메뉴 건너뛰기
.. 내서재 .. 알림
소속 기관/학교 인증
인증하면 논문, 학술자료 등을  무료로 열람할 수 있어요.
한국대학교, 누리자동차, 시립도서관 등 나의 기관을 확인해보세요
(국내 대학 90% 이상 구독 중)
로그인 회원가입 고객센터 ENG
주제분류

추천
검색

논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

서성만 (안동대학교, 안동대학교 대학원)

지도교수
임우택
발행연도
2013
저작권
안동대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

표지
AI에게 요청하기
추천
검색

이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

오류제보하기
전이금속 이온으로 교환된 제올라이트는 공업 공정에서 불균일 촉매로 잘 규명되어져 있으며, 계속적으로 연구가 이루어지고 있다. 다양한 제올라이트 내에 점유하고 있는 전이금속 이온의 위치는 이들의 촉매적 특성을 이해하는데 큰 흥미가 있다. 다양한 제올라이트 종들사이에서 제올라이트 Y는 이들의 산적, 열적 안정성과 이들의 열린 3차원 골격으로 인하여 선택되어진다.
완전하게 탈수되고 대부분 Cu2+ 이온으로 교환된 제올라이트 Y의 두 개의 단결정(결정 1 및 2)은 Na75-Y ((|Na75|[Si117Al75O384]-FAU, Si/Al = 1.56) 단결정을 pH 4.2의 0.05 M Cu(NO3)2 수용액으로 294 K 온도에서 18 및 24시간동안 이온교환시킨 후 673 K의 온도에서 1 × 10-6 Torr 압력으로 진공탈수하여 준비하였다. |Cu32.6Na5.3H4.5|[Si117Al75O384]-FAU (결정 1) 및 |Cu33.0Na3.9H5.1|[Si117Al75O384]-FAU (결정 2) 결정구조는 방사광 X-선 회절기법으로 Fd m의 큐빅 공간군으로 결정하였으며, 최종 에러값은 R1/wR2가 0.050/0.165 및 0.050/0.163으로 정밀화되었다. Cu2+ 이온들은 6-ring 사이트인 I’과 II를 점유하고 있었으며, 사이트 I’을 선호하였다. Na+ 이온들 또한 사이트 I’ 및 II에서 발견되어졌으며, 다른 사이트에서는 이온이 발견되지 않았다. 두 개의 결정구조에서 모든 Cu2+ 이온들은 planar severely distorted-square 4-coordination으로 6-ring의 삼방정계 배치 뿐만 아니라, 6-ring의 4번째 산소 원자와 결합하고 있었다. 이 결과는 Pierloot et al. 및 Berthomieu et al.에 의한 DFT calculations 결과와 일치하였다. Cu2+ 이온으로 교환시간이 증가함에 따라, 제올라이트의 Cu2+ 및 H+ 이온의 함량이 증가하는 반면에 Na+ 이온의 함량과 단위세포 상수는 감소하였다.
완전하게 탈수 (결정 3, |Ni29.7(Ni4AlO4)1.1H12.3|[Si117Al75O384]-FAU) 및 부분적으로 탈수된 (결정 4, |Ni14.1(NiOH2)16.4(Ni4AlO4)1.1(H3O)9.6|[Si117Al75O384]-FAU) pH 4.9의 Ni2+ 수용액으로 교환된 제올라이트 Y의 결정구조는 단결정 방사광 X-선 회절기법으로 Fd m의 큐빅 공간군으로 결정하였으며, 최종 에러값은 R1/wR2가 0.044/0.115 및 0.052/0.153으로 정밀화되었다. 제올라이트 골격의 dealumination이 이온교환과정 중에 발생되었다. 완전하게 탈수된 단결정의 구조에서는 Ni2+ 이온들이 주로 사이트 I과 II을 점유하였으며, 추가의 사이트 I’, II’ 및 두 번째의 사이트 II에서 발견되어졌다. 부분적으로 탈수된 단결정의 구조에서는 Ni2+ 이온들이 6군데의 다른 사이트인 사이트 I, I’, 두 번째 사이트 I’, II, 두 번째 사이트 II 및 사이트 III’에 위치하고 있었다. Ni2+ 교환 용액의 낮은 pH로 인하여, 부분적으로 탈수된 Ni2+-Y 내에서 H3O+ 이온이 발견되어졌으며, 이에 상응하는 H+ 이온이 완전하게 탈수된 Ni2+-Y의 전하균형을 위하여 요구되어졌다. 물 분자와 orthoaluminate 내의 비골격산소 원자는 Ni2+ 이온들과 결합하고 있었다. 완전한 탈수 하에, 상당한 Ni2+ 이온이 사이트 I’으로부터 사이트 I으로의 이동이 관찰되어졌다. 이전에 보고된 pH 6.2 수용액에서 환경과는 다르게, 가수분해된 Ni2+ 이온들 (NiOH+, Ni2OH3+, Ni4(OH)44+)의 제올라이트 내 이온교환은 나타나지 않았다.
완전하게 탈수 (결정 5) 및 부분적으로 탈수된 (결정 6) pH 5.1의 Co2+ 수용액으로 교환된 제올라이트 Y의 결정구조는 단결정 방사광 X-선 회절기법으로 Fd m의 큐빅 공간군으로 결정하였으며, 최종 에러값은 R1/wR2가 0.046/0.120 및 0.062/0.191으로 정밀화되었다. 두 단결정의 단위세포당 분자식은 거의 (정확하게) |Co31Na8H5|[Si117Al75O384]-FAU 및 |Co30.5Na6(H3O)4(H2O)4H4|[Si117Al75O384]-FAU으로 확인되었다. 완전하게 탈수된 단결정의 구조에서는 Co2+ 이온들은 사이트 I, I’ 및 II에서 발견되어졌으며, Na+ 이온들은 사이트 II에서 발견되어졌다. 부분적으로 탈수된 단결정의 구조에서는 Co2+ 이온들이 사이트 I’, II’, II, 그리고 사이트 III’에 위치하고 있었으며, 잔여 Na+ 이온들은 사이트 I’에서 발견되어졌다. 부분적으로 탈수된 Co2+-Y 내에서 H3O+ 이온이 발견되어 졌으며, 전하균형을 위하여 두 개의 결정에서 H+ 이온이 요구되어졌다. 완전한 탈수 하에 Co2+ 이온들은 hexagonal prism 안으로 이동하였으며, Na+ 이온들은 sodalite cavity에서 supercage로 이동하였다. 본 결과에서 찾은 H+ 및 H3O+ 이온들 대신에 pH 6-7의 Co2+ 수용액으로 교환된 제올라이트 X에서는 OH- 이온들을 함유하는 것으로 보고되어졌다.
과도한 양의 Cd2+ 이온으로 교환된 제올라이트 Y의 세 개의 단결정은 Na75-Y ((|Na75|[Si117Al75O384]-FAU, Si/Al = 1.56) 단결정을 0.025 M Cd(NO3)2와 0.025 M Cd(C2H3O2)2으로 혼합된 수용액으로 294 K (crystal 7 및 8) 및 353 K (crystal 9)의 온도에 이온교환시킨 후 1 × 10-6 Torr 압력에서 423 K (crystal 7) 및 723 K (crystal 8 및 9)의 온도에서 진공탈수하여 준비하였다. 세 개의 단결정 구조는 단결정 방사광 X-선 회절기법으로 Fd m의 큐빅 공간군으로 결정하였으며, 최종 에러값은 R1/wR2가 0.0498/0.1395, 0.0702/0.1960 및 0.0643/0.1747으로 (crystal 7, 8, 그리고 9) 정밀화되었다. 세 개의 결정구조에서 Cd2+, H2O, OH-, 그리고 O2- 이온 혹은 분자들의 수는 결정 7에서는 단위세포당 43.5, 23, 12, 0, 결정 8에서는 단위세포당 43.5, 0, 0, 6, 결정 9에서는 47.5, 0, 0, 10으로 관찰되어졌다. 모든 결정의 경우에, OH- 이온의 상승으로 과도한 교환이 발생되었다. 