[화공실험] 승온탈착 Ammonia, Oxygen, Hydrogen TPD(Temperature Programmed Desorption) 결과 : 산촉매(제올라이트) 암모니아 탈착현상 조사함으로 촉매 특성 고찰, GC 이용 pulse technique에 탈착현상 이해

소개글

[화공실험] 승온탈착 Ammonia, Oxygen, Hydrogen TPD(Temperature Programmed Desorption) 결과 : 산촉매(제올라이트) 암모니아 탈착현상 조사함으로 촉매 특성 고찰, GC 이용 pulse technique에 탈착현상 이해에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험제목

2. 실험목적

3. 실험이론
　Ⅰ. TPD
　Ⅱ. TPR
　Ⅲ. TPO

4. 참고문헌

본문내용

을 수 있다. 이때 환원반응에 의하여 생성된 HO의 제거가 필수적이다.
③무게변화 검출
시료가 금속산화물일 경우 Hydrogen에 의해 환원되면 금속산화물 중의 Oxygen이 HO로 제거되므로 무게가 감소하게 된다. 시료를 일정하게 승온 시키면서 무게변화를 정밀하게 측정할 수 있는 저울을 이용하면 TPR데이터를 얻을 수 있다.
5) TPR의 장점
일반적으로 실험실에서 쉽게 활용할 수 있는 instrument 로 GC를 사용하기 때문에 유용하게 사용할 수 있다. 즉, 특정한 장비를 구입하지 않고도 source(H2+Ar Gas), Reactor(Heater), Detector (GC) 만을 가지고 분석을 할 수 있다.
Ⅲ. TPO
1) TPO란?
TPO(Temperature - Programmed Oxidation) 또한 앞에서 설명한 TPR과 비슷하게 사용되는데 촉매 등 고체 물질의 산화도를 조사하는 실험적 방법이다. 산화가스(주로 Oxygen) 안에서 일정속도로 승온시키고 그에 따른 산화가스의 감소를 측정함으로써 시료의 산화 용이성, 산화 Mechanism을 조사한다. TPO의 장점은 산소의 흡수를 직접적으로 monitor할 수 있다는 것이다. 시료를 TPR실험은 산화/환원 cycle의 reversibility 연구를 위해 TPO실험으로 보완되곤 한다. 그러나 Hydrogen 존재 하에서 높은 온도로 가열할 때, 발생할 수 있는 촉매의 구조 변화는 피해야한다. TPO 실험에서는 환원된 금속 촉매에 산소를 흘려주면서 발생된 물의 농도 변화를 열전도 검출기에서 연속적으로 검출하여 촉매의 분석 결과를 얻을 수 있다. TPR은 환원을 위해 수소기체를 source로 사용하지만 TPO는 O2+He를 쓴다는 것이 다른 점이다. 승온 산화 실험에서는 환원된 금속 촉매에 산소를 흘려주면서 발생된 물의 농도 변화를 열전도도 검출기에서 연속적으로 검출하여 촉매의 분석결과를 얻을 수 있다.
2) TPO/TPR에 의한 전이 금속산화물의 산화 특성 측정 예시
환원기체로 질소에 희석된 Hydrogen를 oxy-trap으로 Oxygen을 제거한 후 사용하고 산화기체로는 헬륨에 희석된 Oxygen를 사용한다. 각 기체의 유속을 30mL/min으로 조절하고 열전도도 검출기의 reference로 먼저 도입된 다음, 반응기를 지나면서 생성된 물을 액체질소 트랩에서 제거한 후, 다시 열전도도 검출기의 다른 한쪽으로 통과시킨다. 반응기는 상온에서 1073K까지 10K/min으로 선형적으로 승온시킨다. TPO곡선은 TPR실험을 종료한 시료에 대하여 일정한 속도로 흐르는 산화기체(5% O2 / He)하에서 역시 상온에서 1073K까지 10K/min으로 선형적으로 승온시키면서 Oxygen의 소모속도를 측정한다.
① 스펙트럼분석
MnO의 TPR곡선이 두 개의 환원피크를 보임으로서 환원이 두 단계로 진행됨을 암시한다. 환원피크의 면적과 환원되어 없어진 산소의 화학식량을 비교하면 MnO가 MnO를 거쳐 환원됨을 알 수 있다.
TPO곡선도 역시 두 개의 산화피크를 보이는데 TPR곡선과는 반대로 첫 번째피크가 더 넓고 높다. 이것은 환원된 시료를 재산화시키면 환원과정의 역순으로 산화과정이 진행되어 초기의 MnO로 돌아감을 의미한다.
TPR/TPO실험기법을 이용하여 연속적으로 진행되는 금속산화물의 여러 가지 산화, 환원단계를 정성적으로 구별할 수 있으며 각 단계의 피크 면적 즉, 수소 또는 Oxygen의 소모량을 정량적으로 계산함으로써 보다 상세한 산화 환원 메커니즘을 추론할 수 있다.
② 산화.환원의 활성화 에너지
TPR과정에 대한 반응 속도식은 수소에 대한 반응차수가 1일경우
로 주어진다.
Tm = 환원피크의 온도 Ea = 활성화 에너지
β = 승온속도 A = 빈도 인자
이 식을 이용하여 승온속도를 변화시키면서 피크의 온도를 관찰하면 Ea를 구할 수 있다.
4. 참고문헌
위키 백과
네이버 백과사전
화학공정실험 / 부산대학교 화학공학과
www.chemie.fu-berlin.de/~pcprakt/tds.pdf
TPR 실험기법을 이용한 촉매연구 - 김영호, 이호인
TPR/TPO 실험기법을 이용한 전이금속산화물의 산화.환원 특성 연구 / 김영호, 이호인
Temperature-programmed reduction and oxidation experiments with V2O5 catalysts /TiO2 - S. Besselmann, C. Freitag, O. Hinrichsen and M. Muhler*

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