ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПЕРВИННИХ НОСІЇВ КАТАЛІЗАТОРІВ КОНВЕРСІЇ СО
DOI:
https://doi.org/10.20998/2078-5364.2025.3.02Ключові слова:
носії каталізаторів, конверсія оксиду вуглецю, каталітична активність, енергія активації, корунд, муллітокремнезем, кордієритАнотація
Оксид вуглецю (CO) є високотоксичним компонентом викидів двигунів внутрішнього згоряння та промислових газів, що вимагає ефективних методів нейтралізації шляхом каталітичного окиснення до CO₂. Ключову роль у ефективності нейтралізаторів відіграють первинні носії каталізаторів, від властивостей яких залежать активність, стабільність та вартість системи. У цій роботі проведено експериментальне порівняння каталітичної активності трьох керамічних носіїв: плавленого корунду (α-Al₂O₃, 99.98 %), промислового кордієриту (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) та муллітокремнезему (3Al₂O₃·2SiO₂), що розглядаються як потенційні основи для каталізаторів конверсії СО. Експериментальна частина роботи виконалася на спеціалізованій установці з використанням модельної газової суміші, що імітує склад реальних відпрацьованих газів. Досліджувані носії були підготовлені у вигляді квазікубічних зразків, сукупний об'єм яких (1 см³) заповнював робочий простір проточного реактора. Каталітичну активність кожного носія оцінювали шляхом вимірювання ступеня перетворення CO (%) у функції від температури в діапазоні 200–500 °C у стаціонарних умовах.
Отримані результати виявили суттєві відмінності у каталітичній поведінці матеріалів. Корунд (α-Al₂O₃) продемонстрував найвищу активність: різке зростання конверсії CO спостерігалося, починаючи з 300–350 °C, досягаючи значення ~0,40 % при 500 °C. Ця висока ефективність пояснюється його видатною термостабільністю, розвиненою питомою поверхнею та значною кількістю поверхневих активних центрів. Кордієрит показав помірну каталітичну активність: плавне зростання конверсії відмічалося з 250–300 °C, досягаючи максимуму ~0,24 %. Мулітокремнезем виявив найнижчу активність серед досліджених носіїв: реакція окиснення CO ініціювалася лише за ~300 °C, а максимальний ступінь перетворення не перевищував ~0,08 %, що вказує на його обмежений каталітичний потенціал для цього застосування.
Отримані результати, дозволяють зробити висновок, що в гетерогенному каталізі енергія активації не є виключним критерієм оцінки каталітичної активності, оскільки остання визначається комплексом факторів, таких як морфологія та площа поверхні каталізатора, кількість і природа його активних центрів, здатність до адсорбції молекул, а також наявність кисневих вакансій чи інших дефектів кристалічної ґратки, що підкреслює необхідність комплексного підходу до оцінки каталітичних матеріалів, який врахо- вує як їх кінетичні, так і структурно-хімічні характеристики.
Посилання
Comotti M., et al. Support effect in high activity gold catalysts for CO oxidation. Journal of the American Chemical Society. 2006. Vol. 128, No. 3. P. 917–924. DOI: https://doi.org/10.1021/ja0561441.
Trovarelli A. Catalytic properties of ceria and CeO2-containing materials. Catalysis Reviews. 1996. Vol. 38, No. 4. P. 439–520. DOI: https://doi.org/10.1080/01614949608006464.
Montini T., et al. Fundamentals and catalytic applications of CeO2-based materials. Chemical Reviews. 2016. Vol. 116, No. 10. P. 5987–6041. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00603.
Sun C., Li H., Chen L. Nanostructured ceria-based materials: synthesis, properties, and applications. Energy & Environmental Science. 2012. Vol. 5, No. 9. P. 8475. DOI: https://doi.org/10.1039/c2ee22310d.
Bozo C., Guilhaume N., Herrmann J.-M. Role of the ceria–zirconia support in the reactivity of platinum and palladium catalysts for methane total oxidation under lean conditions. Journal of Catalysis. 2001. Vol. 203, No. 2. P. 393–406. DOI: https://doi.org/10.1006/jcat.2001.3320.
