포도당을 수열 처리하여 제조한 하이드로차(hydrochar)와 멜라민의 화학적 활성화 방법을 통해 질소가 도핑된 다공성 탄소(CNₓ)를 제조하고, 이후 팔라듐 담지를 통하여 Pd/CNₓ 촉매를 제조하였다. 제조한 촉매를 이용하여 수소와 산소로부터 과산화수소 직접 제조 반응을 수행하였으며, 질소 도핑이 촉매 활성에 미치는 영향을 평가하였다. 적정 수준의 질소가 도핑될 경우, 탄소체의 비표면적이 증가하고 팔라듐 전구체와의 강한 흡착이 가능한 pyridinic/pyrrolic N 흡착점의 분포가 증가하였다. 이로 인해 담지된 Pd 나노입자의 분산도가 향상되었으며, 매우 작은 크기의 나노입자가 형성되었다. Pd/CNₓ 촉매를 이용한 과산화수소 직접 제조반응 결과, Pd/CN0.8 촉매가 가장 우수한 활성을 나타내었으며, H₂ 전환율 39%에서 과산화수소 선택도 91%와 7056 mmol H2O2/gPd·h의 생산성을 얻을 수 있었다. 반면 Pd/CN1.4와 Pd/CN8.5의 경우에는 과산화수소의 수소화 및 분해 반응이 가속화됨에 따라 과산화수소 선택도와 생산성이 급격히 감소하였다. 이러한 결과는 Pd/CNₓ 촉매를 이용한 DSHP 반응에서 높은 과산화수소 선택도와 생산성을 달성하기 위해서는 최적량의 질소 도핑이 중요하다는 것을 시사한다.

Nitrogen-doped porous carbons (CNx) were prepared from glucose-derived hydrochar via hydrothermal treatment followed by chemical activation with melamine, and then used as supports for Pd catalysts (Pd/CNx, where x denotes the N content in wt%) for the direct synthesis of H2O2 from H2 and O2 (DSHP). Optimal N doping played an important role in increasing the surface area and the density of pyridinic/pyrrolic sites in CNx, thereby improving Pd dispersion and reducing the mean Pd nanoparticle size. Among the Pd/CNx catalysts tested, Pd/CN0.8 exhibited the best performance, achieving 91% H2O2 selectivity and a productivity of 7056 mmol H2O2/gPd·h at 39% H2 conversion. In contrast, Pd/CN1.4 and Pd/CN8.5 showed sharply decreased H2O2 selectivity and productivity due to accelerated H2O2 hydrogenation and decomposition over these catalysts. These results clearly demonstrate the importance of an optimal N-doping level for achieving high H2O2 selectivity and productivity in the DSHP reaction over Pd/CNx catalysts.

direct synthesis of H2O2 N-doped carbon chemical activation supported Pd catalyst