CexOy/NiOx 피에조를 이용한 연료 탈황 메커니즘 및 동역학 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7574(2023) 이 기사 인용

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탈황기술의 고도화를 위해서는 상온에서 연료의 우수한 산화탈황을 달성할 수 있는 새로운 방법이 무엇보다 중요할 것이다. 새로운 탈황 방법으로 산화제 첨가가 필요 없고 상온에서 수행할 수 있는 압전촉매를 개발했습니다. CeO2/Ce2O3/NiOx 나노복합체를 제조하기 위해 마이크로웨이브 방법이 사용되었다. 모델 및 실제 연료 탈황율은 마이크로파 전력 및 시간과 같은 합성 매개변수와 pH 및 초음파 전력과 같은 운전 조건의 함수로 조사되었습니다. 결과는 CeO2/Ce2O3/NiOx 나노복합체가 모델 연료와 실제 연료 모두에 대해 실온에서 뛰어난 압전 탈황을 보여주었다는 것을 보여주었습니다. 또한, CeO2/Ce2O3/NiOx 나노복합체는 실제 연료의 탈황을 위해 17회 반복 후에도 압전촉매 활성을 79% 유지하는 놀라운 재사용성을 나타냈다. 황 산화 메커니즘을 조사한 결과 과산화물 라디칼과 정공이 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 또한 동역학 연구에서는 압전촉매에 의한 황 제거가 2차 반응 동역학 모델을 따른다는 사실이 밝혀졌습니다.

저주파 진동 에너지는 환경 어디에나 존재하며 에너지 위기와 오염 문제를 해결할 수 있는 밝은 전망을 가지고 있습니다. 그러나 이 저주파 에너지를 효과적으로 활용한 사례는 없습니다1,2. 저주파 진동 에너지는 압전 에너지 수확 및 압전 촉매작용의 두 가지 방법으로 에너지로 변환될 수 있습니다3,4,5. 압전 촉매작용의 결과로 기계적 진동은 광범위한 환경(예: 물 및 공기)에서 압전 재료 표면의 자유 전하로 변환될 수 있습니다. 물의 국부적 미세 전기분해의 결과로 압전 촉매 물질은 ·OH, ·O2-, ·HO2 및 H2O2와 같은 다양한 활성 산소종(ROS)을 생성할 수 있습니다. 섬유, 화학, 제약 및 식품 산업에서 ROS는 물에 있는 독성 및 발암성 염료를 촉매적으로 산화하고 분해하는 데 사용됩니다6,7,8.

이 연구의 목적은 압전촉매의 새로운 응용을 제안하는 것입니다. 우리는 모델과 실제 연료의 탈황을 위한 압전촉매로 산화니켈/산화세륨 나노복합체를 사용했습니다. 피에조 촉매를 사용하는 것은 기존 탈황 공정에 촉매를 사용하는 것에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 어두운 조건에서 작동할 수 있고, 높은 탈황율과 저렴한 비용을 나타내며, 환경에 존재하는 저주파 진동을 수확하여 탈황 반응을 유도할 수 있습니다.

최근 몇 년 동안 새로운 에너지 전략을 채택했음에도 불구하고 기존 연료의 사용이 여전히 지배적입니다. 황 함유 연료의 연소 결과 SOx가 생성되어 산성비와 미세먼지(PM 2.5)는 물론 엔진과 촉매 변환기의 부식을 유발합니다8,9,10,11. 전 세계적으로 황 함량이 낮은 연료를 제한하기 위한 엄격한 규정이 제정되었습니다12,13. 수십 년 동안 업계에서 널리 사용되어 온 수소탈황(HDS)을 활용하면 산업 생산 시 연료유에서 지방족 황을 쉽게 제거할 수 있습니다. 입체 장애로 인해 연료에서 디벤조티오펜(DBTP)과 같은 방향족 황 화합물을 제거하는 것이 어렵습니다. HDS가 티오펜 유도체를 제거하려면 높은 온도와 압력, 그리고 다량의 수소가 필요하므로 운영 비용이 높아지고 옥탄 손실이 발생합니다14,15,16,17,18,19,20. 여기서는 산화제를 추가하지 않고 기계적 힘만 가해 모델과 실제 연료에서 황 화합물을 제거하는 압전촉매를 제시합니다. 대조적으로, 이전의 탈황 기술은 H2O221,22,23,24,25,26,27과 같은 산화제를 추가하는 데 필요했습니다. 최근에는 토양에 풍부한 금속 코어와 견고한 나노다공성 지지체 및 혼합 전이 금속 산화물을 갖춘 단일 원자 촉매를 사용하여 산화 탈황 공정을 수정했습니다. 단일원자 촉매나 혼합 전이금속 산화물을 사용한 결과 촉매의 효율과 안정성이 향상됐다.