Advanced Solid-State Synthesis of Multi Metal Nanocatalysts for Superior Catalytic Performance
우수한 촉매 성능을 위한 다중 금속 나노촉매의 고급 고체상 합성
- 주제어 (키워드) multi-metal alloys , supported nanocatalysts , mechanochemical synthesis , 4-nitrophenol reduction , water electrolysis; 다중 금속 합금 , 담지 나노촉매 , 기계화학적 합성법 , 4-나이트로페놀 환원 , 수전해 촉매 반응
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 서원석, 박지찬
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079310
- UCI I804:11029-000000079310
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Nanocatalysts composed of multiple metals exhibit unique and superior performance compared to single-metal nanocatalysts due to synergistic effects between the metal elements. With advancements in modern industries, the demand for nanocatalysts with specific catalytic activities has been rapidly increasing across various applications, including pollutant purification, water electrolysis, batteries, and renewable energy. To achieve high catalytic performance in these applications, environmentally friendly and efficient synthesis methods are essential. This study aimed to address these needs by focusing on the advanced synthesis and characterization of multi-metal nanocatalysts. First, NiPd bimetallic nanocatalysts were successfully synthesized using a simple mechanochemical ball milling method. Precursor materials were uniformly prepared through mechanochemical ball milling, followed by a synthesis process utilizing automated thermal treatment equipment. This method eliminated the need for harmful solvents and surfactants, making it an environmentally friendly approach. The synthesized NiPd nanocatalysts exhibited high dispersion and clean particle surfaces, demonstrating superior activity in the 4-nitrophenol reduction reaction (4-NPRR) compared to commercial Pd/C catalysts. Furthermore, by adjusting the mixing ratio of Ni and Pd, variations in catalytic properties and performance were observed. These findings provide crucial foundational data for optimizing the design and expanding the applicability of bimetallic nanocatalysts. Second, to synthesize Pt-based alloy nanocatalysts containing multiple metal elements, a rapid thermal synthesis method was introduced. Traditional alloy synthesis requires stable high-temperature heating and precise temperature control to uniformly arrange the metal elements. To simplify these processes and improve efficiency, rapid heating using infrared radiation and rapid cooling using cooling blocks were incorporated into the catalyst synthesis process. This method successfully produced Pt-based multi-metal alloy nanoparticles (~3 nm in size) uniformly supported on graphene oxide. These catalysts exhibited significantly improved overpotential characteristics and higher mass activity in the hydrogen evolution reaction (HER) in water electrolysis compared to commercial Pt/C catalysts. These results validate the positive impact of multi-metal alloy design on high-performance energy conversion technologies. The mechanochemical synthesis approach proposed in this study enables the design of multi-metal alloys using diverse metal elements, simplifies sample preparation, shortens synthesis time, and provides an environmentally friendly, solvent- and surfactant-free production process. This method addresses the high efficiency and sustainability demands of modern industries, with significant potential to contribute to pollutant purification and renewable energy technologies.
more초록 (요약문)
다중 금속으로 구성된 나노촉매는 금속 간 시너지 효과로 인해 단일 금속 나노촉매에 비해 독특하고 우수한 성능을 나타낸다. 현대 산업의 발전에 따라 오염 물질 정화, 수전해, 배터리, 재생 에너지 등 다양한 응용 분야에서 특정 활성을 가진 나노촉매에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 이러한 응용 분야에서 높은 촉매 성능을 구현하려면 친환경적이고 효율적인 합성 방법이 필수적이다. 본 연구는 이러한 요구를 충족하기 위해 다중 금속 나노촉매의 고급 합성과 그 특성 분석을 목표로 하였다. 첫 번째로, 간단한 기계화학적 볼 밀링을 사용하여 NiPd 이원 금속 나노촉매를 성공적으로 합성하였다. 혼합된 전구체 원료는 기계화학적 볼 밀링을 통해 균일하게 준비되었으며, 자동화된 열처리 장비를 활용하여 유해 용매나 계면활성제를 사용하지 않는 친환경적인 합성 방법을 적용하였다. 합성된 NiPd 나노촉매는 높은 분산성과 깨끗한 입자 표면을 특징으로 하며, 4-니트로페놀 환원 반응(4-NPRR)에서 상용 Pd/C 촉매와 비교해 높은 활성을 나타냈다. 또한, Ni과 Pd의 혼합 비율을 조정함으로써 촉매 특성과 성능의 변화를 확인하였다. 이러한 연구는 이원 금속 촉매의 최적 설계와 응용 가능성을 확장하는 데 중요한 기초 데이터를 제공한다. 두 번째로, 다종 금속 원소를 포함하는 Pt 기반 합금 나노촉매를 합성하기 위해 급속 열처리 합성법을 도입하였다. 기존 합금 합성에서는 금속 원소를 균일하게 배열하기 위해 고온의 안정적 가열과 빠른 온도 제어가 필수적이다. 이러한 과정을 간소화하고 효율을 높이기 위해 적외선을 이용한 급속 가열과 냉각 블록을 사용한 급속 냉각을 촉매 합성 과정에 적용하였다. 이 방법을 통해, 5 nm 미만의 균일한 Pt 기반 다종 금속 합금 나노입자가 그래핀 산화물 지지체에 담지된 촉매를 성공적으로 합성하였다. 이 촉매는 수소 발생 반응(HER)을 포함한 수전해 반응에서 상용 Pt/C 촉매 대비 뛰어난 과전압 특성과 높은 질량 활성을 보여주었다. 이러한 결과는 다종 금속 합금을 활용한 촉매 설계가 고성능 에너지 변환 기술에 미치는 긍정적인 영향을 입증하였다. 본 연구에서 제안된 기계화학적 합성 접근법은 다양한 금속 원소를 활용하여 다종 합금 설계를 가능하게 하며, 간소화된 시료 준비와 단축된 합성 시간으로 친환경적이고 용매 및 계면활성제가 필요 없는 생산 공정을 구현하였다. 이는 현대 산업에서 요구되는 높은 효율성과 지속 가능성을 충족시키며, 특히 오염 정화 및 재생 에너지 기술에서 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.
more목차
1. Introduction 16
2. Mechanochemical Synthesis of NiPd/G Nanocatalysts 22
2.1 Introduction 22
2.2 Experimental Methods 24
2.3 Results and Discussion 26
2.3.1 Synthesis and characterization of Graphene-Supported NiPd Alloy Nanocatalysts 26
2.3.2 Catalytic Reactivity Tests for 4-Nitrophenol Reduction 34
2.3.3 Analysis of the Effect of Ni and Pd Hybrid Ratios 37
2.4 Conclusion 49
2.5 References 50
3. Rapid Thermal Synthesis of Pt-based Multi-Metal Nanocatalysts for Water Electrolysis 54
3.1 Introduction 54
3.2 Experimental Methods 56
3.3 Results and Discussion 59
3.3.1 Rapid Thermal Synthesis of Pt-based Multi-Metal Nanocatalysts 59
3.3.2 Characterization of Pt-based Multi-Metal Nanocatalysts 63
3.3.3 Catalytic Performance Evaluation for Hydrogen Evolution Reaction 74
3.4 Conclusion 81
3.5 Reference 82
4. Summary 86
