Study CO oxidation, Hysteresis behavior, and CO2 adsorption on mesoporous silica supported metal nano catalyst

QC 2024-08-30

Abstract

Under de senaste decennierna har mesoporöst kisel uppstått som ett nytt material med intressanta fysikaliska och kemiska egenskaper, såsom hög yta-till-volym-förhållande, stabilitet och möjligheten till ytterligare funktionalisering av ytan, bland annat. Mesoporöst kisel ger en möjlighet att förbättra konventionella kommersiella katalystbärare och adsorbenter på grund av dess kostnadseffektiva syntes. Inom detta forskningsområde har undersökningar av olika material framställda med olika tekniker som potentiella bärare rapporterats. Det primära målet med studierna var att producera högstabila mesoporösa material för energi- och miljöapplikationer med hjälp av enkel och kostnadseffektiv syntes.

                 I denna avhandling använde vi sol-gel och självtemplateringsprocesser för att syntetisera tre typer av högporösa kiselnanomaterial, huvudsakligen aerogeler (SiO2 AG), xerogeler (SiO2 XG) och nanoskikt (SiO2 NS). SiO2 AG och SiO2 XG syntetiserades med hjälp av sol-gelmetoden, medan SiO2 NS syntetiserades med hjälp av den mjuka templaterings hydrotermiska tekniken. SiO2 AG, SiO2 XG och SiO2 NS utforskades som katalysatorbärare för kolmonoxid (CO) oxidation vid låga temperaturer och jämfördes med kommersiell Fumed Silica. De syntetiserade materialen undersöktes som metallbärarmaterial (M/SiO2) för miljöapplikationer såsom CO-oxidation och koldioxid (CO2) adsorption. Morfologin hos de syntetiserade materialen undersöktes experimentellt med hjälp av flera karaktäriseringsmetoder såsom röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), transmissions elektronmikroskopi (TEM), termogravimetrisk-differential scanning kalorimetri (TGA-DSC), gasadsorption med Brunauer-Emmett-Teller (BET) metoden, Fourier-transform-infraröd spektroskopi (FTIR), UV-Vis spektroskopi och temperaturprogrammerad reduktion (TPR) för att förstå ytkemin hos bärarna. M/SiO2 utsattes för en detaljerad studie av morfologin före, under och efter CO-oxidationsreaktionen vid låga temperaturer under olika förbehandlings- och reaktionsparametrar för en bättre förståelse av de kemiska och fysiska förändringar som sker på katalysatorn. Det visade sig att katalysatorns struktur, ytarea och morfologi hos M/SiO2 spelar en avgörande roll för den katalytiska prestandan och stabiliteten under olika reaktionsförhållanden jämfört med icke-stödda metallkatalysatorer genom att förhindra agglomerering av metallnanopartiklar inne i porerna och underlätta en bättre dispersion av aktiva platser för att öka masstransfer i kiseldioxid mesopor. Katalysatorns förbehandlingsförhållanden kan påverka CO-omvandlingseffektiviteten vid låga ljusavstängningstemperaturer (Tig) på grund av deras effekt på ytarea, partikelstorlek och storleksfördelning av metallnanopartiklar, vilket har en betydande effekt på diffusion och masstransport av reaktanter (CO, O2) och produkter (CO2) samt tillgänglighet av aktiva platser. Den lägsta Tig ~ 195 ℃ och 65 ℃ för aerogelstödd palladium (Pd/a-SiO2) och aerogelstödd silver (Ag/a-SiO2) katalysatorer behandlade i CO/O2-blandningen, respektive. Dessutom studerades effekten av reaktionsförhållandena på den katalytiska CO-oxidationen. Den intrinsiska uppenbara aktiveringsenergin (Ea) och antalet aktiva platser beräknades experimentellt från kinetiken för CO-oxidation och anpassades med hjälp av Arrhenius-plotter, Ea för Pd/a-SiO2 ~ 87,6 kJmole-1. I denna avhandling har vi också undersökt konverteringshysteresiseffekten under kolmonoxid (CO) oxidation på metall/silika (M/SiO2) som en funktion av olika förbehandlings- och reaktionsförhållanden. Hysteresbeteendet har utforskats på Pd/SiO2, vilket visade en normal hysteres på grund av ökad stabilitet hos de aktiva platserna. Å andra sidan visade Ag/a-SiO2 en omvänd moturs CO-oxidationshysteres. Cykliska och långsiktiga stabiliteter hos katalysatorerna undersöktes, där Pd/a-SiO2 visade god stabilitet under fyra på varandra följande cykler och långsiktig stabilitet i ~ 27 timmar.

                Vidare undersöktes Pd/SiO2 för CO2 adsorption under torra och fuktiga förhållanden. Adsorptionsisotermer vid varierande temperaturer och tryck studerades experimentellt genom att utvärdera CO2-gasadsorptionen på Pd/a-SiO2 vid låga och måttliga temperaturer och tryck och anpassades teoretiskt med hjälp av Langmuirs anpassningsmodell. Materialet visade den högsta jämviktsadsorptionskapaciteten av CO2 vid låga temperaturer (3,25 molkg-1 vid 16 ℃ och 1 MPa). Dessutom undersöktes fuktighetens effekt och fanns spela en roll i att minska CO-oxidationseffektiviteten och öka CO2-adsorptionen.

Det primära målet med studierna var att producera högstabila mesoporösbaserade katalysatorer för multienergi- och miljöapplikationer med hjälp av enkel och kostnadseffektiv syntes.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-352397