Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Επίδραση των παραμέτρων της υδροθερμικής μεθόδου στις καταλυτικές ιδιότητες νανοδημήτριας
Other Titles: Effect of the parameters of hydrothermal method in catalytic properties of nanoceria
Authors: Καππής, Κωνσταντίνος
Keywords: Κατάλυση
Μονοξείδιο του άνθρακα
Υδροθερμική μέθοδος
Διοξείδιο του δημητρίου
Keywords (translated): Catalysis
Carbon monoxide
Hydrothermal method
Cerium dioxide
Abstract: Το διοξείδιο του δημητρίου ή δημήτρια (CeO2) θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα υλικά στον τομέα της κατάλυσης καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως ενεργός φάση, είτε ως υπόστρωμα σε διάφορες καταλυτικές αντιδράσεις. Στην περίπτωση που η δημήτρια κατέχει νανοδομημένη μορφή, μπορεί να προσφέρει αποτελεσματικότερες λειτουργίες που σχετίζονται με τα φαινόμενα της νανοκλίμακας. Για την ανάπτυξη νανοδομημένης δημήτριας έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες μέθοδοι, με την υδροθερμική μέθοδο να κατέχει σημαντικό ρόλο καθώς ελέγχοντας τις παραμέτρους της (χρόνο, θερμοκρασία, συγκέντρωση κ.α.), παρασκευάζονται νανοσωματίδια CeO2 με επιθυμητά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά. Στην παρούσα εργασία, εξετάστηκε η επίδραση των παραμέτρων μιας τροποποιημένης υδροθερμικής μεθόδου (μέθοδος κιτρικών-υδροθερμικής στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των νανοκαταλυτών δημήτριας. Παράμετροι της μελέτης ήταν η συγκέντρωση του NaOH και η θερμοκρασία της υδροθερμικής κατεργασίας. Για το χαρακτηρισμό των καταλυτών χρησιμοποιήθηκαν ρόφηση/εκρόφηση N2, περίθλαση ακτίνων-X (XRD), ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM), φασματοσκοπία διάχυτης ανάκλασης υπεριώδους-ορατού (UV-Vis DRS), φασματοσκοπία Raman και φασματοσκοπία EPR. Επίσης, έγινε μια προσπάθεια αποσαφήνισης του μηχανισμού σύνθεσης της μεθόδου κιτρικών-υδροθερμικής. Σε κάθε περίπτωση, οι νανοκαταλύτες δημήτριας εξετάστηκαν ως προς την ενεργότητα τους για την οξείδωση του CO, ενώ για το πιο ενεργό δείγμα πραγματοποιήθηκε και μια κινητική μελέτη για την οξείδωση του CO. Η ρόφηση/εκρόφηση N2 παρουσίασε το δείγμα 5M-120℃, ως τον καταλύτη με τη μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια (137 m2/g), ενώ οι μετρήσεις XRD έδειξαν ότι έχουν παρασκευαστεί υψηλής καθαρότητας σωματίδια CeO2. Μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διαπιστώθηκε ότι μπορούν να παρατηρηθούν διαφορετικές μορφολογίες από διάφορους συνδυασμούς των παραμέτρων της υδροθερμικής μεθόδου. Οι μετρήσεις UV-Vis DRS έδειξαν ότι οι διάφοροι συνδυασμοί των υδροθερμικών παραμέτρων αποδίδουν υλικά CeO2 με διαφορετικό οπτικό ενεργειακό χάσμα. Η φασματοσκοπία Raman πιστοποίησε την ύπαρξη ανηγμένης δημήτριας (CeO2-x), ενώ μέσω φασματοσκοπίας EPR φάνηκε ότι τα δείγματα που παρασκευάστηκαν με τις υψηλές συγκεντρώσεις NaOH (≥0.5 M) έχουν και μεγάλο αριθμό επιφανειακών ιόντων Ce3+. Οι καταλύτες CeO2 που παρασκευάστηκαν με τις χαμηλές συγκεντρώσεις NaOH (≤0.1 M) φάνηκαν πιο ενεργοί για την οξείδωση του CO σε σχέση με τους καταλύτες που παρασκευάστηκαν με τις υψηλές συγκεντρώσεις NaOH (≥0.5 M). Σχετίζοντας κατάλληλα τα πειραματικά αποτελέσματα, φαίνεται ότι η επίτευξη υψηλής ενεργότητας απαιτεί το συνδυασμό μορφολογίας και ατελειών κενών θέσεων οξυγόνου.
Abstract (translated): Cerium dioxide or ceria (CeO2) is considered as one of the most important materials in the field of catalysis, since it can be used either as an active phase or as a substrate for various catalytic reactions. In the case that ceria has a nanostructured form, it can yield more efficient functions related to the nanoscale phenomena. Several methods have been applied for the preparation of nanonostructured ceria. Among them, hydrothermal is very attractive, because appropriate optimization of the synthesis parameters (time, temperature, concentration etc.) can lead to materials with desirable physicochemical characteristics. In the present study, the effect of the parameters of a modified hydrothermal method (citrates-hydrothermal method) on the physicochemical characteristics of ceria nanocatalysts was examined. Parameters of the study were the concentration of NaOH and the temperature of the hydrothermal treatment. N2 adsorption/desorption, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), ultraviolet-visible diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis DRS), Raman spectroscopy and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy were used for the characterization of the catalysts. Also, discussion of the employed mechanism during hydrothermal route was provided. Ceria nanocatalysts were tested in CO oxidation reaction,, while a preliminary kinetic study of the reaction was carried out for the most active sample. N2 adsorption/desorption data indicated the 5M-120C catalyst as the one with the highest surface area (137 m2/g), while XRD measurements showed that pure CeO2 particles were prepared. By electron microscopy it was found that different morphologies from various combinations of the hydrothermal process parameters can be obtained. Ceria nanomaterials with different optical energy gap could be obtained as confirmed via UV-Vis DRS measurements. Raman spectroscopy confirmed the presence of reduced ceria (CeO2-x), while EPR spectroscopy showed that the samples prepared with high concentrations of NaOH (≥0.5 M), contain a large amount of surface Ce3+ ions. On the other hand, ceria catalysts prepared with low NaOH concentrations (≤0.1 M) were more active for CO oxidation than catalysts which are prepared with high concentrations of NaOH (≥0.5 M). It can be concluded, that various physicochemical data are in good agreement with the observed catalytic activity, which is promoted by the appropriate combination of nanostructured morphology and oxygen vacancy concentration.
Appears in Collections:Τμήμα Επιστήμης των Υλικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Kappis(mater).pdf8.19 MBAdobe PDFView/Open

This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons