Katalis Nanoporos Batang PdO‑CeO₂ dengan Kinerja Ungkat Oksidasi CO dan Pembakaran Metana

Abstrak

Kami melaporkan sintesis hijau yang mudah dari komposit nanoporos batang PdO/CeO₂ melalui dealiyoing pita Al–Ce–Pd diikuti dengan pengkal. Katalis yang dihasilkan menunjukkan aktivitas luar biasa untuk oksidasi CO (T₉₉ = 80 °C) dan pembakaran CH₄ (T₉₉ = 380 °C). Secara menakjubkan, material mempertahankan >95% aktivitas setelah operasi berkelanjutan selama 100 jam dalam 2 × 10⁵ ppm H₂O, yang menunjukkan ketahanan air yang baik dan stabilitas jangka panjang. Kinerja unggul ini timbul dari nanopartikel PdO yang terdistribusi tinggi, luas permukaan BET yang besar (~102 m² g⁻¹), interaksi PdO–CeO₂ yang kuat, dan spesies oksigen aktif permukaan yang melimpah.

Latar Belakang

Pengurangan emisi CO dan CH₄ sangat penting untuk perlindungan lingkungan dan mitigasi perubahan iklim. Sementara oksida logam mulia, terutama PdO, dikenal memiliki efisiensi katalitik tinggi, biaya dan kelangkaan mereka menuntut desain yang ditingkatkan oleh dukungan. CeO₂ adalah dukungan ideal karena kapasitas penyimpanan oksigen dan stabilitas termal. Rute kimia basah konvensional sering menderiti kontaminasi surfactant dan hasil yang rendah, menghambat produksi skala besar. Di sini kami menyajikan pendekatan dealiyoing-pengkal yang menghilangkan reagen organik, mempertahankan fase PdO yang bersih dan terdistribusi tinggi, dan menghasilkan katalis yang dapat direproduksi dan terukur.

Metode

Bahan

Al, Ce, dan Pd murni tinggi (≥99,90 wt %) digunakan sebagaimana adanya. Larutan NaOH 20 wt % disiapkan dengan NaOH grade analitik.

Sintesis

Pita aloi Al–Ce–Pd (Al₉₂₋ₓCe₈Pdₓ, X = 0,1–1,1 at %) dibuat dengan pemurnian busa di bawah Ar, diikuti dengan pelepasan cepat pada gulungan tembaga berputar. Pita direndam dalam NaOH 20 wt % pada 25 °C selama 2 jam, kemudian pada 80 °C selama 10 jam untuk menghapus Al. Setelah pencucian menyeluruh, sampel dikalin dalam O₂ (18 mL min⁻¹) dari 200–600 °C selama 2 jam.

Karakterisasi

XRD (Cu Kα), SEM/EDS, TEM/HRTEM, BET (adsorpsi N₂), XPS, dan H₂-TPR digunakan untuk menelaah komposisi fase, morfologi, luas permukaan, status oksidasi, dan rekivabilitas.

Pengujian Katalitik

Oksidasi CO (1 vol % CO/10 vol % O₂/89 vol % N₂) dan pembakaran CH₄ (1 vol % CH₄/10 vol % O₂/89 vol % N₂) dievaluasi dalam reaktor tabung stainless steel (kecepatan ruang 30000 h⁻¹). Laju reaksi dihitung berdasarkan Eq. (2). Uji stabilitas berjalan selama 100 jam dalam 20 vol % H₂O. Toleransi CO₂ dan ketahanan air dievaluasi dengan menambahkan 15–30 vol % CO₂ atau H₂O.

Hasil dan Pembahasan

Struktur dan Komposisi

XRD mengonfirmasi CeO₂ murni; sinyal Pd tidak terlihat karena dispersi tinggi. SEM/TEM mengungkapkan kerangka nanorod 10 nm dengan pori yang saling terhubung (12–14 nm). EDS menunjukkan Ce:Pd ~11,5:1, yang cocok dengan prekursor. XPS menunjukkan 91% Pd²⁺ (PdO) setelah pengkal, sementara sampel yang tidak ditangani adalah Pd logam. Konten Ce³⁺ naik dari 21% ke 23% setelah pemuatan Pd, menunjukkan interaksi PdO–CeO₂ yang kuat dan rongga oksigen yang ditingkatkan. H₂-TPR menunjukkan puncak reduksi PdO pada suhu rendah (P₁), yang mengonfirmasi reaktivitas tinggi.

Kinerja Katalitik

Oksidasi CO: T₅₀ = 15 °C, T₉₉ = 80 °C, nyala di bawah –20 °C. Pembakaran CH₄: T₅₀ = 305 °C, T₉₉ = 380 °C. Pengkal pada 400 °C menghasilkan aktivitas optimal; suhu yang lebih tinggi mengurangi luas permukaan dan pemuatan PdO. Katalis menunjukkan deaktivasi minimal setelah 100 jam, bahkan dengan H₂O yang tinggi. Penambahan CO₂ menggeser konversi CO dari 99% ke ~12% dalam kondisi anoksik, tetapi 0,5% O₂ memulihkan aktivitas, yang mengilustrasikan peran oksigen jaringan. Pembakaran CH₄ hanya menunjukkan sensitivitas modest terhadap CO₂, karena suhu operasi yang lebih tinggi.

Wawasan Mekanisme

CO dan CH₄ terserap pada permukaan PdO, bereaksi dengan oksigen permukaan yang diaktifkan untuk membentuk CO₂/H₂O (atau CO₂/O₂ untuk CH₄). Sinergi PdO–CeO₂ meningkatkan mobilitas oksigen, yang memungkinkan turnover yang cepat bahkan di bawah O₂ yang rendah. Arsitektur batang-nanorod menyediakan antarmuka aktif yang melimpah dan mempertahankan luas permukaan tinggi selama operasi.

Kesimpulan

Rute dealiyoing-pengkal menghasilkan katalis PdO/CeO₂ yang bersih dan terdistribusi tinggi dengan morfologi nanoporos batang-nanorod, yang menyediakan oksidasi CO pada suhu rendah (T₉₉ = 80 °C) dan pembakaran metana (T₉₉ = 380 °C). Ketahanan air yang kuat, toleransi CO₂, dan stabilitas jangka panjang menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk pengendalian emisi praktis. Metode ini dapat diskalakan dan bebas dari kontaminasi surfactant, menawarkan platform serbaguna untuk katalis oksida logam mulia lainnya.