나노물질 기반 촉매

나노물질 기반 촉매()는 일반적으로 금속 나노입자를 기반으로 하는 불균일 촉매이다. 금속 나노입자는 높은 겉넓이를 가지므로 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. 나노입자 촉매는 쉽게 분리하고 재활용할 수 있다. 일반적으로 나노입자의 분해나 응집을 방지하기 위해 온화한 조건에서 사용된다. 많은 경우 기판에 지지되지만, 그렇지 않은 경우도 있다.

 기능화 나노입자 
기능화된 금속 나노입자는 비기능화 금속 나노입자에 비해 용매에 대해 더 안정적이다. 액체 상태에서 금속 나노입자는 반데르발스 힘의 영향을 받을 수 있다. 입자 응집은 때때로 겉넓이를 낮춤으로써 촉매 활성을 감소시킬 수 있다. 나노입자는 고분자나 올리고머로 기능화되어 보호층을 형성하여 나노입자들이 서로 상호작용하는 것을 방지함으로써 입체적으로 안정화될 수 있다. 두 가지 금속의 합금인 이금속 나노입자는 두 금속 간의 촉매 작용에 시너지 효과를 일으키는 데 사용된다.

 잠재적 응용 분야 
 탈할로겐화 및 수소화 
나노입자 촉매는 폴리염화 바이페닐과 같은 C-Cl 결합의 수소화분해에 활성을 보인다. 다른 반응으로 할로겐화된 방향족 아민의 수소화는 제초제 및 살충제뿐만 아니라 경유의 화학 합성에도 중요하다. 유기화학에서 중수소를 이용한 C-Cl 결합의 수소화는 속도론적 동위원소 효과와 관련된 실험에서 사용하기 위해 방향족 고리를 선택적으로 표지하는 데 사용된다. 부일(Buil) 등은 로듐 배위 화합물을 생성하여 로듐 나노입자를 만들었다. 이 나노입자들은 방향족 화합물의 탈할로겐화뿐만 아니라 벤젠의 사이클로헥세인으로의 수소화를 촉매했다.

고분자 안정화 나노입자는 신남알데하이드와 시트로넬랄의 수소화에도 사용될 수 있다. 위(Yu) 등은 루테늄 나노촉매가 기존 촉매에 비해 시트로넬랄의 수소화에 더 선택적임을 발견했다.

 하이드로실릴화 반응 
금, 코발트, 니켈, 팔라듐, 또는 백금 유기금속 복합체를 실란으로 환원시키면 하이드로실릴화 반응을 촉매하는 금속 나노입자가 생성된다. BINAP 기능화 팔라듐 나노입자와 금 나노입자는 온화한 조건에서 스타이렌의 하이드로실릴화에 사용되었으며, 비나노입자 Pd-BINAP 복합체보다 더 촉매 활성이 높고 안정적임이 밝혀졌다. 이 반응은 두 가지 금속으로 구성된 나노입자에 의해서도 촉매될 수 있다.

 유기 산화·환원 반응 
섬네일|center|350px|아디프산을 합성하기 위한 사이클로헥세인의 산화 반응
아디프산을 형성하는 산화 반응은 그림 3에 나타나 있으며, 코발트 나노입자에 의해 촉매될 수 있다. 이는 나일론 6,6 중합체를 생산하기 위한 산업 규모에서 사용된다. 금속 나노입자에 의해 촉매되는 다른 산화 반응의 예로는 사이클로옥테인의 산화, 에텐의 산화, 그리고 포도당 산화가 있다.

 C-C 짝지음 반응 
섬네일|center|350px|헥 반응
금속 나노입자는 올레핀의 하이드로포르밀화 반응, 비타민 E 합성, 헥 반응 및 스즈키-미야우라 반응과 같은 C-C 짝지음 반응을 촉매할 수 있다.

팔라듐 나노입자는 헥 짝지음 반응을 효율적으로 촉매하는 것으로 밝혀졌다. 팔라듐 나노입자 상의 리간드의 전기 음성도가 증가할수록 촉매 활성이 증가하는 것으로 나타났다.

화합물 Pd2(dba)3는 Pd(0)의 공급원이며, 이는 짝지음 반응을 포함한 많은 반응에 사용되는 촉매 활성 팔라듐 공급원이다. Pd2(dba)3는 균일 촉매 전구체로 여겨졌으나, 최근 논문들은 팔라듐 나노입자가 형성되어 불균일 촉매 전구체가 된다는 것을 시사한다.

 대체 연료 
산화 철과 코발트 나노입자는 산화 알루미늄과 같은 다양한 표면 활성 물질에 로딩되어 일산화 탄소 및 수소와 같은 가스를 피셔-트롭쉬 공정을 사용하여 탄화수소 액체 연료로 전환할 수 있다.

나노물질 기반 촉매에 대한 많은 연구는 연료 전지에서 촉매 코팅의 효율성을 극대화하는 것과 관련이 있다. 백금은 현재 이 응용 분야에서 가장 일반적인 촉매이지만, 비싸고 희귀하기 때문에 다른 금속의 촉매 특성을 나노입자로 축소하여 언젠가 백금에 대한 효율적이고 경제적인 대안이 되기를 바라는 많은 연구가 진행되고 있다. 금 나노입자 또한 비활성인 벌크 금과 달리 촉매 특성을 나타낸다.

