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Ce-Incorporated Yolk-Shell LaFeO3 Perovskite Oxide as an Efficient Catalyst for NH3-SCR of Nitric Oxides
세륨 및 요크-쉘 구조 도입을 통해 촉매 성능 및 내구성이 향상된 페로브스카이트 산화물 기반 탈질 촉매에 대한 연구

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Authors
원대연
Advisor
곽승엽
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공과대학 재료공학부,2020. 2. 곽승엽.
Abstract
Control of compositional and morphological structures is important to enhance catalytic performance and stability. In this work, we utilized this strategy to synthesize cerium-incorporated LaFeO3 oxides and finally demonstrated cerium-substituted LaFeO3 yolk-shell microspheres as efficient catalysts for selective catalytic reduction (SCR) of nitrogen oxides (NOx).
First, amorphous and citrate-chelated microspheres were synthesized by Pluronic F127-assisted hydrothermal treatment, followed by calcination to crystallize their perovskite structure. Cerium ions were substituted during hydrothermal process or impregnated as oxide forms on LaFeO3 microspheres. Then, samples prepared by various compositions and experimental conditions were thoroughly characterized with appropriate tools.
Particularly, when Ce ions substituted La ions, the substituted sample, LCFO, exhibited suitable chemical structure for SCR catalysts such as high concentration of Ce3+ ions and surface oxygen species. In addition, heterogeneous contraction could be applied to LCFO by controlling calcination process; as a result, we could obtain LCFO with yolk-shell morphology (yLCFO). yLCFO showed a superior SCR performance over a wide range of operating temperature and SO2 resistance. In conclusion, a LaFeO3-based efficient SCR catalyst was successfully developed by compositional and morphological control. It is expected that yLCFO could be a promising candidate as an alternative catalyst for SCR of nitrogen oxides.
질소산화물(NOx)은 질소를 포함하는 연료나 화합물의 연소 과정에서 발생 한다. 대기 중으로 유출된 질소산화물은 광화학 스모그, 산성비, 부영양화 등의 다양한 환경문제에 관여함과 동시에 인간에게도 천식과 같은 호흡기질환이나 암을 유발하는 등 직접적인 해를 끼치는 물질이기 때문에 배출에 대한 규제가 세계적으로 강화되고 있다. 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction, NH3-SCR)은 질소산화물을 제거하는 대표적인 기술 중 하나로, 질소산화물을 환원제인 암모니아와 촉매 반응을 통해 제거하는 기술이다. 반응을 일으키는 촉매는 NH3-SCR 공정에서 반응 온도, 효율 등을 결정하는 가장 중요한 요소이며, 현재는 반응 온도에 따라 바나듐, 망간계의 촉매가 주로 사용되고 있다. 하지만 SCR 공정의 촉매는 지속적으로 고온 환경과 이산화황에 노출되기 때문에 이에 따른 내구성 문제가 제기되고 있다. 란탄계 페로브스카이트 촉매는 높은 내구성을 지니고 있어 SCR 공정보다 혹독한 환경에서도 사용되고 있는 물질이다. 하지만 SCR 공정에서의 촉매 효율과 이산화황에 대한 저항능이 매우 낮기 때문에 SCR 촉매로서 활용하기 위해서는 이러한 문제점을 해결할 방법이 필요하다. 본 연구에서는 세륨과 요크-쉘 구조를 도입하여 SCR 성능과 이산화황 저항능을 향상시킨 페로브스카이트 촉매를 개발하고자 하였다. SCR 공정에 적합한 세륨 도입 방식을 알아보기 위해 함침, 치환법을 이용하여 도입하였다. X선 회절 분석(XRD)과 주사전자현미경(FE-SEM), 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지 분석을 통해 도입된 세륨의 존재 형태를 확인하였다. 치환하여 도입한 샘플이 크게 향상된 SCR 성능을 보였으며, X선 광전자 분광법(XPS) 결과 세륨 치환 샘플에서 촉매 활성에 영향을 주는 Ce3+와 표면산소종(OS) 비율이 높게 나타난 것이 SCR 성능 향상에 영향을 준 것으로 판단하였다. 함침 샘플에서는 암모니아 흡착을 돕는 역할에 그쳤으나 치환 샘플에서는 결정 내로 들어가 Ce–O–Fe 같은 새로운 활성점을 생성하며 성능을 크게 높인 것으로 확인되었다. 이후 치환 샘플의 합성 과정 중 하소 단계의 승온 속도를 높여 불균일 수축(Heterogeneous contraction) 현상을 활용한 요크-쉘 구조 도입을 진행하였다. 결과 세륨이 치환 도입된 샘플에서만 요크-쉘 구조가 도입됨을 확인하여 세륨 도입에 의한 조성 변화가 요크-쉘 구조 도입에도 영향을 준 것을 알 수 있었다. 요크-쉘 구조가 도입된 촉매는 300–450 °C의 온도범위에서 약 90%의 질소산화물 변환 효율을 보이며 세륨과 요크-쉘 구조가 도입되지 않은 페로브스카이트 촉매 대비 약 9배의 성능 향상을 달성할 수 있었다. 적외선 분광분석(FT-IR)과 질소산화물 저감 효율을 통해 확인한 이산화황 저항능도 기존 페로브스카이트 촉매 대비 상당히 향상된 것을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 기존 SCR 공정에 적합하지 않은 페로브스카이트 촉매를 개선하고 높은 열 안정성을 충분히 활용할 수 있는 새로운 방법이 될 수 있을 것으로 기대된다.
Language
eng
URI
http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000158668
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Material Science and Engineering (재료공학부) Theses (Master's Degree_재료공학부)
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