Кинетика и катализ, 2022, T. 63, № 5, стр. 573-583
Природа активности катализаторов (0.5–15)%СoО/CеO2 в реакции окисления СО кислородом в избытке водорода
А. Н. Ильичев a, *, М. Я. Быховский a, З. Т. Фаттахова a, Д. П. Шашкин a, В. Н. Корчак a
a ФГБУН Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН
119991 Москва, ул. Косыгина, 4, Россия
* E-mail: Ilichev-alix@yandex.ru
Поступила в редакцию 18.01.2022
После доработки 21.04.2022
Принята к публикации 24.05.2022
- EDN: WTCDLZ
- DOI: 10.31857/S0453881122050045
Аннотация
Изучены образцы (0.5–15)%СоО/СеO2, Со3О4 и СеО2 в реакции окисления СО в СО2 в смеси СО + + О2 + Н2 в области 40–340°С. Наибольшей активностью в окислении СО обладает 10%СоО/СеО2 с характерной величиной конверсии СО в СО2 γ50 = 50% при Т50 ≈ 140°С и γ ≈ 100% при Т = 180–220°С. Выход СО2 понижается при 220–240°С в результате конкуренции за кислород в реакциях окисления СО и Н2, а при Т > 240°C – из-за расхода СО в реакции метанирования. По данным РФА и ТПВ-Н2 оксид кобальта в образце 10%СоО/СеО2 присутствует в двух формах высокодисперсного оксида Со3О4 (кластеров СохОу), взаимодействующих с носителем, и в виде фазы Со3О4. Окисление СО в области 60–180°С протекает на кластерах СохОу. В этих условиях активность частиц фазы Со3О4 в чистом оксиде и в катализаторе 10%СоО/СеО2 ниже, чем у кластеров. Исследовано влияние свойств адсорбционных комплексов, образующихся с участием кислорода кластеров и газовой фазы, на зависимость конверсии СО от температуры.
ВВЕДЕНИЕ
Топливные элементы преобразуют химическую энергию окисления водорода кислородом воздуха в электрическую практически без вредных отходов. В перспективе мобильные и стационарные установки на их основе могут заменить двигатели внутреннего сгорания и решить проблему загрязнения окружающей среды автомобильными выхлопами. Указанная реакция протекает на платиносодержащих мембранах с высокой эффективностью при 80°С, если примесь ингибитора СО в потоке Н2 не превышает 10 м. д. [1]. В промышленности водород получают из органического сырья, и в нем содержится около 2% примеси оксида углерода. Такую смесь можно очистить от СО до необходимого уровня, используя гетерогенную реакцию селективного окисления СО кислородом в водороде при низкой температуре на каталитических системах, таких как нанесенные металлические катализаторы, содержащие Pt, Pd, Ir, Ru , Rh и Au, и нанесенные оксидные катализаторы с оксидами переходных металлов [2]. Интерес катализаторам второй группы обусловлен их низкой стоимостью по сравнению с катализаторами первой группы. Так, медно-цериевые системы не уступают по своим свойствам системам с благородными металлами из-за синергического взаимодействия оксидов в катализаторах CuO/CeO2 [3–6]. Оксид Со3О4 обладает уникальной способностью окислять СО при низкой температуре (Т50 = −63°С) [7, 8], однако его активность уменьшается в результате изменения структуры Со3О4 и состояния окисления Со. В работе [9] отмечалось, что свойства оксида Со3О4 в катализаторах можно оптимизировать при увеличении его дисперсности, благодаря чему повышается доля частиц с активными центрами на поверхности носителя. Взаимодействие частиц с носителем предотвращает их рост при термоактивации катализатора в условиях реакции и влияет на каталитическую активность в результате синергического эффекта [10–14].
Так, в реакции окисления СО в СО2 в смеси СО + О2 + Н2 наибольшая активность оксида кобальта, нанесенного на оксиды СеО2, ZrO2, Al2O3, TiO2 и SiO2, была зафиксирована в случае катализатора 10%СоО/ZrO2 [15]. Среди оксидов СuO, CoOx, MnO2, NiO, Cr2O3, Fe3O4 и V2O5, нанесенных на CeO2, самым активным был 10%СоОх/СеО2, в присутствии которого конверсия СО в СО2 составила 100% при 175°С [16]. Активность образца 10%СоО/CeO2 сохранялась в течение длительного время в условиях реакции и объяснялась высокой адсорбцией СО на дисперсном оксиде кобальта [17]. Для проверки этого предположения в работе [18] мы исследовали адсорбцию СО на образцах (0.5−15)%СоО/СеО2 при 20°С и установили, что количество хемосорбированного СО повышается с увеличением содержания оксида кобальта в результате образования карбонильных и карбонатных комплексов на кластерах нанесенного оксида.
