비표면적 및 다공성 분석
비표면적과 다공성은 촉매 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 비표면적이 클수록 더 많은 활성 부위가 노출되어 반응물이 촉매와 더 완전히 접촉할 수 있어 반응 속도가 증가한다는 의미입니다. 적절한 기공 구조는 반응물과 생성물의 확산을 촉진하여 반응의 선택성에 영향을 미칩니다.
1.BET 비표면적 시험방법
BET 분석은 촉매의 비표면적과 다공성을 측정하는 데 일반적으로 사용되는 방법입니다. 이는 촉매 표면에 질소 등의 불활성 가스가 물리적으로 흡착되는 특성을 바탕으로 합니다. 다양한 압력에서 흡착량을 측정함으로써 특정 이론 모델을 사용하여 촉매의 비표면적, 기공 부피, 기공 크기 분포 및 기타 정보를 계산합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 질소 환경에서 촉매의 흡착탈착 실험을 통해 비표면적 크기와 기공 구조를 확인할 수 있으며 입자 크기 분포를 명확하게 할 수 있습니다. 풍부한 기공 구조와 높은 비표면적 덕분에 흡착 및 촉매 반응이 잘 수행됩니다. BET 분석은 이러한 특성을 정확하게 밝혀 촉매의 준비 및 적용을 최적화하기 위한 기반을 제공합니다.
그림 1:질소 흡착 탈착 곡선 및 기공 크기 분포
구조 분석
1.X선 회절(XRD)
XRD 기술은 촉매의 '분자구조 사진'을 찍는 것과 같습니다. 촉매 시료에 X-선을 조사하면 회절 현상이 발생하며, 결정상이 다른 촉매는 특정한 회절 패턴을 생성합니다. 촉매의 결정 구조, 상 조성, 입자 크기는 분석을 통해 결정될 수 있습니다. 예를 들어, 그림 2에서는 세 가지 서로 다른 분말 촉매에 대해 XRD 테스트를 수행했으며, 그 결과 서로 다른 형태를 가진 세 가지 샘플 모두 Cu9S5(JCPDS 47-1748)의 표준 카드와 매우 일치하는 것으로 나타났습니다.
Cu9S5 SNW(001) 결정면의 절반 피크 폭은 다른 두 가지 형태의 샘플보다 훨씬 더 큽니다. Scherrer의 공식에 따르면 입자 크기가 작을수록 해당 회절 피크 반 피크 폭이 커집니다. 반대로, 입자 크기가 클수록 회절 피크 반치폭은 더 날카로워집니다. Cu9S5 SNW 샘플의 서브 나노미터 규모(0.95 nm) 크기와 샘플이 완전한 결정 평면 없이 단일 셀 구조를 나타낸다는 사실로 인해 절반 피크 폭은 상당히 더 큰 반면 Cu9S5 SNW의 (001) 절반 피크 폭은 더 높습니다.
그림 2: Cu9S5 SNW 촉매의 XRD 패턴
2.푸리에 변환 적외선(FT-IR)
FT-IR은 분자 진동 회전 에너지 준위 전환을 기반으로 하는 분광 분석 기술입니다. 간섭계에서 생성된 적외선을 샘플에 조사하면 다양한 파장의 적외선에 대한 샘플의 흡수, 투과 또는 반사 신호가 기록됩니다. 간섭무늬는 푸리에 변환을 통해 적외선 스펙트럼으로 변환되며, 이는 분자 내 작용기의 진동 특성을 반영합니다. 주요 기능은 분자 내 작용기(예: 하이드록실, 카르보닐, 메틸 등)를 식별하고 스펙트럼의 특징적인 피크의 위치(파수), 강도 및 모양을 통해 화합물의 화학 구조를 추론하는 것입니다. 유기화합물, 고분자재료, 기타 재료의 구조해석에 핵심적인 수단입니다.
그림 3에 표시된 Cu9S5 SNW의 FT-IR 스펙트럼에서 Cu9S5 NW와 비교하여 상당한 적색 편이 현상이 관찰되었으며 이는 Cu와 S 사이의 전자 상호 작용을 나타냅니다. 2916cm-1 및 2846cm-1에서 Cu9S5 NW 및 Cu9S5 SNW 샘플의 특성 피크는 도데칸티올에서 메틸렌(-CH2-)의 신축 진동 모드에 기인할 수 있지만 특성 피크는 1471cm-1의 값은 C-H 결합의 굽힘 진동 모드에 해당합니다.
