단일 철 이온 제올라이트의 아산화질소 활성화

이온 교환 제올라이트의 이종 화학종은 반응성 이해를 어렵게 한다. 특히 아산화질소(N₂O) 활성화 및 분해에 널리 사용되는 철 함유 제올라이트의 경우 더욱 그러하다. 본 연구는 소형 기공 제올라이트 SSZ-13 내 철 이온의 반응성 구조를 규명하고자 오페란도(operando) 확산 반사 UV-Vis, 적외선 분광법, 전자 상자성 공명 분광법을 결합하여 촉매의 다양한 구조적 특성에 대한 상호 보완적 민감도를 확인했다. 변조 여기(ME) 및 위상 감지(PSD) 기술을 접목하여 철 이온의 거동을 위치 선택적으로 추적했다. 이를 통해 산화 및 환원 반주기 동안 육원환 내 특정 철 이온(Fe₆MR²⁺ ↔ Fe₆MR³⁺–O⁻)의 산화환원 반응과 환원 반주기가 속도 결정 단계임을 밝혔다. 이러한 분광학 실험에서 나타난 PSD 응답은 Fe-SSZ-13의 N₂O 분해 활성에 대한 적합한 지표로 확인되었다. 합성 방법에 따른 철 화학종의 변화는 이러한 위치 선택적 산화환원 매개 메커니즘을 수행하는 철 이온의 능력에 영향을 미쳤다. 육원환 내 단일 철 자리(Fe₆MR)의 산화환원 동역학(107 ± 11 kJ mol⁻¹)과 N₂O 분해 반응 속도(113.6 ± 16 kJ mol⁻¹) 간의 직접적인 상관관계를 통해, Fe-SSZ-13의 전체 반응성이 이 특정 철 이온에 기인함을 명확히 규명하였다. 본 연구 결과는 이종 촉매 시스템의 반응성 메커니즘을 심층적으로 이해하는 데 기여하며, N₂O 분해 촉매 설계 및 최적화에 중요한 통찰력을 제공한다.