Physico-chemical effects of cerium oxide on catalytic activity of CeO2-TiO2 prepared by sol-gel method for NH3-SCR

The effects of $CeO_2$ on catalytic activity of $CeO_2-TiO_2$ for the selective catalytic reduction (SCR) of $NO_x$ were investigated in terms of structural, morphological, and physico-chemical analyseis. $CeO_2-TiO_2$ catalysts were synthesized with three different additions, 10, 20, and 30 wt% of $CeO_2$, by the sol-gel method. The XRD peaks of all specimens were assigned to a $TiO_2$ phase (anatase) and the peaks became broader with the addition of $CeO_2$ because it was dispersed as an amorphous phase on the surface of $TiO_2$ particles. The specific surface area of $TiO_2$ increased with the addition of $CeO_2$ from $60.6306m^2/g$ to $116.2791m^2/g$ due to suppression of $TiO_2$ grain growth by $CeO_2$. The 30 wt% $CeO_2-TiO_2$ catalyst, having the strongest catalytic acid sites ($Br{\Phi}nsted$ and Lewis), showed the highest $NO_x$ conversion efficiency of 98 % at $300^{\circ}C$ among the specimens. It was considered that $CeO_2$ contributes to the improvement of the $NO_x$ conversion of $CeO_2-TiO_2$ catalyst by increasing specific surface area and catalytic acid sites.

CeO2가 졸겔법으로 합성한 CeO2-TiO2계 SCR용 촉매의 활성에 미치는 물리화학적 영향

$CeO_2$의 첨가가 $CeO_2-TiO_2$계 SCR촉매 활성에 미치는 영향을 구조적, 형상학적, 물리화학적 분석을 통해 규명하였다. 순수한 $TiO_2$ 분말과 10, 20, 30 wt%의 $CeO_2$를 첨가한 $CeO_2-TiO_2$ 분말을 졸겔법으로 합성한 결과, 분말 모두 $TiO_2$의 아나타제 (anatase)상을 나타내었고 $CeO_2$를 첨가할수록 $TiO_2$ 표면에 결정성이 낮은 $CeO_2$가 분산되어 피크강도가 낮아짐을 확인하였다. 순수한 $TiO_2$의 비표면적이 $60.6306m^2/g$인데 반해 $CeO_2-TiO_2$의 비표면적은 30 wt%의 $CeO_2$를 첨가한 경우 $116.2791m^2/g$으로 비표면적이 증가하였고 따라서 첨가된 $CeO_2$가 $TiO_2$의 응집을 억제한 것으로 예상된다. $NO_x$ 제거효율은 30 wt% $CeO_2-TiO_2$ 촉매가 $300^{\circ}C$에서 98 %로 다른 분말보다 높은 효율을 나타내는데 이는 FT-IR을 이용하여 촉매의 산점 변화를 확인한 결과 30 wt% $CeO_2-TiO_2$ 분말의 경우가 다른 분말들에 비해 산점이 상대적으로 많았기 때문이다. 따라서 졸겔법으로 합성한 SCR용 $CeO_2-TiO_2$계 촉매에서 $CeO_2$의 첨가는 $TiO_2$의 입성장을 억제하여 비표면적을 증가시키고 $Br{\Phi}nsted$ 및 Lewis 산점을 증가시킴으로써 촉매 효율을 향상시켰다고 판단된다.