Gas-Permeable Iron-Doped Ceria Shell on Rh Nanoparticles with High Activity and Durability for Selective CO2 Reduction

Abstract

금속과 담지체의 강한 결합을 통한 구조 조절은 나노 촉매 분야에서 선택성 및 활성을 향상하기 위한 중요한 전략이다. 특히, 강한 결합을 통한 금속 위로의 쉘 형성은 공간적으로 입자를 분리하여 반응조건에서 입자들이 뭉치는 것을 방지하지만, 때론 쉘이 기체 투과성을 보이지 못해 반응물이 반응에 참여하지 못하는 결과를 초래하기도 한다. 본 연구진은 철-도핑된 세리아 위 로듐 나노입자 주위로 기체 투과성을 보이는 쉘 구조가 형성되는 것을 확인하였고, 이를 통하여 선택적 이산화탄소 환원 반응에서 높은 활성 및 내구성을 보고하였다. 우선적으로, 세리아 담지체에 철을 도핑하여 표면 산소종의 활성 특성을 증진하였다. 로듐을 철 도핑된 세리아 위에 담지하고 환원 전처리를 진행하였을 때 기체 투과성을 갖는 쉘이 로듐 위로 형성되었다. 해당 쉘은 환원 전처리를 통하여 형성되고 산화 전처리를 통하여 제거되며 가역성을 보였다. 상온 및 극저온 DRIFTS를 통하여 쉘의 기체투과성 및 쉘 내부 금속의 기체 흡착 가능여부를 확인하였다. 해당 촉매는 역수성 가스 전환 (RWGS; CO2 + H2 → CO + H2O) 반응에 응용되었으며 우수한 활성 및 내구성을 보였다. 담체에 도핑을 통한 표면 특성 활성화는 금속 입자 위 기체투과성을 갖는 쉘 형성을 유도하였고 이는 고활성, 고내구성 이산화탄소 전환 촉매 개발에 사용되었다.