학술논문
Use of Fe-oxide deposited Al2O3 for the decomposition of NH3 and H2S : Mechanistic study by operando-DRIFTS / 암모니아 및 황화수소의 분해에 대한 산화철이 담지된 알루미나의 사용: operando 확산 반사 적외선 푸리에 변환 분광법을 이용한 메커니즘 연구
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
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Subject
Language
English
Abstract
Catalytically active Fe-oxide nano-particles were distributed evenly over mesoporous Al2O3 substrate via a simple temperature regulated chemical vapor deposition (tr-CVD) method. The resulting Fe-oxide/Al2O3 structure showed high performances on removal of various harmful gases such as CO, VOCs and NO in our previous studies. In this thesis, Fe-oxide/Al2O3 was used for the removal of NH3 and H2S gases which are particularly odorous among other types of harmful gases that were not previously studied with, and I show that Fe-oxide/Al2O3 can efficiently eliminate NH3 and H2S. In case of NH3, 2% of NH3 could be all removed above the reaction temperature of 420 ℃, and during the removal reactions, only nitrogen gas was generated as reaction product without formation of nitrogen oxides. Then, adsorption of NH3 on Fe-oxide/Al2O3 and their thermal oxidation process was repeatedly performed which resembles the practical operating conditions. The adsorption capacity of Fe-oxide/Al2O3 could be fully recovered by the thermal oxidation process, and during this thermal treatment, adsorbed NH3 was either desorbed as NH3 or N2 gas. A differential temperature controlled catalysis system was proposed which could effectively reduce emission of NH3 during the thermal oxidation process of NH3. Based on operando-diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS), it was found that Fe-oxide particles promote oxidation of NH3 to NH2 and dimerization of NH2 to form N2H4, which in turn forms N2 gas as an oxidation product of NH3. For H2S decomposition, the deposition of Fe-oxide on Al2O3 could enhance adsorption capacity of H2S at room temperature. In addition, during the thermal oxidation after adsorption of H2S, selectivity of the removed H2S to SO2 could notably decrease with increase of the S8 and SO42- selectivity by the Fe-oxide deposition. The SO42- accumulated on the adsorption sites of Fe-oxide/Al2O3 could be washed away upon the treatment of water, recovering the adsorption sites.
촉매 활성을 가진 Fe-oxide 나노 입자가 간단한 온도 조절 화학 증기 증착법(tr-CVD)을 통해 메조기공 Al2O3 기질에 고르게 분포되었다. 우리의 이전 연구에서 Fe-oxide/Al2O3 촉매는 CO, VOCs, NO 와 같은 다양한 유해 가스 제거에 높은 성능을 보여주었다. 본 연구에서는 이전에 연구되지 않은 유해 기체 중 악취 유발 물질인 NH3 및 H2S 를 Fe-oxide/Al2O3가 효율적으로 제거할 수 있음을 보여준다. 420 ℃ 이상의 반응 온도에서 Fe-oxide/Al2O3 는 2%의 NH3 를 모두 제거할 수 있었고, 제거 반응 중에는 질소 산화물의 형성 없이 질소 가스만 생성되었다. 실제 촉매 사용 조건과 유사한 NH3 흡착 및 열 산화 과정을 반복하여 수행했다. Fe-oxide/Al2O3 의 흡착능력은 열산화과정에 의해 완전히 회복될 수 있었고, 이 열처리 과정에서 흡착된 NH3 는 NH3 또는 N2 기체로만 탈착되었다. 두개의 반응기에 각각 촉매를 위치시키고 반응기의 온도를 다르게 조절하여 NH3 의 열산화 과정에서 NH3 의 방출을 효과적으로 줄일 수 있는 시스템이 제안되었다. Operando-확산 반사 적외선 푸리에 변환 분광법(DRIFTS)을 사용하여 Fe-oxide 입자가 NH3 의 산화를 촉진하고 NH2 의 이량화를 촉진하여 N2H4 를 형성하며, 이것이 다시 N2 가스를 형성하는 것을 밝혔다. Al2O3에 Fe-oxide의 담지는 상온에서 H2S의 흡착 용량을 향상시킬 수 있었다. 또한, H2S 흡착 후 열산화 과정에서 제거된 H2S 에서 SO2 로의 선택도는 Fe-oxide 의 증착에 따라 현저하게 감소하였고, S8 및 SO42- 선택도는 증가했다. Fe-oxide/Al2O3 의 흡착 부위에 축적된 SO42-로 인해 흡착 능력이 저하된 촉매는 물 세척하여 복구할 수 있었다.
촉매 활성을 가진 Fe-oxide 나노 입자가 간단한 온도 조절 화학 증기 증착법(tr-CVD)을 통해 메조기공 Al2O3 기질에 고르게 분포되었다. 우리의 이전 연구에서 Fe-oxide/Al2O3 촉매는 CO, VOCs, NO 와 같은 다양한 유해 가스 제거에 높은 성능을 보여주었다. 본 연구에서는 이전에 연구되지 않은 유해 기체 중 악취 유발 물질인 NH3 및 H2S 를 Fe-oxide/Al2O3가 효율적으로 제거할 수 있음을 보여준다. 420 ℃ 이상의 반응 온도에서 Fe-oxide/Al2O3 는 2%의 NH3 를 모두 제거할 수 있었고, 제거 반응 중에는 질소 산화물의 형성 없이 질소 가스만 생성되었다. 실제 촉매 사용 조건과 유사한 NH3 흡착 및 열 산화 과정을 반복하여 수행했다. Fe-oxide/Al2O3 의 흡착능력은 열산화과정에 의해 완전히 회복될 수 있었고, 이 열처리 과정에서 흡착된 NH3 는 NH3 또는 N2 기체로만 탈착되었다. 두개의 반응기에 각각 촉매를 위치시키고 반응기의 온도를 다르게 조절하여 NH3 의 열산화 과정에서 NH3 의 방출을 효과적으로 줄일 수 있는 시스템이 제안되었다. Operando-확산 반사 적외선 푸리에 변환 분광법(DRIFTS)을 사용하여 Fe-oxide 입자가 NH3 의 산화를 촉진하고 NH2 의 이량화를 촉진하여 N2H4 를 형성하며, 이것이 다시 N2 가스를 형성하는 것을 밝혔다. Al2O3에 Fe-oxide의 담지는 상온에서 H2S의 흡착 용량을 향상시킬 수 있었다. 또한, H2S 흡착 후 열산화 과정에서 제거된 H2S 에서 SO2 로의 선택도는 Fe-oxide 의 증착에 따라 현저하게 감소하였고, S8 및 SO42- 선택도는 증가했다. Fe-oxide/Al2O3 의 흡착 부위에 축적된 SO42-로 인해 흡착 능력이 저하된 촉매는 물 세척하여 복구할 수 있었다.