결정 7과 8에서는 단위세포당 약 6개의 Cd(OH)2 분자들이 (CdOH+ 이온으로) 도입되었으며, 결정 9에서는 10개의 분자들이 도입되었다. 이로부터 이온교환의 온도가 294 K에서 353 K로 증가함에 따라 imbibition의 정도가 증가하는 것을 확인하였다. 이들은 723 K 온도의 진공탈수 하에 분해되어져 추가적인 Cd2+ 이온들과 함께 결정 8 및 9의 sodalite cavity에서 Cd8O48+ cluster (symmetry 3m(Td))가 합성되어졌다. 세 개의 단결정 조성은 |Cd8.5(CdOH)12(CdOH2)23|[Si117Al75O384]-FAU (결정 7), |Cd31.5(Cd8O4)1.5|[Si117Al75O384]-FAU (결정 8), 및 |Cd27.5(Cd8O4)2.5|[Si117Al75O384]-FAU (결정 9)으로 확인되어졌다.
Mn2+ 이온으로 교환시킨 후 723 K의 온도 및 1 × 10-6 Torr 압력에서 탈수된 제올라이트 Y는, 결정 10 (FAU, Si/Al = 1.56), 단결정 X-선 회절기법으로 294 K의 온도에서 Fd m의 큐빅 공간군으로 결정하였으며, 최종 에러값은 R1/wR2가 0.0508/0.1468으로 정밀화되었다. 단위세포당 약 37.5개의 Mn2+ 이온은 결정학적으로 4군데의 다른 사이트에서 발견되어졌다. 11개의 Mn2+ 이온은 double 6-ring 한가운데의 사이트 I에서, 6.5 및 3개의 Mn2+ 이온들은 세 개의 O(3) 및 O(2) 산소 평면으로부터 sodalite cavity 안으로 약 1.32 및 0.64 ? 만큼 들여져 있었다. 남은 17개의 Mn2+ 이온들은 supercage 내의 사이트 II에서 발견되어졌다. 사이트 III 및 III’에서는 이온이 발견되지 않았다. 결정 10과 동일한 방법으로 합성된 두번째 결정 (결정 11)의 구조 결정은 재현성을 확인하고자 하였으며, 두 개의 결정구조를 통하여 유기 화합물 흡착 실험을 위한 좋은 후보물질임을 확인하였다.
Na71-Y ((|Na71|[Si121Al71O384]-FAU, Si/Al = 1.70) 단결정을 이용하여 완전하게 Zn2+ 이온으로 교환된 제올라이트 Y는 294 K의 온도에서 정적인 이온교환방법을 이용하여 수용액으로부터 이온교환시킨 후 673 K의 온도에서 진공탈수하여 준비하였다. Zn2+ 이온으로 교환된 제올라이트 Y의 단결정 구조 (결정 12, |Zn35.5|[Si121Al71O384]-FAU)는 단결정 X-선 회절기법으로 294 K의 온도에서 Fd m의 큐빅 공간군으로 결정하였으며, 최종 에러값은 R1/wR2가 0.0448/0.1545으로 정밀화되었다. 뿐만 아니라, SEM-EDX 분석을 통하여 단결정의 원자 구성비와 결정학적 연구가 일치하는 것을 확인하였다. 단위세포당 약 35.5개의 Zn2+ 이온이 결정학적으로 6군데의 위치에서 발견되어졌다. 단위세포당 0.5개의 Zn2+ 이온은 사이트 I에서, 14 및 3개의 Zn2+ 이온들은 두 개의 다른 사이트 I’ 위치에서, 6개의 Zn2+ 이온들은 사이트 II’에서, 남은 7개와 5개의 Zn2+은 두 개의 다른 사이트 II에서 발견되어졌다. 두 개의 다른 Zn2+ 이온의 위치는 Si/Al 비에 따른 사면체 자리 내의 Si-Al 배열로 발생하는 다른 종류의 6-ring (3Si3Al, 4Si2Al 및 5Si1Al)의 결과인 것으로 확인되어졌다.
이상의 본 연구 결과들은 각종 촉매반응에 매우 중요하게 사용되어지는 전이금속 이온으로 교환된 제올라이트 Y 촉매의 촉매 활성화 자리에 대한 정확한 규명으로 다양한 촉매반응에 적합한 최적의 촉매제조 및 다양한 촉매반응의 촉매로의 응용에 매우 중요한 기초자료가 될 것으로 사료된다.

목차

I. INTRODUCTION 1
1.1. History of Zeolites 1
1.2. Uses of Zeolites 3
1.2.1. Zeolites as Ion Exchangers 3
1.2.2. Zeolites as Adsorbents 5
1.2.3. Zeolites as Catalysts 5
1.2.4. Zeolites as Dehydrating Agents 9
1.3. Synthesis of Zeolites 9
1.4. Structures of Zeolite Y (FAU) 11
1.5. Crystallographic Study of Zeolites X and Y (FAU) 18
1.6. Background and Objectives 22
1.6.1. Cu2+-exchanged Zeolite Y 23
1.6.2. Ni2+-exchanged Zeolite Y 26
1.6.3. Co2+-exchanged Zeolite Y 30
1.6.4. Cd2+-exchanged Zeolite Y 32
1.6.5. Zn2+-exchanged Zeolite Y 34
1.6.6. Objectives 35
II. EXPERIMENTS 38
2.1. Synthesis of Large Single Crystals of Zeolite Y (Si/Al = 1.56 and 1.70) 38
2.2. Preparation of Cu2+-exchanged Zeolite Y 40
2.3. Preparation of Ni2+-exchanged Zeolite Y 43
2.4. Preparation of Co2+-exchanged Zeolite Y 43
2.5. Preparation of Cd2+-exchanged Zeolite Y 44
2.6. Preparation of Mn2+-exchanged Zeolite Y 45
2.7. Preparation of Zn2+-exchanged Zeolite Y 46
2.8. X-ray Diffraction 47
2.9. SEM-EDX Analysis 47
2.9.1. Mn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 10 and 11) 47
2.9.2. Zn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 12 and 13) 54
III. STRUCTURE DETERMINATIONS 58
3.1. Reduction of Raw Data 58
3.2. Structure Determination and Refinements 60
3.3. Cu2+-exchanged Zeolite Y (crystals 1 and 2) 62
3.3.1. Consideration Unique to O(2) 63
3.3.2. Consideration Unique to O(4) 70
3.3.3. Consideration Unique to O(3) 70
3.3.4. Remaining Considerations 70
3.4. Ni2+-exchanged Zeolite Y (crystals 3 and 4) 72
3.5. Co2+-exchanged Zeolite Y (crystals 5 and 6) 72
3.6. Cd2+-exchanged Zeolite Y (crystals 7, 8, and 9) 79
3.7. Mn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 10 and 11) 88
3.8. Zn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 12 and 13) 88
IV. DESCRIPTION OF THE STRUCTURES 98
4.1. Structures of Cu2+-exchanged Zeolite Y (crystals 1 and 2) 98
4.1.1. Crystal 1,
Cu32.6Na5.3H4.5
[Si117Al75O384]-FAU 98
4.1.2. Crystal 2,
Cu33.0Na3.9H5.1
[Si117Al75O384]-FAU 104
4.2. Structures of Ni2+-exchanged Zeolite Y (crystals 3 and 4) 105
4.2.1. Crystal 3,
Ni29.7(Ni4AlO4)1.1H12.3
[Si117Al75O384]-FAU 105
4.2.2. Crystal 4,
Ni14.1(NiOH2)16.4(Ni4AlO4)1.1(H3O)9.6
[Si117Al75O384]-FAU 108
4.3. Structures of Co2+-exchanged Zeolite Y (crystals 5 and 6) 114
4.3.1. Crystal 5,
Co31Na8H5
[Si117Al75O384]-FAU (approximate formula) 114
4.3.2. Crystal 6,
Co30.5Na6(H3O)4(H2O)4H4
[Si117Al75O384]-FAU (approximate formula) 117
4.4. Structures of Cd2+-exchanged Zeolite Y (crystals 7 to 9) 121
4.4.1. Crystal 7,
Cd8.5(CdOH)12(CdOH2)23
[Si117Al75O384]-FAU 121
4.4.2. Crystal 8,
Cd31.5(Cd8O4)1.5
[Si117Al75O384]-FAU 135
4.4.3. Crystal 9,
Cd27.5(Cd8O4)2.5
[Si117Al75O384]-FAU 138
4.5. Structures of Mn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 10 and 11) 138
4.6. Structures of Zn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 12 and 13) 139
V. DISCUSSION 151
5.1. Cu2+-exchanged Zeolite Y (crystals 1 and 2) 151
5.1.1. Pervasive Structural Disorder 151
5.1.2. Cu2+ Positions 153
5.1.3. Na+ Positions 155
5.1.4. H+ Content and H3O+ Exchange 155
5.1.5. Comparisons with DFT Calculations 156
5.2. Ni2+-exchanged Zeolite Y (crystals 3 and 4) 158
5.2.1. Ni2+ Positions in Crystal 3 158
5.2.2. Ni2+ Positions in Crystal 4 160
5.2.3. Nonframework Oxygen Atoms in Crystal 4 161
5.2.4. Dealumination 162
5.2.5. H+ Content and H3O+ Exchange 162
5.2.6. Framework Geometry 163
5.2.7. Effect of the pH of the Ni2+-exchange Solution 163
