비균일 촉매 반응에서 고체 촉매 표면에서의 흡착과 탈착 과정이 궁금해요

Question

자동차 배기가스 저감 장치나 하버 공법의 철 촉매처럼 기체 반응물이 고체 촉매 표면에 물리적 또는 화학적 흡착을 통해 결합이 약화된 뒤 반응이 일어나는 전 과정이 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요, 냉철한라마35님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 비균일 촉매 반응은 반응물 기체가 고체 촉매 표면의 활성 자리에 흡착되어 결합이 약해진 뒤 새로운 분자로 재배열되고, 생성물이 표면에서 떨어져 나가는 흡착과 표면 반응, 탈착의 순차적 과정을 통해 반응 활성화 에너지를 획기적으로 낮추는 화학적 메커니즘이랍니다.

■ 물리 흡착과 화학 흡착을 통한 반응물의 결합 약화

​반응물 기체 분자가 고체 촉매 표면에 접근하면 초기에는 약한 반데르발스 힘에 의해 표면에 가볍게 달라붙는 물리 흡착이 일어납니다. 이어서 반응 분자가 고체 표면의 금속 원자와 전자를 직접 주고받으며 화학 결합을 형성하는 화학 흡착 단계로 전환되는데요. 이 과정에서 기체 분자 내부의 단단한 공유 결합이 촉매 원자의 전자 구름에 끌려 늘어나면서 결합 에너지가 급격히 약화됩니다.예를 들어 암모니아를 합성하는 하버 공법에서는 매우 안정한 질소 분자의 삼중 결합이 철 촉매 표면에 화학 흡착되면서 결합력이 느슨해져, 높은 온도나 압력을 가하지 않아도 수소와 쉽게 반응할 수 있는 상태로 유도됩니다.

​■ 표면 재배열 반응과 생성물의 탈착 및 활성 자리 재생

​표면에 단단히 붙어 결합이 약해진 반응물들은 촉매 표면을 미끄러지듯 이동하다가 서로 충돌하여 새로운 화학 결합을 맺습니다. 자동차 배기가스 저감 장치인 삼원 촉매에서 유독한 일산화탄소와 산소 원자가 백금 표면에서 만나 이산화탄소로 재조합되는 과정이 대표적인데요. 새롭게 만들어진 생성물 분자는 원래 반응물에 비해 고체 촉매 표면과의 친화력이 현저히 떨어지기 때문에, 열에너지를 받아 표면에서 스스로 떨어져 나가는 탈착 과정을 거치게 됩니다. 탈착이 완료되면 비워진 촉매의 활성 자리는 본래의 상태를 그대로 유지하므로, 새로운 기체 반응물을 연속적으로 흡착시키며 반영구적인 촉매 순환 주기를 이어간답니다.

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정리하자면,

비균일 촉매 반응은 반응 기체 분자가 고체 표면에 화학 흡착되어 결합이 약화됨으로써 활성화 에너지를 대폭 낮춘 뒤 표면에서 새로운 분자로 전환되고, 약해진 결합력을 틈타 탈착되어 활성 자리를 비워줌으로써 반응 속도를 극대화하는 정교한 계면 화학 원리랍니다.

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