Введение к работе
Актуальность работы. Диоксид титана со структурой анатаза находит широкое применение в различных областях науки и техники. Он используется в качестве носителя для ряда важных катализаторов защиты окружающей среды от оксидов азота и углерода, которые в настоящее время входят в круг наиболее массовых газообразных веществ, загрязняющих атмосферу Катализаторы, представляющие собой благородные металлы (Au, Pd, Pt), нанесенные на диоксид титана, являются весьма активными в процессах низкотемпературного окисления СО. Известны и другие, не менее важные области использования диоксида титана, такие как фотокаталитическое окисление вредных органических веществ, преобразования солнечной энергии в электрическую, ионообменные материалы.
В связи с постоянным ужесточением требований по минимизации
вредных выбросов, в том числе и дизельных двигателей
автотранспорта, проблема поиска новых высокоэффективных и
стабильных катализаторов низкотемпературного окисления СО
остается актуальной В настоящее время для этого процесса
используются нанесенные платиновые катализаторы Основным
недостатком Pt/ТіОг катализаторов является их низкая
термостабильность. При повышении температуры до 650-750С анатаз
переходит в рутил, и это значительно ухудшает его свойства как
носителя. Можно предполагать, что формирование
нанокристаллической структуры ТЮг путем модифицирования его соединениями церия и кремния будет приводить к увеличению термостабильности по сравнению с анатазом с регулярной структурой
В то же время, в нанесенных Pt/Ti02 катализаторах изменение микроструктуры анатаза будет оказывать значительное влияние и на его взаимодействие с активным компонентом, что приведет к изменению дисперсности и электронного состояния платины, и несомненно, скажется на каталитических свойствах. По данному вопросу в литературе нет однозначного мнения В связи с этим изучение влияния микроструктуры носителя на физико-химические и каталитические свойства Pt/ТіОг катализаторов в реакции окисления СО является актуальной фундаментальной и прикладной задачей, поскольку позволит усовершенствовать существующие катализаторы и разработать новые.
\
Цель работы. Синтез и исследование особенностей формирования термостабильных носителей на основе диоксида титана, модифицированного добавками соединений церия и кремния, и их использование в нанесенных платиновых катализаторах окисления СО
Основные положения, выносимые на защиту
Синтез и исследование особенностей формирования микроструктуры и текстуры ТЮ2 (анатаза) при модифицировании его добавками церия и кремния.
Изучение влияния микроструктуры полученных носителей на дисперсность и распределение частиц платины, электронное состояние платины и состояние кислорода в нанесенных Pt/ТіОг, Pt/Ce-Ti02 катализаторах Выявление факторов, позволяющих регулировать дисперсность и электронное состояние платины.
Изучение влияния размера частиц нанесенной платины в Pt/Ti02, Pt/Ce-Ti02 катализаторах на формы адсорбированного СО.
4 Исследование каталитических свойств полученных катализаторов в реакции окисления СО. Сопоставление данных физико-химических исследований с каталитическими свойствам. Объекты исследования. В работе проведен синтез и изучено формирование наноструктурированных оксидных носителей на основе ТіОг, модифицированных добавками церия и кремния в широком интервале соотношения компонентов и температур прокаливания С использованием полученных носителей синтезированы и изучены нанесенные Pt/ТіОг, Pt/Ce-Ti02 катализаторы
Научная новизна. Показано, что модифицирование диоксида титана добавками церия (или кремния) приводит к формированию наноструктурированных оксидных соединений со структурой анатаза, состоящих из некогерентно сросшихся между собой высокодисперсных кристаллитов, с образованием между ними межблочных границ, в которых стабилизируются ионы церия (либо тонкие прослойки S1O2). Формирование наноструктуры стабилизирует фазу анатаза, препятствует спеканию его частиц при достаточно высокой температуре и приводит к сохранению большей величины удельной поверхности и более развитой пористости по сравнению с чистым диоксидом титана.
Показано, что микроструктура исходного носителя оказывает существенное влияние на свойства нанесенных Pt/Ti02 и Pt/Ce-ТЮг катализаторов. Использование наноструктурированных носителей ТіОг приводит к формированию высокодисперсных кластеров платины с
размером 0,3-0,5 нм, стабилизированных в области межблочных границ, образованных нерегулярно сросшимися между собой частицами анатаза Это обусловливает высокую каталитическую активность Pt/Ce-Ті02 катализаторов в реакции окисления СО.
Практическая значимость. Полученные результаты позволили разработать метод синтеза наноструктурированных носителей на основе ТЮг, характеризующихся более высокой дисперсностью и повышенной термостабильностью, по сравнению с Ті02 с регулярной структурой Синтезированы новые Pt/Ce-ТЮг катализаторы, обладающие высокой каталитической активностью в реакции низкотемпературного окислении СО. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых и усовершенствовании существующих нанесенных металлических катализаторов
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в разработке методов синтеза наноструктурированных носителей на основе диоксида титана и нанесенных на них платиновых катализаторов. Активно участвовал в анализе и обсуждении результатов физико-химических исследований, полученных в сотрудничестве с другими подразделениями Института катализа, проработал литературу по направлению исследования, обобщил и проанализировал экспериментальные данные, сделал заключение, описал полученные результаты
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 231 наименование. Работа изложена на 145 страницах, включая 51 рисунок и 17 таблиц.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на VII Российской конференции «Механизмы каталитических реакций» (с международным участием) г Санкт-Петербург, 2006 г, 4th EFCATS School on catalysis «Catalysis design - from molecular to industrial level», Tsars Village (St.Petersburg), Russia, 2006; II Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2007» г. Новосибирск, 2007 г, III International Conference «Catalysis: Fundamentals and Application», Novosibirsk, Russia, 2007; EuropaCat-VIII, Turku/Abo, Finland, 2007; XIX Симпозиуме «Современная химическая физика», г. Туапсе, 2007 г; Всероссийской конференции «Каталитические технологии защиты окружающей среды для промышленности и транспорта» (с международным участием) г Санкт-Петербург, 2007 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ. В том числе, 3 статьи в рецензируемых научных журналах и 8 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях
