MgO 분말에 흡착된 메탄 개스 분자의 열역학적 특성 연구

Abstract

표면개스흡착 연구는 다양한 흡착제(MgO 포함)로 물리적/화학적 현상 이해하는데 사용되며 표면 위의 개스 분자의 기초적 메카니즘을 공부하는 데에 있어 중요한 정보를 제공한다. 일반적인 MgO 분말의 표면에는 물, 수산화물이나 이산화탄소가 있어 금속산화물표면위에 개스 분자가 상호작용이 일어나는 것을 방해한다. 본 논문에서는 MgO 분말시료를 이용하여 개스 분자가 금속산화물 시료표면에 흡착할 때 원자 층을 방해하는 요소를 제거함으로써 흡착실험에 앞서 실험실에서 가능한 표면청정법을 제공하고자 하였다. MgO particle들은 cubic 모양으로써 공기 중에서 RF induction으로 연소하여 만들었다. MgO(100) 분말의 매탄 흡착연구에서 가열처리(baking)조건을 달리하여 실험하였다. 분말 중 한 종류는 일주일간 공기 중에 노출시켜놓았고 다른 종류는 10^(-6)Torr 진공상태에서 750℃에서 48시간 동안 열처리시킨 후 공기와 차단시켜놓았다. 약 77K(LN₂ 사용) 온도에서 메탄 흡착을 측정하였다. 진공중에서 열처리한 시료는 등온흡착곡선이 더 잘 보였으며 이는 깨끗한 표면이 되었다는 것을 알 수 있었다. 이 후, 70 ∼ 86K에서의 MgO(100)에서의 메탄의 흡착등온곡선을 측정함으로써 원자층형성을 통해 개스 분자와 시료표면간의 상호작용을 측정하였던 바, 3∼ 4 layer들이 형성되는 것을 관찰하였다. 이로부터 이차원 압축률(K_(2D))과 흡착열(Q_(st))을 계산하여 MgO 분말위에 형성되는 메탄개스 원자층 형성을 확인할 수 있었다.; Studies of surface gas adsorption are useful because knowledge of the physical/chemical phenomena occurring on various adsorbents, including MgO, is expected to provide important information to study the fine mechanisms of gas molecules on surface. In this thesis, effects of surface cleaning of metal oxide powder samples were investigated. Although surface protecting gases, such as water, hydroxylates and carbon dioxide(CO₂) are known to inhibit the interaction of gas molecules on metal oxide surfaces, no systematic investigations have been made on the methods of removing the protecting atomic layers. Cubic shapes of MgO particles were synthesized by using a combustion method with a RF induction in air and the functions and the species of protecting layers were investigated by using methane-adsorption isotherms. The methane adsorption studies on MgO(100) powders were carried out under different heat treatment conditions: a set of pure powders that had been exposed for weeks in air after preparation, and another set of heat treated powders that had been kept in a vacuum lower than 10^(-6)Torr at 750Å for 48hours and never in contacted with air since then. After that methane isotherms measured below 77K coherently revealed that the heat treat samples showed additional isotherm steps, indicating an existence of the clean surface. The layering properties of methane on MgO (100) were measured between 77 K and 86 K using adsorption isotherms. The results demonstrate that at least 3∼4 layers are formed. Calculated values of 2-dimensional compressibility and isosteric heat of adsorption support that the interaction of CH4 molecules exist with MgO powders. This data are expected to provide key information for defining current methane-MgO interaction potentials.