Новости

Aug 11, 2023

Исследование эволюции Pd

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5080 (2022 г.) Цитировать эту статью

3965 Доступов

5 цитат

53 Альтметрика

Подробности о метриках

Эффективная очистка выбросов метана на транспорте остается сложной задачей. Здесь мы исследуем палладиевые и платиновые моно- и биметаллические катализаторы на основе церия, синтезированные путем механического измельчения и традиционной пропитки для полного окисления метана в сухих и влажных условиях, воспроизводящие те, которые присутствуют в выхлопах автомобилей, работающих на природном газе. Применяя набор инструментов in situ синхротронных методов (рентгеновская дифракция, рентгеновское поглощение и фотоэлектронная спектроскопия при атмосферном давлении) вместе с просвечивающей электронной микроскопией, мы показываем, что метод синтеза сильно влияет на взаимодействие и структуру на наноуровне. Наши результаты показывают, что компоненты измельченных катализаторов обладают более высокой способностью превращать металлический Pd в оксиды Pd, сильно взаимодействующие с носителем, и достигать модулированного соотношения PdO/Pd, чем катализаторы, синтезированные традиционным способом. Мы показываем, что уникальные структуры, полученные в результате измельчения, являются ключевыми для каталитической активности и коррелируют с более высокой конверсией метана и более длительной стабильностью влажного сырья.

Материалы на основе палладия и платины, отдельно или в сочетании с Rh, являются современными катализаторами для различных систем последующей обработки выхлопов мобильных источников1,2,3,4. Биметаллические составы, содержащие Pd и Pt, используются в транспортных средствах, работающих на природном газе (NGV), для сокращения выбросов несгоревшего метана5,6,7, который является мощным парниковым газом с потенциалом глобального потепления, в 86 раз превышающим потенциал CO2 в течение 20 лет. период и в 34 раза выше на горизонте 100 лет8. В связи с экспоненциальным ростом использования газомоторных автомобилей в последние несколько лет, чему также способствовало увеличение количества возобновляемых транспортных средств, работающих на природном газе9,10, решение проблемы и сокращение выбросов метана в атмосферу становится все более серьезной проблемой, а оптимизация каталитической системы становится все более актуальной. вызывают растущий интерес7,11,12. Добавление платины к катализаторам на основе палладия, которые широко признаны наиболее активными в окислении метана, оказалось эффективным для улучшения стабильности катализатора против отравления серой13,14,15 и дезактивации, вызванной большим содержанием пара, присутствующего в выхлопы16,17,18,19.

За последние несколько лет было предпринято множество усилий по выявлению роли платины в активности и стабильности катализатора. Подавляющее большинство результатов было получено с использованием инструментов ex situ. Тем не менее, идентификация реальных действующих активных участков и понимание их эволюции требует методов in situ и операндо20,21. В связи с этим с помощью рентгеновской абсорбционной тонкой структурной спектроскопии in situ (XAFS) было обнаружено, что окисление Pd является предпосылкой активности горения CH422. Повышенная активность биметаллических катализаторов Pd-Pt во влажных условиях сопровождалась недостатком поверхностного кислорода, чего не наблюдалось при сухом обедненном метаном сырье, где кислород отравлял Pt23. В условиях горения бедного CH4 при низкой температуре было также обнаружено, что, хотя монометаллический Pd катализатор полностью окислялся при температуре 473–773 К, катализатор Pd-Pt (соотношение Pd:Pt 2:1) демонстрировал сосуществование Pd и PdO при тот же температурный диапазон. Это указывало на то, что Pt способствует образованию восстановленной фазы Pd, которую считали менее активной, чем PdO, при горении метана24. С помощью XAFS in situ проследили эволюцию биметаллического PtPd-катализатора и оценили его более высокую стабильность против спекания по сравнению с образцом, содержащим только Pd, благодаря образованию структуры ядро-оболочка25. Недавнее исследование рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (AP-XPS) при давлении, близком к атмосферному, показало, что в бедных условиях Pd имеет тенденцию полностью окисляться, что делает менее очевидным вклад платины в каталитическую активность по сравнению с поведением в стехиометрических условиях. где биметаллический катализатор показывает более низкую температуру зажигания, что объясняется сосуществованием Pd2+ и Pd0, чему способствует присутствие Pt26. Ранее методом РФЭС in situ было установлено, что поверхностная доля Pd2+ зависит от содержания Pt27. Несмотря на некоторое кажущееся противоречие в результатах, которое, вероятно, связано с разными условиями эксперимента, соотношением Pd:Pt и содержанием кислорода, все эти работы сходятся во мнении о сильном влиянии платины на электронное состояние Pd и, следовательно, на каталитические свойства.