Synthesis and Characterization of Iron-containing Zeolites with TUN, STI, IMF, and MFI Topologies and Their Catalytic Performance in the Direct N2O Decomposition.

Abstract

골격 내에 철을 포함하는 TNU-9, TNU-10, IM-5, ZSM-5 제올라이트의 합성, 특성분석 및 N2O 직접분해반응 활성 비교에 대한 연구를 수행하였습니다. 이 실험의 합성 조건에서, 철을 포함하는 TNU-9, TNU-10, IM-5 제올라이트의 결정화는 구조유도물질로서 나트륨 이온과 1,4-bis(N-methylpyrrolidinium) butane, 1,5-bis(N-methylpyrrolidinium)pentane 의 존재 하에서, 매우 좁은 범위의 Al2O3/Fe2O3, SiO2/(Al2O3 + Fe2O3) 비를 갖는 합성 젤로부터만 가능하다는 것을 알 수 있었습니다. 하지만 이것에도 불구하고, 이들 중간세공 제올라이트 내의 철 함량의 조절을 통해 서로 유사한 철 함량을 갖게 하여, N2O 직접분해반응에서의 반응성 비교가 가능할 수 있었습니다. 이들 제올라이트의 고온 증기 처리는 골격 내 철 원자들의 골격 외로의 상당한 제거를 이끌었고, 이로 인해 생성된, 제올라이트 표면에 균일하게 잘 분산되어있는 1-2 nm 매우 작은 크기의 산화철을 투과전자현미경을 통하여 확인하였습니다. 또한 여러 분석결과들의 조합을 통해 Post-treatment 동안 생성된, 골격 외 Fe species의 형성과정은 이원소의 본성뿐 아니라 제올라이트의 구조에도 의존한다는 것을 밝혀내었습니다. 또한 골격 내에 철을 포함하며 서로 다른 구조를 갖는 이들 제올라이트를 고온의 증기 처리를 하여 N2O 직접분해반응 활성을 비교해 보았는데, 구조에 따라서 상당히 다른 활성도를 보였습니다. 이를 통해 Fe species 뿐만 아니라 제올라이트 구조 또한 N2O 직접분해반응에 주요한 인자라는 것을 확인할 수 있었습니다.

Fe-containing TNU-9, TNU-10, IM-5, and ZSM-5 zeolites are synthesized, characterized and tested as catalysts for the direct N2O decomposition. Under the synthesis conditions studied here, synthesis of Fe-containing TNU-9, TNU-10, and IM-5 was possible from synthesis mixtures with a narrow range of Al2O3/Fe2O3 and SiO2/(Al2O3 + Fe2O3) ratios in the presence of sodium and 1,4-bis(N-methylpyrrolidinium)butane or 1,5-bis(N-methylpyrrolidinium)pentane as structure-directing agents. Despite this, however, we were able to control the Fe contents (1.5 ？ 0.2 wt%) in these medium-pore zeolites, allowing us to compare their N2O decomposition reactivity. Steam treatment of Fe-containing zeolites led to massive removal of Fe atoms to extra-framework Fe species mainly as homogenously dispersed iron oxide nanoparticles of a diameter of 1？2 nm. Combination of analytical tools reveal that the formation of the type of extra-framwork species formed after post-synthesis treatment was found to depends not only on the nature of the trivalent heteroatom, but also on the zeolite structure. Remarkable differences in the catalytic performance of steam-activated iron zeolites prepared here suggest that the structure of the zeolite as well as iron species is a crucial factor determining the activity of the zeolite catalysts in the direct N2O decomposition.