5.3. Co2+-exchanged Zeolite Y (crystals 5 and 6) 164
5.3.1. Dependence of Product on the pH of the Co2+-exchange Solution 164
5.3.2. Co2+ Positions 164
5.3.3. Na+ Positions 166
5.3.4. H3O+ 167
5.3.5. Framework Geometry 167
5.4. Cd2+-exchanged Zeolite Y (crystals 7 to 9) 167
5.5. Mn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 10 and 11) 172
5.6. Zn2+-exchanged Zeolite Y (crystals 12 and 13) 173
VI. CONCLUSION 178
REFERENCES 182
APPENDICES 196
A. Single-crystal Structures of Fully and Partially Dehydrated Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.56) Largely Co2+ Exchanged at pH 5.1 196
B. Three Single-crystal Structures of Cd2+-exchanged Zeolite Y (FAU). Cd(OH)2 Imbibition Increases with Increasing Ion Exchange Temperature 236
C. Location of Na+ Ions in Fully Dehydrated Na+-saturated Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.56) 247
D. Single-crystal Structures of Fully and Partially Dehydrated Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.56) Ni2+ Exchanged at a Low pH, 4.9 252
E. Crystallographic Verification that Copper(II) Coordinates to Four of the Oxygen Atoms of Zeolite 6-Rings. Two Single-crystal Structures of Fully Dehydrated, Largely Cu2+-exchanged Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.56) 265
F. Single-crystal Structure of Cd2+-exchanged Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.56),
Cd27.5(Cd8O4)2.5
[Si117Al75O384]-FAU 278
G. Preparation and Single-crystal Structure of Mesitylene Sorption Complex of Fully Dehydrated Fully Mn2+-exchanged Zeolite Y (FAU) 283
H. Benzene Sorption Complex of Fully Dehydrated Fully Mn2+-exchanged Zeolite Y (FAU) and Its Single-crystal Structure 291
I. Synthesis and Single-crystal Structures of Fully Dehydrated Fully Sr2+-exchanged Zeolite Y (FAU) and Its Benzene Sorption Complex,
Sr37.5
[Si117Al75O384]-FAU and
Sr37.5(C6H6)33(H2O)15
[Si117Al75O384]-FAU 302
J. Crystallinity of Large Single Crystals of FAU-type Zeolites with a Wide Range of Si/Al Ratios 315
K. Synthesis and Structural Refinement of Fully Dehydrated Fully Zn2+-exchanged Zeolite Y (FAU),
Zn35.5
[Si121Al71O384]-FAU 329
L. Synthesis of Single Crystalline Analcime and Its Single-crystal Structure,
Na0.94(H2O)
[Si2.06Al0.94O6]-ANA: Determination of Cations Sites, Water Positions, and Si/Al Ratios 340
M. Investigation of Distributions of Mn2+ Ions in Fully Dehydrated and Fully Mn2+-exchanged Zeolites Y,
Mn37.5
[Si117Al75O384]-FAU 346
N. Synthesis and Crystal Structure of Dehydrated, Deaminated, and Dealuminated Zeolite Y (FAU): Single-crystal Structure of
Na33H26(Al5O4)
[Si126Al66O384]-FAU 351
O. Single-crystal Structures of Highly NH4+-exchanged, Fully Deaminated, and Fully Tl+-exchanged Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.56), All Fully Dehydrated 361
P. Synthesis and Single-crystal Structures of Fully Dehydrated and Highly Proton-exchanged Zeolites Y,
H74Na1
[Si117Al75O384]-FAU and
H73Na2
[Si117Al75O384]-FAU 372
Q. Synthesis and Single-crystal Structure of Fully Dehydrated Fully Ca2+-excahnged Zeolite Y (FAU),
Ca35.5
[Si121Al71O384]-FAU 377
R. Synthesis of Fully Dehydrated Partially Cs+-exchanged Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.56),
Cs45Na30
[Si117Al75O384]-FAU and Its Single-crystal Structure 386
S. Single-crystal Structure of Fully Dehydrated and Largely NH4+-exchanged Zeolite Y (FAU, Si/Al = 1.70),
(NH4)60Na11
[Si121Al71O384]-FAU 395
SUPPLEMENTARY TABLES I ~ XIII 403
ABSTRACT 467

최근 본 자료

전체보기

댓글(0)

0