그림 3. 적외선 스펙트럼
3. 라만 특성화
라만 분광법은 라만 산란 효과를 기반으로 합니다. 레이저와 분자의 비탄성 충돌에 의해 발생하는 산란광과 입사광 사이의 주파수 차이(라만 시프트)를 감지함으로써 분자의 진동 및 회전 에너지 준위 특성을 얻을 수 있습니다. 라만 이동은 분자 구조의 "지문"이며, 특히 적외선 분광법으로 측정하기 어려운 비극성 작용기(예: 탄소 탄소 이중 결합 및 대칭 작용기)에 적합하며 종종 적외선 분광법을 보완합니다.
그림 4에서 볼 수 있듯이 V-RuO2(V-doped RuO2)의 라만 스펙트럼은 RuO2의 것과 일치하며 V2O5의 생성을 제외하고는 다른 고유한 피크가 없습니다. V 도핑은 RuO2의 A1g 모드를 더 낮은 파수로 이동시키며, 이는 V의 도입이 격자 구조 및 화학 결합 환경(산소 결손 또는 국부적 결함을 초래할 수 있음)에 큰 영향을 미쳐 전자 구조를 변경함을 나타냅니다. A1g 피크의 왼쪽 이동은 V 원자와 RuO2 격자 사이의 상호 작용을 반영하며, 이는 V 도핑이 RuO2의 국부적 대칭 및 결합 길이 특성을 조절함을 나타냅니다.
그림 4: V-RuO2의 라만 스펙트럼.
화학 성분 분석
XPS 기술은 촉매 표면의 원소 조성, 화학적 상태, 전자 구조를 심층적으로 분석할 수 있습니다. 촉매 표면에 X-선을 조사하면 표면 원자의 전자가 여기됩니다. 이러한 광전자의 에너지와 양을 감지함으로써 우리는 원소의 종류와 함량뿐만 아니라 원소가 위치한 화학적 환경을 결정할 수 있습니다. 예를 들어, 지지된 금속 촉매를 연구할 때 XPS는 지지체 표면의 금속 형태, 그것이 금속 원소인지 금속 산화물인지, 그리고 산화 상태의 변화를 정확하게 결정할 수 있습니다. 이는 촉매의 활성 및 비활성화 메커니즘을 이해하는 데 매우 중요합니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 XPS는 Ru, Co 및 Ni 원소의 조성 및 원자가 상태를 입증하는 데 사용되었습니다. 샘플 내 특정 요소의 XPS 미세 스펙트럼을 사용하여 결합 에너지의 양/음 이동을 결정하여 전자 상호 작용의 존재를 나타냅니다.
그림 5: Ru 3p, Co 2p, Ni 2p의 XPS 미세 스펙트럼
미세한 기술
1.주사전자현미경(SEM)
SEM은 전자빔을 방출하고 이미징을 위해 2차 전자 또는 후방 산란 전자를 수집하여 샘플 표면을 스캔합니다. 이는 일반적으로 나노미터에서 마이크로미터 범위의 해상도로 촉매 표면의 미세한 형태 정보를 제공할 수 있습니다. SEM 이미지를 통해 촉매 입자의 크기, 형태, 응집 상태, 표면 질감, 거칠기 등을 육안으로 관찰할 수 있습니다. 다공성 촉매를 연구할 때 SEM은 촉매의 물질 전달 및 반응 성능과 밀접한 관련이 있는 기공 구조의 분포를 명확하게 표시할 수 있습니다.
2.투과전자현미경(TEM)
TEM을 사용하면 촉매의 미세 구조를 직접 관찰할 수 있습니다. 이는 샘플을 통해 전자빔을 방출하고 전자와 샘플 사이의 상호 작용 후 산란을 이미지화합니다. TEM을 이용하면 촉매 입자의 크기, 형태, 분포를 명확하게 볼 수 있을 뿐만 아니라 촉매 내부의 격자 구조와 결함도 관찰할 수 있습니다.
촉매의 기본 특성화 기술은 촉매의 물리적, 화학적, 구조적 특성을 더 깊이 이해하기 위한 강력한 도구입니다. 포괄적인 적용을 통해 촉매 반응 메커니즘을 밝힐 수 있으며, 고성능 촉매 설계 및 개발을 위한 이론적 기초를 제공합니다. 기술이 발전함에 따라 이 기술은 더 높은 해상도, 더 정확한 정량화 및 실제 반응 조건에 대한 더 나은 시뮬레이션을 향해 계속해서 혁신하고 발전하고 있습니다.
SAT NANO는 전문 공급업체입니다.나노분말중국의 미세분말 등을 제공할 수 있습니다.금속 분말, 합금 분말, 탄화물 분말,산화물 분말기타 문의사항이 있으시면 언제든지 sales03@satnano.com으로 연락주세요.
