화공기사 촉매 활성도 — 촉매 역할·평형·불균일 반응

촉매는 반응물과 생성물의 에너지 준위를 바꾸지 않고 활성화에너지를 낮추어 반응 속도를 증가시키는 역할을 한다. 따라서 촉매는 정반응과 역반응의 속도를 모두 증가시켜 평형에 더 빨리 도달하게 하지만, 평형상수(K) 자체는 변화시키지 못한다. 평형상수는 온도 등의 열역학적 조건에 의해 결정되는 상태 함수이므로 촉매의 설계 인자로 고려할 필요가 없다.

촉매 반응은 촉매와 반응물이 같은 상에 있느냐 다른 상에 있느냐로 균일계와 불균일계로 구분한다. 균일계는 촉매와 반응물이 동일 상에 존재하므로 계면이나 확산저항, 흡착 과정이 주요 변수가 되지 않는다. 반면 불균일계는 촉매와 반응물이 서로 다른 상에 있어 계면, 확산, 흡착이 반응속도를 결정하는 중요한 인자가 된다.

고체촉매를 사용하는 반응에서는 반응물이 촉매 입자 외부에서 내부로 이동하고 표면에서 흡착·반응·탈착을 거쳐 생성물이 외부로 나가는 일련의 물질이동 과정이 존재한다. 고체촉매 반응의 전형적 순서는 외부확산→내부확산→흡착→표면반응→탈착→내부확산→외부확산의 7단계 흐름을 따른다. 이 흐름은 산업적 촉매 설계에서 전달저항과 표면 반응의 구분을 가능하게 한다.

촉매의 담체(carrier)는 활성 성분을 지지하여 분산시키고 열적 안정성과 기계적 강도를 제공하는 역할을 한다. 담체는 자체로 촉매 활성을 나타내지 않는 것이 일반적이며, 분산도 향상과 구조 안정화를 통해 촉매의 성능과 수명을 유지하거나 향상시키는 역할을 한다.