis of three 33 types of sawdust (S1, S2, and S3). In S1 pyrolysis, HZSM-5 increased C8-C16 aromatic 34 selectivity despite a lower bio-oil yield compared to the Non-C test. Among sawdust samples, 35 S2 pyrolysis produced the highest C8-C16 aromatics (44.2%) due to its compositional and 36 thermal characteristics. The use of N-HZSM-5 in S2 pyrolysis maximized the yield of bio-oil 37 (46.9 wt%) and the selectivity for C8-C16 aromatics (49.3 %). N-HZSM-5 exhibited stable 38 performance over three cycles, with minimal decline in C8-C16 aromatics. This study proposes 39 a sustainable and feasible method for the generation of biojet fuel from lignocellulosic biomass.

제올라이트는 산소 알루미늄과 규소가 산소 가교로 연결되어 결정을 형성하며 결정 내에 규칙성이 매우 높은 기공 구조를 포함한 물질로 다양한 산업 분야에서 산/염기 촉매(중질유 유동층 접촉분해에서 강산 촉매), 흡착제(탈수 공정에서 고 성능 수분 흡착제), 양이온 교환 수지(경수연화제)로 활용되고 있다 각 분야에서 우수한 성능을 보이는 새로운 구조 또는 다양한 성분의 제올라이트를 개발하기 위해 오랫동안 많은 연구가 진행되었으며 새로운 제올라이트의 특성을 분석하는데 질소흡착측정법, X-선 회절법 전자현미경 기법들이 적극 활용되었다. 과거의 소재 개발에서는 특히 거시적인 분석, 법이 주로 사용되었다. 하지만 최근 탄소중립 이슈가 부각되면서 다양한 분야에서 높은 에너지 효율을 보이며 적용할 수 있는 신규 제올라이트 소재 개발이 강구되면서 제올라이트 표면 특성을 미시적으로 정교하게 조절할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 이에 제올라이트 골격 내의 구조나 물리화학적 특성을 분자 또는 원자 수준에서 정확하게 분석할 수 있는 고도화된 분석 방법이 요구되고 있다. 고체 핵자기 공명(Solid-State Nuclear Magnetic Resonance, 이하 고체 NMR) 분광법은 전자현미경처럼 직관적인 결과를 제공하진 않지만 가장 작은 수준인 원자 수준에서도 해상도가 매우 높은 정보를 제공해줄 수 있는 고급 분석법이다. 청정기술 연구자들도 이미 다방면에서 고체 NMR 분광법을 활용하고 있을 것이다. 이번 총설에서는 여러 청정기술에서 활용되고 있는 소재들 중 일례로 제올라이트 소재에 대해 고체 NMR 분광법을 어떻게 활용하는지, 기본 원리가 어떻게 되는지 심도 있게 다뤄보도록 한다. 특히 제올라이트의 구조와 산점을 고해상도로 분석하는 방법을 여러 사례를 통해 자세히 알아보고, 메탄올 올레핀 및 에틸렌 프로필렌 전환 반응 메커니즘을 규명한 연구들도 함께 살펴보고자 한다.

본 연구에서는, 계면활성제 구조유도체를 이용해 합성된 제올라이트에 존재하는 산점의 세기 특성을 분석하였다. 이를 위해, 4급 암모늄 분자가 존재하는 계면활성제를 기공 구조 유도체로 이용하여 미세기공과 메조기공이 동시에 존재하는 제올라이트를 합성하였다. 이 때, 계면활성제의 암모늄 부분은 MFI 제올라이트 미세기공 골격을 유도하고, 동시에 거대 마이셀을 생성하여, 추후 소성과정을 통해 메조기공 구조체를 형성한다. 이 제올라이트에 크기가 다른 탐침분자인 피리딘과 2,6-다이터트뷰틸피리딘을 각각 흡착시키고 승온 탈착법을 거치며 푸리에 변환 적외선 분광기를 이용하여 분석하였다. 그 결과, 제올라이트의 미세기공 내부뿐 아니라 메조기공 외부 표면에 강한 산점이 형성되어 있음을 확인하였다. 제올라이트 외부 표면에 강한 산세기의 활성점이 형성된 것은 계면활성제 구조유도체에 의해 형성된 위계다공성 구조적 특성에 기인한다. 본 연구 결과를 통해, 제올라이트의 표면 산 특성을 다양한 촉매화학 반응에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.