Fujiwara A., et al. Thermal deactivation of ZrO2 Pd/CeO2 three-way catalysts during real engine aging: analysis by a surface plus peripheral site model. ACS Omega. 2020. Vol. 5, No. 44. P. 28897–28906. DOI: https://doi.org/10.1021/ acsomega.0c04644.
Putla S. B., et al. Review of Shape-Controlled CeO2 Nanocatalysts for Purification of Auto-Exhaust Pollutants. ACS Applied Nano Materials. 2024. DOI: https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00228.
Kim Y., Lee H., Kwak J. H. Mechanism of CO oxidation on Pd/CeO2 (100): the unique surface-structure of CeO2 (100) and the role of peroxide. ChemCatChem. 2020. Vol. 12, No. 20. P. 5164–5172. DOI: https://doi.org/10.1002/cctc.202000714.
Busca G., et al. Chemical and mechanistic aspects of the selective catalytic reduction of NO by ammonia over oxide catalysts: a review. Applied Catalysis B: Environmental. 1998. Vol. 18, No. 1–2. P. 1–36. DOI: https://doi.org/10.1016/s0926-3373(98)00040-x.
Li J., et al. Low-temperature selective catalytic reduction of NOx with NH3 over metal oxide and zeolite catalysts – A review. Catalysis Today. 2011. Vol. 175, No. 1. P. 147–156. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2011.03.034.
Granger P., Parvulescu V. I. Catalytic NOx-abatement systems for mobile sources: from three-way to lean burn after-treatment technologies. Chemical Reviews. 2011. Vol. 111, No. 5. P. 3155–3207. DOI: https://doi.org/10.1021/cr100168g.
Christensen S. R., et al. Selective catalytic reduction of NOx over V2O5-WO3-TiO2 SCR catalysts – a study at elevated pressure for maritime pre-turbine SCR configuration. Emission Control Science and Technology. 2019. Vol. 5, No. 3. P. 263–278. DOI: https://doi.org/10.1007/s40825-019-00127-0.
Ye B., et al. Recent trends in vanadium-based SCR catalysts for NOx reduction in industrial applications: stationary sources. Nano Convergence. 2022. Vol. 9, No. 1. DOI: https://doi.org/10.1186/s40580-022-00341-7.
Ftouni J., et al. ZrO2 is preferred over TiO2 as support for the Ru-catalyzed hydrogenation of levulinic acid to γ-valerolactone. ACS Catalysis. 2016. Vol. 6, No. 8. P. 5462– 5472. DOI: https://doi.org/10.1021/acscatal.6b00730.
Coşkuner Filiz B., et al. Highly selective hydrogenation of levulinic acid to γ- valerolactone over Ru/ZrO2 catalysts. Catalysis Letters. 2017. Vol. 147, No. 7. P. 1744–1753. DOI: https://doi.org/10.1007/s10562-017-2049-x.
Chen S., et al. Electronic metal-support interactions and their promotional effect on CO2 methanation on Ru/ZrO2 catalysts. Journal of Catalysis. 2021. Vol. 400. P. 407–420. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2021.06.028.
Characterization I (molecular sieves). Springer, 1999. 420 p.
Courthéoux L., et al. Platinum supported on doped alumina catalysts forpropulsionn applications. Xerogels versus aerogels. Journal of Non-Crystalline Solids. 2004. Vol.350. P. 113–119. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.06.051.
Tovazhnianskyy L. L., Ved V. E., Husieva N. I., Verba A. H. Keramycheskye nahrevately dlia enerhoeffektyvnoi napravlennoi peredachy tepla. Oborudovanye. Instrument. 2006. No. 3. P. 96–98.
Qian C., et al. Effect of sintering aids on mechanical properties and microstructure of alumina ceramic via stereolithography. Ceramics International. 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.02.118
Kim M.-Y., et al. Coating SiO2 support with TiO2 or ZrO2 and effects on structure and CO oxidation performance of Pt catalysts. Catalysts. 2013. Vol. 3, No. 1. P. 88–103. DOI: https://doi.org/10.3390/catal3010088.
