RU2532756C1 - METHOD OF SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURAL COMPOSITE CeO2-PdO MATERIAL - Google Patents

METHOD OF SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURAL COMPOSITE CeO2-PdO MATERIAL Download PDF

Info

Publication number
RU2532756C1
RU2532756C1 RU2013130200/04A RU2013130200A RU2532756C1 RU 2532756 C1 RU2532756 C1 RU 2532756C1 RU 2013130200/04 A RU2013130200/04 A RU 2013130200/04A RU 2013130200 A RU2013130200 A RU 2013130200A RU 2532756 C1 RU2532756 C1 RU 2532756C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite
synthesis
electrode
metal
ceo
Prior art date
Application number
RU2013130200/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Андреевич Новопашин
Дмитрий Владимирович Смовж
Алексей Владимирович Зайковский
Василий Анатольевич Мальцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2013130200/04A priority Critical patent/RU2532756C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2532756C1 publication Critical patent/RU2532756C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: nanotechnology.
SUBSTANCE: invention relates to the field of nanotechnologies, namely to flame-arc technology of synthesis of nanostructural composite materials. The proposed method of synthesis of nanostructural composite CeO2-PdO material in plasma of electric discharge comprises evacuation of vacuum chamber, filling it with inert gas, ignition of the electric direct-current arc between the graphite electrode and the metal-carbon composite electrode which is a graphite rod with the cavity perforated in the centre, and spraying the composite electrode. At that in the plasma of electric arc discharge the metal-carbon composite electrode is sprayed, in which cavity drilled in the centre the rod of cerium is mounted, which is wrapped in palladium foil, and the weight ratio Pd/Ce is from 3 to 9%. Then, annealing of the synthesised material is performed, which comprises Ce2O3nanocrystals and a small amount of Pd nanocrystals with characteristic sizes of 2-5 nm, by heating it in the oxygen-containing environment with the atmospheric pressure to the temperature of 600, 700, 800, 900°C, with exposure for 2 hours and slow cooling.
EFFECT: method enables to obtain nanostructural composite material CeO2-PdO which can be used as a catalyst having high activity at low temperatures as well as improved thermal stability and resistance to corrosion in aggressive environments.
2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области нанотехнологий. Изобретение относится к плазменно-дуговой технологии синтеза наноструктурированных композиционных материалов, в частности, катализатора CeO2-PdO, предназначенного не только для нейтрализации автомобильных выхлопов, но и ряда промышленных процессов очистки, дожигания, крекинга тяжелых углеводородов на цеолитах, риформинга CH4 с CO2 и Н2О, паровой конверсии CO и т.д.The invention relates to the field of nanotechnology. The invention relates to a plasma-arc technology for the synthesis of nanostructured composite materials, in particular, a CeO 2 -PdO catalyst, designed not only to neutralize automobile exhausts, but also to a number of industrial processes for purification, afterburning, cracking of heavy hydrocarbons on zeolites, reforming of CH 4 with CO 2 and H 2 O, steam reforming CO, etc.

Системы МПГ/CeO2, где МПГ - металлы платиновой группы или активный компонент, исследуются весьма широко и интенсивно, и на данный момент сформулированы фундаментальные положения о строении катализаторов низкотемпературного окисления оксида углерода (НТО CO) [Р. Bera, K.C. Patil, V. Jayaram, G.N. Subbanna, M.S. Hegde, Journal of Catalysis 196 (2000) 293-301; M. Cargnello, Т. Montini, S. Polizzi, N.L. Wieder, R.J. Gorte, M. Graziani, P. Fornasiero, Dalton Transactions 39 (2010) 2122-2127; G. Glaspell, H.M.A. Hassan, A. Elzatahry, V. Abdalsayed, M. Samy El-Shall, Topics in Catalysis 47 (2008) 22-31 и др.], основное из которых - необходимость осуществления сильного взаимодействия МПГ - CeO2 с переводом МПГ (или его части) в окисленное состояние.The PGM / CeO 2 systems, where PGM are the platinum group metals or the active component, are studied extensively and intensively, and fundamental principles on the structure of low temperature oxidation of carbon monoxide (NTO CO) catalysts have been formulated [R. Bera, KC Patil, V. Jayaram, GN Subbanna, MS Hegde, Journal of Catalysis 196 (2000) 293-301; M. Cargnello, T. Montini, S. Polizzi, NL Wieder, RJ Gorte, M. Graziani, P. Fornasiero, Dalton Transactions 39 (2010) 2122-2127; G. Glaspell, HMA Hassan, A. Elzatahry, V. Abdalsayed, M. Samy El-Shall, Topics in Catalysis 47 (2008) 22-31, etc.], the main of which is the need for strong interaction of PGM - CeO 2 with the transfer of PGM (or part thereof) to an oxidized state.

На основании сформулированных положений четко намечается современная тенденция в синтезе катализаторов НТО CO, состоящая в том, чтобы нанести активный компонент на поверхность носителя (оксидов элементов с переменной валентностью (ОЭПВ)) максимально в ионном виде, что, естественно, можно обеспечить только за счет сильного взаимодействия с поверхностью ОЭПВ, с образованием совместных оксидов МПГ-ОЭПВ в виде поверхностных твердых растворов, или их перемешанных кластеризованных (наноструктурированных) форм.Based on the formulated provisions, a modern tendency is clearly outlined in the synthesis of NTO CO catalysts, which consists in depositing the active component on the surface of the support (oxides of elements with variable valency (OEPV)) in the maximum ionic form, which, of course, can only be achieved due to the strong interactions with the surface of OEPV, with the formation of joint oxides of PGM-OEPV in the form of surface solid solutions, or their mixed clustered (nanostructured) forms.

На настоящее время способы формирования катализаторов дожигания CO, как правило, связаны с нанесением солей МПГ на поверхность предварительно подготовленного носителя с последующим их восстановлением, сушкой, отжигом и т.д., т.е. по стандартной методологии пропитки. В этом случае не исключается отсутствие стабильности образованных поверхностных фаз МПГ и ОЭПВ катализатора, как при повышенных температурах реакции, так и при локальном перегреве частиц катализатора. Нестабильность поверхностных фаз может привести, как к их расслоению на составляющие фазы отдельных оксидов, так и к диффузии ионов МПГ в объем ОЭПВ с потерей концентрации на поверхности ОЭПВ. Оба процесса неизбежно будут приводить к падению каталитической активности.At present, the methods for the formation of CO afterburning catalysts are usually associated with the deposition of PGM salts on the surface of a previously prepared carrier, followed by their reduction, drying, annealing, etc., i.e. according to the standard methodology of impregnation. In this case, the absence of stability of the formed surface phases of the PGM and OEPV catalyst, both at elevated reaction temperatures and during local overheating of the catalyst particles, cannot be ruled out. The instability of the surface phases can lead to both their separation into the constituent phases of individual oxides and the diffusion of PGM ions into the OEPV volume with a loss of concentration on the OEPV surface. Both processes will inevitably lead to a decrease in catalytic activity.

Для получения смешанных фаз МПГ и ОЭПВ в последнее время создают совершенно новые способы приготовления катализаторов. В этом отношении заслуживает внимания способ "solution-combustion" [P. Bera, K.C. Patil, V. Jayaram, G.N. Subbanna, M.S. Hegde, Journal of Catalysis 196 (2000) 293-301; K.R. Priolkar, P. Bera, P.R. Sarode, M.S. Hegde, S. Emura, R. Kumashiro, N.P. Lalla, Chemistry of Materials 14 (2002) 2120-2128; M.S. Hegde, G. Madras, K.C. Patil, Accounts of Chemical Research 42 (2009) 704-712], заключающийся в том, что формирование активного компонента и носителя происходит одновременно в одной стадии и приводит к образованию ионных состояний активного компонента как на поверхности, так и в объеме носителя. Несмотря на то что этот способ прост, дает хорошие результаты по каталитической активности, он приводит к сильной морфологической и микроструктурной неоднородности, а также размытой электронной структуре по нескольким состояниям.To obtain mixed phases of PGMs and OEPVs, completely new methods of preparing catalysts have recently been created. In this regard, the "solution-combustion" method [P. Bera, K.C. Patil, V. Jayaram, G.N. Subbanna, M.S. Hegde, Journal of Catalysis 196 (2000) 293-301; K.R. Priolkar, P. Bera, P.R. Sarode, M.S. Hegde, S. Emura, R. Kumashiro, N.P. Lalla, Chemistry of Materials 14 (2002) 2120-2128; M.S. Hegde, G. Madras, K.C. Patil, Accounts of Chemical Research 42 (2009) 704-712], which consists in the fact that the formation of the active component and the carrier occurs simultaneously in one stage and leads to the formation of ionic states of the active component both on the surface and in the bulk of the carrier. Despite the fact that this method is simple and gives good results in catalytic activity, it leads to a strong morphological and microstructural heterogeneity, as well as a diffuse electronic structure for several states.

Известен подход, связанный с использованием плазменных технологий, в приготовлении поверхностных фаз и так назывемых инверсных катализаторов [K. Mašek, M. Václavů, P. Bábor, V. Matolín, Applied Surface Science 255 (2009) 6656-6660; Т. Skála, K. Veltruská, L. Sedláček, K. Mašek, I. Matolínová, V. Matolín, Applied Surface Science 253 (2007) 5400-5403; M. Škoda, J. Libra, F. Šutara, N. Tsud, T. Skála, L. Sedláček, V. Cháb, K.C. Prince, V. Matolín, Surface Science 601 (2007) 4958-4965; F. Yang, J. Graciani, J. Evans, P. Liu, J. Hrbek, J.F. Sanz, J.A. Rodriguez, Journal of the American Chemical Society 133 (2011) 3444-3451].A known approach associated with the use of plasma technologies in the preparation of surface phases and the so-called inverse catalysts [K. Mašek, M. Václavů, P. Bábor, V. Matolín, Applied Surface Science 255 (2009) 6656-6660; T. Skála, K. Veltruská, L. Sedláček, K. Mašek, I. Matolínová, V. Matolín, Applied Surface Science 253 (2007) 5400-5403; M. Škoda, J. Libra, F. Šutara, N. Tsud, T. Skála, L. Sedláček, V. Cháb, K.C. Prince, V. Matolín, Surface Science 601 (2007) 4958-4965; F. Yang, J. Graciani, J. Evans, P. Liu, J. Hrbek, J.F. Sanz, J.A. Rodriguez, Journal of the American Chemical Society 133 (2011) 3444-3451].

Например, в способе приготовления катализатора [US 2011257004, 2011-10-20 B01J 23/63; B01J 23/66; B01J 37/34], включающем оксид церия и металл, выбираемый из группы: золото, платина, палладиум, рутений или никель, для напыления тонкого слоя катализатора на субстрат, обычно силиконовую пластину, используют один или несколько магнетронов. Распыление пластины оксида церия и металлической проволоки (Au, Pt, Pd, Sn, Ru или Ni) осуществляют при давлении 0,6 Па в атмосфере инертного газа (аргона). Во время осаждения и роста тонкого слоя CeO2 на субстрате он бомбардируется ионами металла, которые диспергируют внутрь слоя CeO2. Таким образом, формируется слой оксида церия с распределенными атомами металла, имеющий высокую каталитическую активность.For example, in a method for preparing a catalyst [US 2011257004, 2011-10-20 B01J 23/63; B01J 23/66; B01J 37/34], including cerium oxide and a metal selected from the group: gold, platinum, palladium, ruthenium or nickel, one or more magnetrons are used to spray a thin layer of catalyst onto a substrate, usually a silicone plate. Spraying a cerium oxide plate and a metal wire (Au, Pt, Pd, Sn, Ru or Ni) is carried out at a pressure of 0.6 Pa in an atmosphere of inert gas (argon). During the deposition and growth of a thin CeO 2 layer on the substrate, it is bombarded with metal ions that disperse into the CeO 2 layer. Thus, a cerium oxide layer with distributed metal atoms is formed having a high catalytic activity.

Основным отличием и преимуществом заявляемого способа синтеза от указанного [US 2011257004, 2011-10-20 B01J 23/63; B01J 23/66; B01J 37/34] является значительно большая поверхность катализатора вследствие того, что катализатор синтезируется в виде наночастиц, что существенно увеличивает эффективность каталитической активности в расчете на единицу массы катализатора. Вторая стадия синтеза катализатора состоит в отжиге в кислородсодержащей атмосфере при температурах до 900°C, что характеризует термостабильность катализатора и устойчивость к коррозии.The main difference and advantage of the proposed method of synthesis from the specified [US 2011257004, 2011-10-20 B01J 23/63; B01J 23/66; B01J 37/34] is a significantly larger catalyst surface due to the fact that the catalyst is synthesized in the form of nanoparticles, which significantly increases the efficiency of catalytic activity per unit mass of catalyst. The second stage of the synthesis of the catalyst consists in annealing in an oxygen-containing atmosphere at temperatures up to 900 ° C, which characterizes the thermal stability of the catalyst and resistance to corrosion.

Из области техники известны способы синтеза наноструктурированных материалов различного состава с применением метода газофазного разряда с распылением исходных материалов и их последующей термической прокалкой в различных средах [John Henry J. Scott and Sara A. Majetich. Morphology, structure, and growth of nanoparticles produced in a carbon arc // 1995. - Phys. Rew. В. - Vol.52. - No 17. - Pp.12564-12571; Мальцев В.А., Новопашин С.А., Нерушев О.А., Сахапов С.З., Смовж Д.В. Синтез металлических наночастиц на углеродной матрице // Российские панотехнологии. - 2007, Том 2, Вып.5-6. Стр.85-89]. Для синтеза металл-углеродных наночастиц используют композитный металл-углеродный анод, представляющий собой графитовый стержень с просверленной по центру полостью, наполненной металлическим материалом. В дуге постоянного тока происходит эффективная эрозия анода, которая приводит к образованию в высокотемпературной области атомарных компонент, входящих в состав анода. Варьируя электрические параметры разряда, состав распыляемого электрода и давление буферного газа удается управлять морфологией и составом синтезируемого материала, в частности, удается синтезировать наночастицы диаметром от 1 до 100 нм.Techniques for synthesizing nanostructured materials of various compositions using the gas phase discharge method with atomization of the starting materials and their subsequent thermal calcination in various media are known in the art [John Henry J. Scott and Sara A. Majetich. Morphology, structure, and growth of nanoparticles produced in a carbon arc // 1995. - Phys. Rew. B. - Vol. 52. - No 17. - Pp.12564-12571; Maltsev V.A., Novopashin S.A., Nerushev O.A., Sakhapov S.Z., Smovzh D.V. Synthesis of metal nanoparticles on a carbon matrix // Russian panotechnologies. - 2007, Volume 2, Iss. 5-6. Pp. 85-89]. For the synthesis of metal-carbon nanoparticles, a composite metal-carbon anode is used, which is a graphite rod with a cavity drilled in the center filled with metal material. An effective erosion of the anode occurs in the DC arc, which leads to the formation of atomic components that make up the anode in the high-temperature region. By varying the electrical parameters of the discharge, the composition of the atomized electrode and the pressure of the buffer gas, it is possible to control the morphology and composition of the synthesized material, in particular, it is possible to synthesize nanoparticles with a diameter of 1 to 100 nm.

