Abstract
Catalytic wet oxidation of ppm levels of trichloroethylene (TCE) in water has been conducted using $TiO_2$-supported cobalt oxides at a given temperature and weight hourly space velocity. 5% $CoO_x/TiO_2$ might be the most promising catalyst for the wet oxidation at $36^{\circ}C$ although it exhibited a transient behavior in time on-stream activity. Not only could the bare support be inactive for the wet decomposition reaction, but no TCE removal also occurred by the process of adsorption on $TiO_2$ surface. The catalytic activity was independent of all particle sizes used, thereby representing no mass transfer limitation in intraparticle diffusion. Characterization of the $CoO_x$ catalyst by acquiring XPS spectra of both fresh and used Co surfaces gave different surface spectral features of each $CoO_x$. Co $2p_{3/2}$ binding energy of Co species exposed predominantly onto the outermost surface of the fresh catalyst appeared at 781.3 eV, which is very similar to the chemical states of $CoTiO_x$ such as $Co_2TiO_4$ and $CoTiO_3$. The spent catalyst possessed a 780.3 eV main peak with a satellite structure at 795.8 eV. Based on XPS spectra of reference Co compound, the TCE-exposed Co surfaces could be assigned to be in the form of mainly $Co_3O_4$. XRD measurements indicated that the phase structure of Co species in 5% $CoO_x/TiO_2$ catalyst even before reaction is quite comparable to the diffraction lines of external $Co_3O_4$ standard. A model structure of $CoO_x$ present on titania surfaces would be $Co_3O_4$, encapsulated in thin-film $CoTiO_x$ species consisting of $Co_2TiO_4$ and $CoTiO_3$, which may be active for the decomposition of TCE in a flow of water.
불균일 $CoO_x/TiO_2$ 촉매가 충진된 연속 흐름식 고정층 반응기 내에서 ppm 수준으로 수중에 존재하는 trichloroethylene (TCE) 제거반응을 수행하였으며, 가장 우수한 반응활성을 갖는 촉매의 결정구조와 표면화학적 특성을 분석함으로써 반응시간에 따라 분해활성이 전이영역을 보이는 원인을 규명하고자 하였다. $36^{\circ}C$의 반응온도에서 모델반응의 내부확산저항은 없었으며, $TiO_2$ 표면에 흡착에 의한 액상 TCE 제거정도는 무시할 수 있었다. 5% $CoO_x/TiO_2$ 촉매는 본 대상반응에 대하여 가장 우수한 활성을 갖는 것으로 나타났으며, 반응시간의 경과정도에 따라 TCE 분해효율이 점진적으로 증가하여 안정화되는 전이영역의 존재를 확인할 수 있었다. 반응 전 5% $CoO_x$ 촉매에 대한 XRD 패턴에서 담지체로 사용된 $TiO_2$에 의한 피크들 외에 새로운 피크가 관찰되었고, 5시간 이상 동안 반응한 후에 건조된 촉매의 경우에도 반응 전 촉매의 XRD 피크와 매우 유사하였다. $Co_3O_4$의 XRD 패턴들과 대조한 결과, 5% $CoO_x$ 촉매상에서 Co 화합물에 의해 야기되는 XRD 피크들은 $Co_3O_4$에 의한 것임을 알 수 있었다. 반응물에 노출되지 않은 5% $CoO_x/TiO_2$ 촉매에 대한 XPS 측정은 797.1 eV에서 Co $2p_{1/2}$에 대한 주피크와 함께 781.3 eV에서 Co $2p_{3/2}$에 대한 주피크가 관찰되어졌다. 반응 후 촉매의 경우에는 Co $2p_{3/2}$ 및 Co $2p_{1/2}$의 binding energy들은 각각 780.3과 795.8 eV에서 나타났다. 반응 전 후 촉매상에서 Co $2p_{3/2}$의 binding energy 차이는 1.0 eV이고, Co $2p_{1/2}$의 binding energy 차이는 1.3 eV이다. 표준 $Co_3O_4$에 대한 XPS 측정결과, 반응 후 촉매상에 존재하는 $CoO_x$는 $Co_3O_4$로 존재하고, 반응 전의 경우에는 이와는 다른 chemical state를 보여주었다. XRD 및 XPS 결과를 바탕으로, 촉매표면에 존재하는 $Co_3O_4$의 외부표면이 $Co_2TiO_4$와 $CoTiO_3$ 같은 $CoTiO_x$로 encapsulation되어 있는 모델구조를 제안할 수 있고, 이는 반응시간의 함수로 나타나는 촉매활성에 있어서 전이영역의 존재를 잘 설명할 수 있을 뿐만 아니라, XRD와 XPS에서 얻어진 촉매의 물리화학적인 특성을 잘 반영할 수 있다.