Saravanan G., et al. Pt3Ti nanoparticles: fine dispersion on SiO2 supports,enhancedd catalytic CO oxidation, and chemical stability at elevated temperatures. Langmuir. 2010. Vol. 26, No. 13. P. 11446–11451. DOI: https://doi.org/10.1021/la100942h.
Zhang Y., et al. Constructing efficient CuO-based CO oxidation catalysts with large specific surface area mesoporous CeO2 nanosphere support. Nanomaterials. 2024. Vol. 14, No. 6. P. 485. DOI: https://doi.org/10.3390/nano14060485.
Brinker C. J., Scherer G. W. Sol-Gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing. Elsevier Science & Technology Books, 2013. 912 p.
Lee K. S., Baek M. Y., Assanis D. N. Feasibility Study on Quartz LinerApplicationn for Marine Diesel Engine Visualization. Journal of Ship and Ocean Technology. 2004. Vol. 8, No. 4. P. 34–44.
Tian X., et al. The study of Pt/zeolites for CO oxidation: effects of skeletonstructuree and Si/Al ratio. SSRN Electronic Journal. 2023. DOI: https://doi.org/10.2139/ssrn.4374832.
Kang S., Ryu J., Kim J., Kim H., Lee C., Lee Y., Jun K. Fischer–Tropschsynthesiss of the promoted Co/ZSM5 hybrid catalysts for the production of gasoline rangehydrocarbonss. Modern Research in Catalysis. 2014. Vol. 3. P. 99–106. DOI: 10.4236/mrc.2014.33013.
Wang X., Li Y., Zhou Y., et al. Recent advances of zeolites in catalytic oxidations of volatile organic compounds. Catalysis Today. 2022. Vol. 405. P. 150–165. DOI: 10.1016/j.cattod.2022.03.012.
Zhang Z., Liu Y., Wang J., et al. Opportunities and challenges of Cu based small pore zeolites applied to environmental catalysis. National Science Review. 2024. Vol. 8, No.10. nwab010. DOI: 10.1093/nsr/nwab010.
Gao F., et al. Understanding ammonia selective catalytic reduction kinetics over Cu/SSZ-13 from motion of the Cu ions. Journal of Catalysis. 2014. Vol. 319. P. 1–14. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2014.08.010.
Zhang R., et al. Structure–activity relationships of Cu-CHA in NH3–SCR. Chem- CatChem. 2017. No. 9 (9). P. 1552–1556. DOI: 10.1002/cctc.201601362.
Yu J., et al. Impact of hydrothermal aging on Cu/SSZ-13. ACS Catalysis. 2020. Vol. 10, No. 4. P. 2298–2311. DOI: 10.1021/acscatal.9b04793.
Zhu Y., Du C., Feng Z., Chen Y., Li H., Chen R., Shen M., Shan B. Highly dis- persed Pd on macroporous SmMn2O5 mullite for low-temperature oxidation of CO and C3H8 . RSC Advances. – 2018. – Vol. 8. – P. 5459–5467. – DOI: 10.1039/C7RA11551B.
Casarrubios F., et al. Characterization of the evolution with temperature of the structure and properties of geopolymer-cordierite composites. Ceramics. 2024. Vol. 7, No. 4. P. 1513–1532. DOI: https://doi.org/10.3390/ceramics7040098.
Hajimirzaee S., Doyle A. M. 3D printed catalytic converters with enhanactivity- ty for low-temperature methane oxidation in dual-fuel engines. Fuel. 2020. Vol. 274. P. 117848. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117848.
Krasnokutskyi E. V., Ved V. E., Ponomarenko A. V., Koshchyi V. A. Stend dlia yzuchenyia kynetycheskykh y hazodynamycheskykh parametrov katalytycheskykh protsessov ochystky hazov. Intehrovani tekhnolohii ta enerhozberezhennia. 2013. No. 2. P. 82–86.
Germgård U. The Arrhenius Equation is Still a Useful Tool in ChemiEngineering ing. Nordic Pulp & Paper Research Journal. 2017. Vol. 32, No. 1. P. 21–24. DOI: https://doi.org/10.3183/npprj-2017-32-01-p021-024.