Большинство металлов может быть распылено данным способом. Для получения наночастиц тугоплавких металлов пиролизу подвергают соединения металлов.Most metals can be sprayed in this way. To obtain nanoparticles of refractory metals, metal compounds are subjected to pyrolysis.

В изобретении [RU 2433888, 21.05.2010, B82B 3/00, B22F 1/00, B22F 1/02, B22F 9/14, B22F 9/20, B22F 9/02, B22F 9/16, C01B 31/30, C01B 31/00, C01B 31/34] реализован плазменно-дуговой синтез наночастиц карбида вольфрама. Способ включает откачивание вакуумной камеры, наполнение ее инертным газом, зажигание электрической дуги между графитовым и композитным электродами, поддержание условий горения дуги путем варьирования межэлектродным расстоянием, распыление композитного электрода, представляющего собой графитовый стержень с полостью, заполненной соединением вольфрама: WO3, W(CO)6, осаждение наноструктурированного материала на охлаждаемый экран.In the invention [RU 2433888, 05/21/2010, B82B 3/00, B22F 1/00, B22F 1/02, B22F 9/14, B22F 9/20, B22F 9/02, B22F 9/16, C01B 31/30, C01B 31/00, C01B 31/34] realized the plasma-arc synthesis of tungsten carbide nanoparticles. The method includes pumping out a vacuum chamber, filling it with an inert gas, igniting an electric arc between graphite and composite electrodes, maintaining the conditions of arc burning by varying the interelectrode distance, spraying a composite electrode, which is a graphite rod with a cavity filled with a tungsten compound: WO 3 , W (CO (CO ) 6 , the deposition of nanostructured material on a cooled screen.

Указанный способ близок к заявляемому способу до совокупности существенных признаков, но предназначен для получения другого наноструктурированного материала, представляющего собой углеродную матрицу с наночастицами карбида вольфрама.The specified method is close to the claimed method to the aggregate of essential features, but is intended to obtain another nanostructured material, which is a carbon matrix with nanoparticles of tungsten carbide.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа получения катализатора CeO2-PdO, имеющего высокую каталитическую активность при низких температурах, а также повышенную термостабильность и устойчивость к коррозии в агрессивных средах.The problem to which the present invention is directed, is to develop a method for producing a CeO 2 -PdO catalyst having high catalytic activity at low temperatures, as well as increased thermal stability and corrosion resistance in aggressive environments.

Поставленная задача решается путем сочетания известных способов, а именно плазменно-дугового синтеза композитного металл-углеродного материала и отжига синтезированного материала в кислородсодержащей среде.The problem is solved by combining known methods, namely, plasma-arc synthesis of a composite metal-carbon material and annealing the synthesized material in an oxygen-containing medium.

Способ синтеза наноструктурного композиционного CeO2-PdO материала, обладающего высокой каталитической активностью при низких температурах, согласно изобретению реализован в две стадии, осуществляемые последовательно: первая - плазменно-дуговой синтез металл-углеродного PdCeC композита непосредственно в камере дугового реактора: вторая - отжиг композита в кислородсодержащей среде при температурах выше 600°C с целью удаления углеродной матрицы и получения CeO2-PdO материала.The method for synthesizing a nanostructured composite CeO 2 -PdO material with high catalytic activity at low temperatures, according to the invention, is implemented in two stages, carried out sequentially: the first is a plasma-arc synthesis of a metal-carbon PdCeC composite directly in an arc reactor chamber: the second is annealing the composite in an oxygen-containing medium at temperatures above 600 ° C in order to remove the carbon matrix and obtain CeO 2 -PdO material.

