중공 구체 형상을 갖는 MWW 계열 제올라이트 : 합성, 분석 및 아세틸렌의 방향족화 반응
MWW-type zeolite with a hollow sphere morphology: synthesis, analyses, and application for aromatization of acetylene
- 주제(키워드) 제올라이트 , MCM-22 , 중공 구체 제올라이트 , 아세틸렌 , 방향족화 , 불균일촉매 , 경질 주형 합성법 , zeolite , MCM-22 , hollow sphere zeolite , acetylene , aromatization , heterogeneous catalyst , hard-templating synthesis method
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 하경수
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- UCI I804:11029-000000065887
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
The representative MWW-type zeolite, MCM-22, having a hollow sphere morphology was prepared by a hard-templating method while keeping its distinctive microporosity. The materials having hollow sphere morphology possess larger external surface and less mass transfer resistance due to the empty space in the sphere than bulky particle. The hollow sphere MCM-22 (shortly HS-MCM-22) was analyzed and applied as a catalyst for the aromatization of acetylene. Firstly, a glucose-based hard-template was synthesized for inducing the morphology. Then, hydrothermal synthesis of MCM-22 was carried out using the synthesized hard-template. The resulting material was calcined for removing the template, and finally HS-MCM-22 was obtained. The crystal structure of HS-MCM-22 was identified by powder XRD analysis. The BET surface area, pore volume, and micropore size distribution of the HS-MCM-22 were obtained and analyzed by Ar physisorption method. In addition, the spherical diameter of HS-MCM-22 particles were found several micrometers and it was verified by SEM imaging analysis. Furthermore, by performing a high-resolution TEM analysis, the inner void of the spherical particles, characteristic lamellar structure of MWW-type zeolite, and pore structure were observed. NH3-TPD was conducted to characterize the acidic properties of the proton-exchanged HS-MCM-22. To verify the advantage of this material as a catalyst, the aromatization of acetylene over HS-MCM-22 was carried out in a micro fixed-bed reactor. For a comparison, a conventional MCM-22 and a commercial ZSM-5 zeolites were also prepared without using a hard-templating method, analyzed, and tested for the reaction. Considering the morphology and micropore distribution of HS-MCM-22, which could be expected to increase the accessibility to the active site for smaller than aromatic molecules, HS-MCM-22 was also applied as a catalyst for the methanol-to-olefin reaction.
more초록/요약
MWW 계열 제올라이트의 대표물질인 MCM-22를 미세 기공을 유지한 채, 중공 구체 형상을 갖도록 합성하였다. 중공 구체의 형상을 갖는 물질은, 빽빽하게 형성된 입자와 비교해서 상대적으로 외부로 드러나 있는 부분이 많고 빈 구체 내부에서는 물질전달 저항이 줄어드는 장점이 있다. 합성된 중공 구체 형태의 MCM-22(약칭 HS-MCM-22)를 분석하였으며 촉매로서 방향족화 반응에 적용하였다. 중공 구체 형상을 유도할 수 있는 경질 주형을 포도당을 기반으로 합성하였다. MCM-22를 합성할 때 앞서 합성된 경질 주형을 같이 넣어 수열합성 하였다. 마지막으로 수열합성이 끝난 물질을 소성하여 경질 주형을 제거하여 HS-MCM-22를 수득하였다. 비교를 위해, 합성 시 경질 주형을 첨가하지 않은 MCM-22 또한 비교 분석하였다. 합성된 HS-MCM-22를 파우더 X-ray 회절 분석을 실시하여 결정의 종류를 파악하였다. 아르곤 물리 흡착 분석을 통해 물질의 비표면적, 기공 부피와 미세 기공 분포를 확인하였다. 또한 SEM 이미지 분석을 통해 수 마이크로미터의 입자가 중공 구체의 형상 갖는 것을 확인하였고, TEM 분석을 통해 구체 내부가 비어 있는 모습과 고배율 이미지에서 MWW 결정구조와 기공을 확인하였다. 양성자로 이온교환이 된 중공 구체 MCM-22 제올라이트를 암모니아 흡탈착 분석을 실시하여 산점의 특성도 분석하였다. 합성한 HS-MCM-22 제올라이트를 아세틸렌의 방향족화 반응의 촉매로 사용하였는데, 경질 주형을 첨가하지 않은 일반적인 MCM-22와 상용 ZSM-5와 반응성을 비교하였다. 또한, HS-MCM-22의 형상과 미세기공 분포를 고려하였을 때, 방향족 분자보다 작은 분자에 대해 활성점으로의 접근성을 증가시켜주는 효과가 기대되어, 메탄올의 올레핀화 반응의 촉매로도 적용해 보았다.
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