이트륨 안정화 지르코늄 나노입자는 고체 산화물 연료 전지의 효율성과 신뢰성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 나노물질 루테늄/백금 촉매는 수소저장을 위한 수소 정화를 촉매하는 데 잠재적으로 사용될 수 있다. 팔라듐 나노입자는 유기금속 리간드로 기능화되어 대기 오염을 제어하기 위해 CO와 NO의 산화를 촉매할 수 있다.

탄소 나노튜브 지지 촉매는 연료 전지의 음극 촉매 지지체로 사용될 수 있으며, 금속 나노입자는 탄소 나노튜브의 성장을 촉매하는 데 사용되어 왔다. 백금-코발트 이금속 나노입자와 탄소 나노튜브의 결합은 더 높은 안정적인 전류를 생성하는 전극을 만들기 때문에 직접 메탄올 연료전지에 유망한 후보이다.

 의학 
자기화학에서 나노입자는 의학적 용도로 촉매 지지체로 사용될 수 있다.

 나노자임 
기존 촉매 작용 외에도 나노물질은 천연 효소를 모방하는 데 탐구되어 왔다. 효소 모방 활성을 가진 나노물질을 나노자임이라고 한다. 많은 나노물질이 산화효소, 과산화효소, 카탈라아제, SOD, 뉴클레아제 등 다양한 천연 효소를 모방하는 데 사용되어 왔다. 나노자임은 바이오센싱 및 바이오이미징부터 치료제 및 수처리까지 다양한 분야에서 폭넓게 응용되고 있다.

 전기촉매를 위한 나노구조 
나노촉매는 연료 전지 및 전기분해기에서 촉매가 효율에 크게 영향을 미치기 때문에 광범위한 관심을 받고 있다.

 나노다공성 표면 

연료 전지에서 나노다공성 물질은 음극을 만드는 데 널리 사용된다. 백금의 다공성 나노입자는 나노촉매에서 좋은 활성을 보이지만 안정성이 떨어지고 수명이 짧다.

 나노입자 

나노입자 사용의 한 가지 단점은 응집 경향이 있다는 것이다. 이 문제는 올바른 촉매 지지체로 완화할 수 있다. 나노입자는 특정 분자를 감지하도록 조절될 수 있기 때문에 나노센서로 사용하기에 최적의 구조이다. 다중벽 탄소 나노튜브에 전착된 Pd 나노입자의 예는 짝지음 반응의 촉매에 대한 좋은 활성을 보여주었다.

 나노와이어 

나노와이어는 생산이 더 쉽고 생산 과정에서 특성 제어가 상당히 정밀하기 때문에 전기촉매 목적에 매우 흥미롭다. 또한, 나노와이어는 공간적 확장으로 인해 패러데이 효율을 증가시키고 활성 표면에서 반응물의 가용성을 높일 수 있다.

 재료 
전기촉매 과정에 관련된 나노구조는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 나노구조 재료를 사용함으로써 전기촉매는 우수한 물리화학적 안정성, 높은 활성, 우수한 전도성 및 낮은 비용을 달성할 수 있다. 금속 나노재료는 일반적으로 전이 금속(주로 철, 코발트, 니켈, 팔라듐, 백금)으로 구성된다. 다중 금속 나노재료는 각 금속의 특성으로 인해 새로운 특성을 보여준다. 장점은 활성, 선택성 및 안정성 증가와 비용 절감이다. 금속은 코어-쉘 이금속 구조와 같이 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 가장 저렴한 금속이 코어를 형성하고 가장 활성적인 금속(일반적으로 귀금속)이 쉘을 구성한다. 이 설계를 채택함으로써 희귀하고 비싼 금속의 사용을 20%까지 줄일 수 있다.

미래의 과제 중 하나는 우수한 활성과 특히 저렴한 비용을 가진 새로운 안정적인 재료를 찾는 것이다. 비정질 금속, 폴리머 탄소 질화물 (PCN) 및 금속 유기 골격체 (MOF)에서 파생된 재료는 현재 연구가 집중되고 있는 전기촉매 특성을 가진 재료의 몇 가지 예에 불과하다.

 광촉매 
많은 광촉매 시스템은 귀금속과의 결합으로부터 이점을 얻을 수 있다. 최초의 후지시마-혼다 전지 또한 보조 촉매 판을 사용했다. 예를 들어, 수소 분리를 위한 분산형 광촉매 반응기의 본질적인 설계는 수중 졸로 구성된 분산상이 각각 금속 보조 촉매와 결합된 반도체 퀀텀닷으로 이루어져 있다. 퀀텀닷은 입사하는 전자기 복사를 엑시톤으로 변환하는 반면, 보조 촉매는 전자를 포획하고 전기화학 반응의 과전압을 낮추는 역할을 한다.

 나노입자의 특성화 
기능화된 나노재료 촉매를 특성화하는 데 사용될 수 있는 일부 기술에는 X선 광전자 분광학, 투과 전자 현미경, 원형 이색성 분광학, 핵자기 공명 분광법, 자외선-가시광선 분광법 및 관련 실험이 포함된다.

 같이 보기 
 나노재료
 나노 기술
 전이 금속
 퀀텀닷
 백금 나노입자
 이코사헤드론 쌍정
 나노자임

 각주 

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분류:나노재료
분류:촉매 반응