Плазменно-дуговой синтез наноструктурного композиционного CeO2-PdO материала включает откачивание вакуумной камеры, наполнение ее инертным газом, выбираемым из группы: He, Ne, Ar, Kr, Xe, зажигание электрической дуги постоянного тока между подвижным графитовым электродом и неподвижным композитным (металл-углеродным) электродом, представляющим собой графитовый стержень, в просверленной по центру полости которого установлен стержень из церия, обернутый палладиевой фольгой, так, что весовое соотношение Pd/Ce составляет от 3 до 9%, поддержание условий горения дуги путем варьирования межэлектродным расстоянием, распыление в электрической дуге композитного электрода. На стадии плазменного синтеза происходит высокотемпературное атомарное распыление веществ, входящих в состав композитного электрода, и последующая конденсация с углеродом в буферном инертном газе. Осаждение наноструктурного композиционного (углерод-палладий-церий) материала происходит на охлаждаемый съемный экран. Синтезированный материал представляет собой очень мелкие частицы церия и палладия, инкапсуллированые в углеродную матрицу. Характерный размер частиц составляет от 2 до 5 нм. Полученные рентгенограммы образцов свидетельствуют о том, что основные составляющие представляют собой CeO2 и PdO.Plasma-arc synthesis of a nanostructured composite CeO 2 -PdO material includes pumping out a vacuum chamber, filling it with an inert gas selected from the group: He, Ne, Ar, Kr, Xe, igniting a direct current electric arc between a movable graphite electrode and a stationary composite (metal carbon) electrode, which is a graphite rod, in the center of the cavity drilled a rod of cerium is installed, wrapped with palladium foil, so that the weight ratio of Pd / Ce is from 3 to 9%, maintaining conditions arc burning by varying the interelectrode distance; sputtering in the electric arc of a composite electrode. At the stage of plasma synthesis, high-temperature atomic sputtering of the substances that make up the composite electrode occurs, and subsequent condensation with carbon in a buffer inert gas. The deposition of nanostructured composite (carbon-palladium-cerium) material occurs on a cooled removable screen. The synthesized material is very small particles of cerium and palladium encapsulated in a carbon matrix. The characteristic particle size is from 2 to 5 nm. The obtained X-ray diffraction patterns of the samples indicate that the main components are CeO 2 and PdO.

Отжиг синтезированного материала включает помещение синтезированного композиционного (углерод-палладий-церий) материала в печь, нагрев его в кислородсодержащей среде при атмосферном давлении до температур 600, 700, 800, 900°C, выдержка в течение двух часов и медленное охлаждение. Двух часов выдержки достаточно для равномерного прогрева материала до заданных температур и завершения всех структурных (фазовых) превращений. При температурах от 600°C до 700°C заканчивается выгорание углерода и насыщение оксида церия кислородом до формирования церианита (CeO2). Отжиг при температурах выше 700°C приводит к формированию начастиц смешанного оксида PdCeOx.Annealing the synthesized material includes placing the synthesized composite (carbon-palladium-cerium) material in a furnace, heating it in an oxygen-containing medium at atmospheric pressure to temperatures of 600, 700, 800, 900 ° C, holding for two hours and slow cooling. Two hours of exposure is enough for uniform heating of the material to the specified temperatures and the completion of all structural (phase) transformations. At temperatures from 600 ° C to 700 ° C, carbon burnout and cerium oxide saturation with oxygen end until cerianite (CeO 2 ) is formed. Annealing at temperatures above 700 ° C leads to the formation of particles of the mixed oxide PdCeO x .

Первую стадию процесса осуществляют в плазмодуговом реакторе, включающем герметичную вакуумную камеру из нержавеющей стали с неподвижным расходуемым композитным электродом и подвижным графитовым электродом, съемный экран для осаждения синтезируемого материала, систему вакуумной откачки, источник электропитания постоянного тока, систему водяного охлаждения, систему подачи и сброса газа, измерительные системы для контроля давления, электрических параметров разряда, температуры, расхода газовой фазы.The first stage of the process is carried out in a plasma-arc reactor, including a sealed stainless steel vacuum chamber with a fixed expendable composite electrode and a movable graphite electrode, a removable screen for deposition of the synthesized material, a vacuum pumping system, a DC power supply, a water cooling system, a gas supply and discharge system , measuring systems for monitoring pressure, electrical parameters of the discharge, temperature, flow rate of the gas phase.

Вторую стадию процесса реализуют в печи, выполненной в виде установленной под углом трубы, в которую помещают салазки с обрабатываемым материалом. Температуру контролируют системой датчиков.The second stage of the process is implemented in a furnace made in the form of a pipe installed at an angle into which a slide with the material to be processed is placed. The temperature is controlled by a sensor system.

Были проведены экспериментальные исследования в электрической дуге постоянного тока, при давлении буферного газа (использован гелий) 25 тор, при токе дуги 100 А. Распыляемый электрод (анод) представлял собой графитовый стержень длиной 70 мм и диаметром 7 мм. По центру электрода было просверлено отверстие, в которое устанавливался стержень из церия диаметром 2,8 мм, обернутый палладиевой фольгой толщиной 50 мкм для обеспечения весового соотношения Pd/Ce - 3%.Experimental studies were carried out in a direct current electric arc, with a buffer gas pressure (helium used) of 25 torr, and an arc current of 100 A. The atomized electrode (anode) was a graphite rod 70 mm long and 7 mm in diameter. A hole was drilled in the center of the electrode into which a cerium rod with a diameter of 2.8 mm was installed, wrapped with palladium foil 50 μm thick to provide a Pd / Ce weight ratio of 3%.

Анализ как исходного синтезированного материала, так и материала, полученного в результате отжига, проводился методами просвечивающей электронной микроскопии (JEOL - 2010) и рентгенофазного анализа (дифрактометр Bruker D8 Advanced), выполненного в диапазоне углов 10-75° с шагом по 2θ=0,05° со временем накопления 3 с в каждой точке.The analysis of both the starting synthesized material and the material obtained as a result of annealing was carried out by transmission electron microscopy (JEOL - 2010) and X-ray diffraction analysis (Bruker D8 Advanced diffractometer) performed in the angle range 10-75 ° with a step of 2θ = 0. 05 ° with an accumulation time of 3 s at each point.

Изучение материала (Pd+Ce) при помощи просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) и энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX) показало, что материал, в основном, состоит из частиц аморфного углерода размерами 10-50 нм с включениями кристаллических наночастиц с размерами от 2 до 10 нм, содержащих церий. Полученные рентгенограммы металл-углеродного материала свидетельствуют о том, что основные его составляющие представляют собой CeO2 и PdO.The study of the material (Pd + Ce) using transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive x-ray analysis (EDX) showed that the material mainly consists of amorphous carbon particles with sizes of 10-50 nm with inclusions of crystalline nanoparticles with sizes from 2 to 10 nm containing cerium. The obtained X-ray diffraction patterns of the metal-carbon material indicate that its main constituents are CeO 2 and PdO.

В результате проведенных исследований было определено, что каталитическая активность катализатора PdxCe1-xO2 определяется концентрацией палладия в образце и температурой отжига катализатора, при этом оптимальной температурой является T=700°C.As a result of the studies, it was determined that the catalytic activity of the Pd x Ce 1-x O 2 catalyst is determined by the concentration of palladium in the sample and the annealing temperature of the catalyst, while the optimum temperature is T = 700 ° C.

Композит после отжига его в кислородосодержащей среде приобретал свойства эффективного катализатора, не уступающего по активности катализаторам НТО CO, синтезируемым по технологиям IWI (incipient wetness impregnation).After annealing it in an oxygen-containing medium, the composite acquired the properties of an effective catalyst, not inferior in activity to NTO CO catalysts synthesized using IWI (incipient wetness impregnation) technologies.

На Фиг.1 представлена ПЭМ фотография синтезированного материала, состоящего из аморфного углерода размерами с включениями кристаллических наночастиц с размерами от 2 до 5 нм.Figure 1 presents a TEM photograph of a synthesized material consisting of amorphous carbon with sizes with inclusions of crystalline nanoparticles with sizes from 2 to 5 nm.

На Фиг.2 изображено фурье-изображение кристаллических решеток синтезированного материала. Положение рефлексов идентифицируются со справочными данными Ce2O3 с кристаллической решеткой тригональной сингонии, который имеет справочные данные межплоскостных расстояний 0,303 нм {002}, 0,22502 нм {012}, 0,33602 нм {100}, 0,18476 нм {111} и 0,29387 нм {011} [Match! Entry # 96-101-0280]. В совокупность эквивалентных плоскостей {100} входит семейство параллельных плоскостей (010), а в {011} - (101),Figure 2 shows the Fourier image of the crystal lattices of the synthesized material. The positions of the reflections are identified with reference data of Ce 2 O 3 with a trigonal crystal lattice, which has reference data of interplanar distances of 0.303 nm {002}, 0.22502 nm {012}, 0.33602 nm {100}, 0.18476 nm {111 } and 0.29387 nm {011} [Match! Entry # 96-101-0280]. The set of equivalent planes {100} includes a family of parallel planes (010), while {011} contains (101),

На Фиг.3 представлена ПЭМ фотография синтезированного материала после отжига при температуре 700 C. Элементный анализ показал, что материал состоит из церия, палладия и кислорода.Figure 3 presents a TEM photograph of the synthesized material after annealing at a temperature of 700 C. Elemental analysis showed that the material consists of cerium, palladium and oxygen.

На Фиг.4 приведено фурье-изображение кристаллических решеток отожженного материала. По взаимному расположению рефлексов межплоскостным расстояниям, соответствующим этим рефлексам (0,3183 нм, 0,1904 нм, 0,3125 нм и 0,2707 нм), было определено, что кристаллическая решетка соответствует церианиту (CeO2), которому соответствуют справочные межплоскостные расстояния 0,3124 нм {111}, 0,19131 нм {202}, 0,27055 {200}. Так как в совокупность эквивалентных плоскостей {111} входят плоскости (111) и (-111), а в {202} входит (022), а в {200}-(-200), то можно заключить, что параметры картины Фурье хорошо согласуются со справочными данными, а кристаллическая решетка, изображенная на Фиг.4, принадлежит кристаллу CeO2.Figure 4 shows the Fourier image of the crystal lattices of the annealed material. According to the relative position of the reflections, the interplanar distances corresponding to these reflections (0.3183 nm, 0.1904 nm, 0.3125 nm and 0.2707 nm), it was determined that the crystal lattice corresponds to cerianite (CeO 2 ), which corresponds to the reference interplanar distances 0.3124 nm {111}, 0.19131 nm {202}, 0.27055 {200}. Since the set of equivalent {111} planes includes the (111) and (-111) planes, and (022) is included in {202}, and (- 200) in {200}, it can be concluded that the parameters of the Fourier picture are good consistent with the reference data, and the crystal lattice shown in Fig.4, belongs to the crystal CeO 2 .

