Catalyst Engineering : 1-1. Theories of catalyst

Basic Concept & Theories

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1. Basic Concept

1. Physisorption
2. Chemisorption (rearragnement) or Migration
3. Desorption

촉매에서의 반응은 크게 3가지로 나뉜다.

처음에는 physisorption으로 표면에 붙는다. 그러다 표면에 metal원자나 active site에서 chemisorption이 일어난다. 이 때 반응물에서 rearrangement, 즉 새로운 생성물이 생성이 되어야 chemisorption이다. 그 후 Desorption이 진행되어 생성물이 나온다.

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2. Theories

2-1. Geometrical Theories

1. 분자가 표면에 어떤식으로 흡착하는지?
2. 흡착하였을 때, Bridge 형태를 만든다면, 옆에 site와 어떤 arrangement를 이루고 있는지?
3. 표면 원자들이 어떠한 geometry, 구조를 가지는지?
4. 표면에 촉매 atom 수는 얼마나 되는지? (dispersion)
5. 촉매 atom이 2개 이상의 원소로 이루어져있는가?
   1. Alloy?
   2. Core-Shell
   3. immisciblem miscible 등등
6. particle size가 어느정도 되는지

이와 같은 여러 단계들을 파악해야한다. 이런 촉매 구조에 대해 질문들의 답들이 실제 촉매에 활성에 영향을 준다.

2-2. Electronic Theories

1. 촉매를 이루고 있는 구조가 실제 양자역학적으로 안정한 물질인지 (DFT 계산으로 파악 가능)
2. 촉매가 가지는 전자 분포를 체크 (DFT 계산으로 파악 가능)

촉매 위에서 일어나는 chemisorption들은 전자를 주고 받으면서 일어나는 반응들이다. 따라서 촉매가 어떠한 전자 분포를 가지고, 실제로 양자역학적으로 안정한 물질인지, 이러한 전기적인 특성들이 실제 촉매의 활성에 영향을 준다.

2-3. Chemical Theories

1. 반응 중간체 (intermediate)가 양자학적으로 어떠한 모양을 가질지, (DFT 계산으로 파악 가능)
2. 반응 중간체 (intermediate)의 에너지는 어느정도 일지? (DFT 계산으로 파악 가능, NEB 계산)

반응의 반응속도식에서 가장 중요한 것이 rate determining step이다. 또한 실제로 반응에서 중간체가 보통 rate determining step이기 때문에 촉매 연구에서 중간체를 연구한다는 것이 상당한 의미를 가진다. 따라서 중간체에 chemical 적인 정보를 DFT 계산으로 알 수 있다면 굉장한 의미를 가질 것이다.