Synteza porowatych nośników CeO2-ZrO2 do depozycji fazy CuO katalitycznie aktywnej w całkowitym utlenieniu lotnych związków organicznych

Abstract

Zanieczyszczenie powietrza jest alarmującym problemem, który powoduje katastrofalne skutki związane z pogorszeniem się stanu zdrowia organizmów żywych i pojawianiem efektu globalnego ocieplenia. Jednym z głównych zanieczyszczeń gazowych są lotne związki organiczne (LZO), w tym węglowodory aromatyczne o właściwościach mutagennych i rakotwórczych. Zanieczyszczenia te mogą być skutecznie eliminowane przez katalityczne dopalanie do bardziej przyjaznych dla środowiska związków - CO2 i H2O. Kluczowe znaczenie posiada jednak opracowanie odpowiednio aktywnych, selektywnych i stabilnych katalizatorów tego procesu. Ostatnio uwagę zwrócono na tlenki metali przejściowych, które są znacznie tańsze i wykazują większą odporność na zatruwanie od metali szlachetnych. Na przykład, materiały na bazie tlenku ceru oferują atrakcyjne właściwości, takie jak wysoka zdolność magazynowania tlenu i mobilność wakancji tlenowych, które można zwiększyć poprzez domieszkowanie innymi pierwiastkami (np. cyrkonem). Wprowadzony dodatek może poprawić stabilność i odporność termiczną katalizatora na bazie tlenku ceru.W niniejszej pracy zsyntezowano mieszane tlenki ceru i tlenku cyrkonu o różnych składach CexZr1-xO2 (x = 0, 0,25, 0,50, 0,75, 1), a następnie zastosowano je jako nośniki fazy CuO, która silnie promuje aktywność katalityczną w całkowitym utlenianiu LZO. Pierwsza część badań koncentrowała się na optymalizacji parametrów syntezy nośników, takich jak czas mieszania i obróbki hydrotermicznej, aby określić, czy jest możliwe skrócenie ścieżki syntezy przy zachowaniu odpowiednich właściwości otrzymanych materiałów. Następnie zbadano przydatność użycia szablonów jonowych CTAB i niejonowych P123 w syntezie nośników. Do uzyskania wysokiej dyspersji fazy aktywnej katalitycznie o poprawionym oddziaływaniu z nośnikiem wykorzystano metodę jej osadzania na drodze strącania amoniakiem w roztworze wodnym. Do charakterystyki zsyntezowanych materiałów zastosowano termograwimetrię, adsorpcję N2, proszkową dyfrakcję rentgenowską, skaningową mikroskopię elektronową, spektroskopię Ramana, UV-Vis-DRS, fluorescencję rentgenowską z dyspersją energii oraz spektrometrię mas sprzężoną z plazmą wzbudzaną indukcyjnie. Ponadto, do zdefiniowania właściwości redoksowych próbek zawierających Cu zastosowano programowaną-temperaturowo redukcję wodorem. Testy katalityczne w dopalaniu toluenu wykazały, że CuO osadzony na nośniku Ce0.75Zr0.25O2 wykazał największą aktywność katalityczną spośród wszystkich testowanych materiałów, osiągając 90% konwersji toluenu w temperaturze 313 ºC.The air pollution is an alarming problem which causes devastating implications as it contributes to deterioration of health of living organisms and global warming. One of the major gaseous pollutants are volatile organic compounds (VOCs), including aromatic hydrocarbons with mutagenic and carcinogenic properties. These impurities can be effectively eliminated by the catalytic combustion to more environmentally friendly CO2 and H2O. For this purpose, developing active, selective and stable catalysts is, however, a crucial point. Recently, attention has been paid on transition metal oxides, which are much cheaper and show higher resistance to poisoning than precious metals. For instance, ceria-based materials offer well-developed properties such as high oxygen storage capacity and mobility of the oxygen vacancies which can be enhanced by doping with other elements (e.g. zirconium). The introduced dopant can additionally improve stability and thermal resistance of the ceria-based catalyst.In this thesis ceria-zirconia mixed oxides with various CexZr1-xO2 compositions (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1) were synthesized and subsequently used as supports of a CuO phase, which highly promotes catalytic activity in the total oxidation of VOCs. The first part of this research was concentrated on optimization of supports’ synthesis parameters, such as stirring and hydrothermal treatment time, to study if the preparation route can be shortened while maintaining good characteristics of the resulting materials. Subsequently, usefulness of ionic CTAB and non-ionic P123 templates in the supports’ synthesis was examined. The ammonia driven precipitation deposition method in an aqueous solution was used as an adequate procedure to obtain high dispersion of catalytic active phase with enhanced interactions with the support. For the characterization of the synthesized materials, thermogravimetry, N2 adsorption, X-ray powder diffraction, scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, UV-Vis-DRS, energy dispersive X-ray fluorescence and inductively coupled plasma – mass spectroscopy were implemented. Furthermore, temperature-programmed reduction with hydrogen was used to study the redox behavior of the Cu-loaded samples. Catalytic tests in the toluene combustion revealed that CuO deposited on the Ce0.75Zr0.25O2 support showed the best catalytic performance among all tested materials with 90% of toluene conversion reached at 313 ºC