На Фиг.5 приведена экспериментальная рентгенограмма отожженного образца. Все пики соответствуют рефлексам CeO2. На 34° по 2θ проявляется плечико, связанное с кристаллизацией PdO. Данные подтверждают измерения по анализу межплоскостных расстояний, полученных при обработке ПЭМ изображений.Figure 5 shows the experimental x-ray of the annealed sample. All peaks correspond to CeO 2 reflections. At 34 ° along the 2θ, the shoulder appears, associated with the crystallization of PdO. The data confirm the measurements on the analysis of interplanar distances obtained by processing TEM images.

На фиг.6 представлены кривые ТПР-CO-O2 для катализаторов 3PdCeC, 3PdCe-450, 3PdCe-700, полученные при первом нагреве в реакционной смеси до 450°C (1) и при повторном нагреве после охлаждения в реакционной смеси (2). Видно, что исходный углеродсодержащий композит 3PdCe оказывается неактивным в области НТО CO, и температура 50% конверсии (T50) составляет около 260°C. Охлаждение в реакционной смеси и повторный нагрев приводят к резкому росту каталитической активности, и величина T50 снижается до 150°C. Это связано с выгоранием углерода при первом нагреве, что приводит к формированию доступной поверхности активного компонента для реагентов реакционной смеси. Тем не менее катализатор остается неактивным в области низких температур. Прокаливание композита на воздухе при 450°C, а затем и при 700°C приводит к дальнейшему повышению активности (T10=25°C, T50=60°C), и катализатор по данным параметрам НТО CO приближается к эффективным катализаторам, полученным традиционными способами пропитки.Figure 6 shows the TPR-CO-O 2 curves for 3PdCeC, 3PdCe-450, 3PdCe-700 catalysts obtained upon first heating in the reaction mixture to 450 ° C (1) and upon reheating after cooling in the reaction mixture (2) . It is seen that the initial carbon-containing composite 3PdCe turns out to be inactive in the region of NTO CO, and the temperature of 50% conversion (T 50 ) is about 260 ° C. Cooling in the reaction mixture and reheating lead to a sharp increase in catalytic activity, and the T 50 value decreases to 150 ° C. This is due to carbon burnout during the first heating, which leads to the formation of an accessible surface of the active component for the reactants of the reaction mixture. However, the catalyst remains inactive at low temperatures. Calcination of the composite in air at 450 ° C, and then at 700 ° C, leads to a further increase in activity (T 10 = 25 ° C, T 50 = 60 ° C), and the catalyst, according to these parameters of NTO CO, approaches the efficient catalysts obtained traditional methods of impregnation.

Выполненные экспериментальные исследования показали, что металл-углеродный композит после отжига приобретает однородную микроструктуру, что сказывается на свойствах полученного материала. Полученный материал отличается высокой каталитической активностью при низких температурах, повышенной термостабильностью и устойчивостью к коррозии в агрессивных средах.The performed experimental studies showed that the metal-carbon composite after annealing acquires a uniform microstructure, which affects the properties of the obtained material. The resulting material is characterized by high catalytic activity at low temperatures, increased thermal stability and corrosion resistance in aggressive environments.

Claims (2)

