| 학회 | 한국화학공학회 |
| 학술대회 | 1998년 봄 (04/24 ~ 04/25, KOEX) |
| 권호 | 4권 1호, p.141 |
| 발표분야 | 촉매/반응공학 |
| 제목 | 초음파 조사에 의하여 생성된 Ni 촉매를 사용한 alkene의 수소화 반응 |
| 초록 | 액체에 초음파를 조사시키면 미세한 기포가 초음파에 진동되고 내파되어서 빛을 방출 하게 되는 현상을 소노루미네센스라 하는데, 기포가 하나일 때 나타나는 단기포성(single-bubble) 소노루미네센스(SBSL)와 기포가 여러 개일 때 생성되는 다기포성(multi-bubble) 소노루미네센스(MBSL)로 나뉘어 진다. SBSL은 물리학 그룹에서 SL 현상을 흑체 복사로 설명하고 있으며, MBSL은 기체 내의 용매 분자들이 여기된 후 에너지 천이로 빛이 나온다고 화학 그룹에서 화학 반응에 응용하기 위해 설명하고 있다. Cavitation의수축이 일어나는 동안 기포들이 강한 열을 발생하는데, 이러한 부분적으로 뜨거워진 지점(hot spots)은 온도가 약 5000℃, 압력은 약 500기압, 그리고 수 마이크로초의 유지 시간을나타낸다. 액체-고체 슬러리(slurries)에서 공동화로부터 나온 충격파(shock wave)는 속도가 빠른 입자 상호간의 충돌을 가져오는데, 이러한 충돌 현상은 대부분의 금속을 녹이기에 충분하다. 이것을 화학적 반응에 적용해 보면, 균일(homogeneous) 액체들과 액체-고체조직에서 존재하게 되는데, 초음파는 금속 상에 깨끗하고 매우 반응성이 좋은 표면을 만드는 능력이 있어 특별한 합성이 필요한 곳에 유용하다. 따라서, 본 연구는 이러한 초음파를철과 니켈 같은 금속 화합물에 MBSL기포내에서 반응시키면 기포 주변의 고온과 고압에 의하여 이들 화합물이 분해되어 철이나 니켈이 냉각되어 무정형이 되므로 촉매로 쓰기에 적합할 것으로 생각된다는 점을 응용하였다. 특히 니켈 분말을 이용한 수소화 반응에서 이 분말에 초음파를 조사시켰을 때, 촉매의 활성이 촉진됨을 통하여 기존의 값비싼 촉매(예를 들면,Pt, Pd 등)를 대체할 수 있으리라 전망된다. 본 실험에서는 sonication의 intensity를 달리하면서 1-decene이 decane으로 전환될 때의 반응성 여부와 수율을 산출하려고 노력하였다. 최적의 활성을 나타낸다고 보고된 문헌에 따라 50W를 기준으로 하였고, 그 이하와 그 이상의강도를 조사해 본 결과 더 이상의 수율은 산출되지 않았다. 그 결과를 정리하면, 초음파로처리되지 않은 순수한 니켈 분말은 1시간이 지나도 상온, 상압 하에서는 전혀 decane의peak가 발견되지 않으므로 반응이 일어나지 않는 것으로 생각된다. 다른 alkene 계열의alkane 계열로의 전환도 같은 결과를 얻었다. 반면에, 약 50W 의 intensity로 1시간동안 초음파를 조사시킨 니켈 분말은 수소화 반응의 촉매로 사용했을 때, decane은 약 13%의 수율, nonane은 약 20%의 수율, cyclohexane은 약 39%의 보다 높은 수율이 얻어짐을 알 수있었다. 또한, Raney nickel (50% slurry)를 촉매로 사용하여 상온, 상압에서 1-decene의수소화 반응을 진행시켰을 경우, 수소 가스를 1시간 주입하면 decane의 수율이 매우 향상된다. 이 실험은 촉매의 양을 약 0.5g과 2g으로 달리했을 경우에 그 수율이 각각 91%와92.5%로 약간의 차이가 나지만, 촉매의 양이 수소화 반응에 있어서 수율을 결정하는데 있어서 하나의 인자가 되지 않는다. 반응에 쓰이고 남은 촉매들은 잘 수거한 후에 ScanningElectron Microscopy (SEM) 사진을 촬영해 본 결과 활성이 증가됨을 알 수 있다. 다시 말하면, 초음파가 조사되지 않은 니켈 분말은 결정성이 아주 좋지만, 우리가 사용하는 가연성의 입자에 초음파가 조사될수록 그 니켈 분말의 표면이 재빨리 부드러워지고, 무정형이 되어 응집도도 매우 증가하게 된다. 본 연구 결과에서 알 수 있듯이 alkene을 alkane으로 수소화 반응시키는데 있어 촉매로 사용되는 니켈 분말은 초음파를 적당한 강도로 조사시킴으로서 그 분말의 구조(morphology)와 활성에 있어서 새로운 환경을 만들어 낸다. 초음파가전혀 조사되지 않은 니켈 분말은 전혀 반응성이 없는 촉매인데 비해, 초음파가 조사된 Ni분말은 촉매 활성이 뚜렷이 향상되어 나타남으로 수소화 반응에 쓰이는 기존의Pt, Pd와 같은 비싼 촉매를 대체할 수 있을 것으로 전망된다. |
| 저자 | 김홍운, 임경희 |
| 소속 | 중앙대 |
| 키워드 | ultrasound irradiation; Ni catalyst |
| 원문파일 | 초록 보기 |