1. Способ синтеза наноструктурного композиционного СеО2-PdO материала в плазме электрического разряда, включающий откачивание вакуумной камеры, наполнение ее инертным газом, зажигание электрической дуги постоянного тока между графитовым электродом и металл-углеродным композитным электродом, представляющим собой графитовый стержень с просверленной по центру полостью, и распыление композитного электрода, отличающийся тем, что в плазме электрического дугового разряда распыляют металл-углеродный композитный электрод, в просверленной по центру полости которого установлен стержень из церия, обернутый палладиевой фольгой, при этом весовое соотношение Pd/Ce составляет от 3 до 9%, затем выполняют отжиг синтезированного материала, включающего нанокристаллы Се2О3 и небольшое количество нанокристаллов Pd с характерными размерами 2-5 нм, путем его нагрева в кислородсодержащей среде при атмосферном давлении до температур 600, 700, 800, 900°С, выдержки в течение 2 ч и медленного охлаждения.1. A method of synthesizing a nanostructured composite CeO 2 -PdO material in an electric discharge plasma, including pumping out a vacuum chamber, filling it with an inert gas, igniting a direct current electric arc between a graphite electrode and a metal-carbon composite electrode, which is a graphite rod with a center-drilled cavity and spraying a composite electrode, characterized in that a metal-carbon composite electrode is sprayed in a drilled plasma in an electric arc discharge plasma Central cavity whereof a rod of cerium, palladium foil wrapped, wherein the weight ratio of Pd / Ce is between 3 and 9%, and then annealing is performed synthesized material comprising nanocrystals Ce 2 O 3 and small amounts of Pd nanocrystals with characteristic sizes of 2-5 nm , by heating it in an oxygen-containing medium at atmospheric pressure to temperatures of 600, 700, 800, 900 ° C, holding for 2 hours and slow cooling. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что инертный газ выбирают из группы: Не, Ne, Ar, Kr, Хе. 2. The method according to claim 1, characterized in that the inert gas is selected from the group: He, Ne, Ar, Kr, Xe.
RU2013130200/04A 2013-07-01 2013-07-01 METHOD OF SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURAL COMPOSITE CeO2-PdO MATERIAL RU2532756C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013130200/04A RU2532756C1 (en) 2013-07-01 2013-07-01 METHOD OF SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURAL COMPOSITE CeO2-PdO MATERIAL

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013130200/04A RU2532756C1 (en) 2013-07-01 2013-07-01 METHOD OF SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURAL COMPOSITE CeO2-PdO MATERIAL

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2532756C1 true RU2532756C1 (en) 2014-11-10

Family

ID=53382479

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013130200/04A RU2532756C1 (en) 2013-07-01 2013-07-01 METHOD OF SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURAL COMPOSITE CeO2-PdO MATERIAL

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2532756C1 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2433888C1 (en) * 2010-05-21 2011-11-20 Учреждение Российской Академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН) Method to synthesise nanoparticles of tungsten carbide

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2433888C1 (en) * 2010-05-21 2011-11-20 Учреждение Российской Академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН) Method to synthesise nanoparticles of tungsten carbide

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S.HINOKUMA, Structure and CO Oxidation Activity of Pt/CeO2 Catalysts Prepared Using Arc-Plasma, BULLETIN OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN, 2012, 85(1), pp. 144-149. S.HINOKUMA, Structure and Catalytic Property of Supported Rhodium Catalysts Prepared Using Arc-Plasma, CATALYSIS TODAY, 2011, 175, pp. 593-597. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101328294B1 (en) Process for producing carbon nanotube and catalyst for carbon nanotube production
Ueno et al. Particle-size distribution of nickel dispersed on silica and its effects on hydrogenation of propionaldehyde
US7374717B2 (en) Method for producing intermetallic compound porous material
CN110560081A (en) Alloy nano-particles and preparation method and application thereof
KR100965834B1 (en) Double metal-carbonnanotube hybrid catalyst and method for preparation thereof
Yu et al. Single-source-precursor synthesis of porous W-containing SiC-based nanocomposites as hydrogen evolution reaction electrocatalysts
Ko et al. Ordered mesoporous tungsten carbide nanoplates as non-Pt catalysts for oxygen reduction reaction
EP1967492B1 (en) Method for producing purified carbon nanotubes
Popov et al. Experimental redetermination of the Cu–Pd phase diagram
Kouotou et al. Controlled synthesis of Co 3 O 4 spinel with Co (acac) 3 as precursor
Keller et al. Preparation and characterization of SiC microtubes
JP6126145B2 (en) Exhaust gas purification catalyst and method for producing the same
JP2020044535A (en) Production method of carrying catalyst
WO2019049983A1 (en) Hydrogen reduction catalyst for carbon dioxide and method for producing same, hydrogen reduction method for carbon dioxide, and hydrogen reduction device for carbon dioxide
JP2013013864A (en) Method for manufacturing metal cluster supported catalyst
CN112938936B (en) Metal atom loaded nanocomposite and preparation method thereof
Wu et al. TiO 2 Supported Nano-Au Catalysts Prepared Via Solvated Metal Atom Impregnation for Low–Temperature CO Oxidation
RU2532756C1 (en) METHOD OF SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURAL COMPOSITE CeO2-PdO MATERIAL
Yin et al. Investigations of the nickel promotional effect on the reduction and sintering of tungsten compounds
Pielaszek et al. Molybdenum carbide catalyst formation from precursors deposited on active carbons: XRD studies
RU2433888C1 (en) Method to synthesise nanoparticles of tungsten carbide
JP2011093756A (en) Noble metal supporting silicon carbide particle and method for producing the same, catalyst containing the same and method for producing the same
Arkatova et al. Pt-implanted intermetallides as the catalysts for CH4–CO2 reforming
JP5811856B2 (en) Steam reforming catalyst and reforming catalyst body
de C. Roseno et al. Tri-Reforming of Methane over NdM 0.25 Ni 0.75 O 3 (M= Cr, Fe) Catalysts and the Effect of CO 2 Composition

Legal Events

Date Code Title Description
QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20180626

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190702