В настоящей работе изучен структурный состав катализаторов (0.5−15)%СоО/СеО2 и формы нанесенного оксида кобальта методами РФА и ТПВ-Н2. Об активности образцов в реакции окисления СО кислородом в избытке Н2 судили по зависимости конверсии СО в СО2 от температуры. Также было исследовано влияние содержания и форм оксида кобальта на конверсию.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы CоO/СеО2 готовили методом пропитки. Оксид СеО2 получали пиролизом азотнокислой соли Ce(NO3)3 ⋅ 6H2O при 500°С в течение 3 ч, пропитывали раствором азотнокислого кобальта Со(NO3)2 6H2O из расчета содержания в готовом катализаторе 0.5, 1, 2.5, 5, 10 и 15 мас. % СоO, сушили, прогревали на воздухе, повышая температуру от 20 до 500°С со скоростью 10 град/мин, и выдерживали при 500°С в течение 1 ч. Оксид Со3О4 синтезировали пиролизом азотнокислого кобальта при 500°С на воздухе в течение 2 ч.
Удельную поверхность образцов находили методом БЭТ. Рентгенофазовый анализ выполняли на дифрактометре ДРОН-3М (“Буревестник”, Россия) в диапазоне углов 2θ от 8° до 70°. Фазовый состав образцов и параметры решетки определяли, сопоставляя полученные рентгенограммы с дифракционными данными из международной картотеки JCPDS [19]. Средний размер кристаллитов оценивали по формуле Дебая–Шеррера.
Формы оксида кобальта в катализаторах изучали методом ТПВ-Н2 в потоке смеси 6% Н2 с Ar (30 мл/мин) при нагревании образца со скоростью 5°С/мин в области от 30 до 700°С в соответствии с методикой работы [12]. Образец весом 100 мг помещали в реактор, прогревали в потоке кислорода при 500°С в течение 10 мин и охлаждали до 30°С. Такой образец будем называть окисленным. Далее на окисленный образец напускали водородную смесь и записывали профиль ТПВ-Н2, используя детектор по теплопроводности. Количество поглощенного водорода определяли по площади под профилем, сопоставляя ее с соответствующей величиной, полученной для стандарта (NiO). Количество, положение и площади пиков в профилях анализировали с помощью программы OriginPro 2016.
Активность катализаторов изучали в потоке газа с объемным составом 98% Н2, 1% СО и 1% О2 при скорости потока 20 мл/мин в соответствии с [12]. На предварительно окисленный образец, содержащий смесь 50 мг порошка катализатора и 70 мг кварца фракции 0.10−0.25 мм, напускали реакционную смесь. Продукты реакции разделяли на колонках с молекулярными ситами 13Х и силикагелем и регистрировали на хроматографе Кристалл 2000 М (“Хроматек”, Россия). Значения конверсии СО (γ), О2 (β) и выхода продуктов СО2 (δ) и СН4 (ε) вычисляли при разных температурах по формулам:
Концентрации реагентов [СO]нач, [CО]кон, [O2]нач, [O2]кон и [CH4]кон определяли на входе и выходе из реактора. При нахождении концентраций реагентов хроматографическим методом с погрешностью 5% ошибка для значений γ и δ составляла ∆ = ±(3−4)%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Характеристики образцов по данным РФА
В табл. 1 приведены данные РФА для образцов СеО2, Со3О4 и (0.5−15)%СоО/СеО2. Межплоскостные расстояния (d, Å) и размер кристаллитов (L, нм) рассчитаны на основании наиболее интенсивных рефлексов (I, %) для соответствующих фаз. Сопоставление значений параметра d показывает, что в образцах (0.5−15)%СоО/СеО2 оксид церия находится в кубической модификации. В образцах (10−15)%СоО/СеО2 также присутствует фаза кобальтовой шпинели с параметрами, характерными для чистого оксида Со3О4.
Таблица 1.
Образец | Sуд, м2/г | Фазовый состав | Параметры рентгенограмм | Размер кристаллитов, нм | |
---|---|---|---|---|---|
d, Å | I, % | ||||
СеО2 | 66 | CеО2(кубическая решетка) | 3.127 | 100 | 11 |
Оксид кобальта | 6 | Со3О4(шпинель) | 2.437 | 100 | 20 |
(0.5–5)%СоО/СеО2 | 60–56 | CеО2(кубическая решетка) | 3.127 | 100 | 11 |
10%СоО/СеО2 | 50 | CеО2(кубическая решетка) Со3О4(шпинель) |
3.123 2.436 |
100 7 |
10 7 |
15%СоО/СеО2 | 44 | CеО2(кубическая решетка) Со3О4(шпинель) |
3.130 2.441 |
100 12 |
11 10 |
Из табл. 1 видно, что оксид Со3О4 с наибольшим размером кристаллитов L = 20 нм обладает наименьшей удельной поверхностью (Sуд= 6 м2/г). Поверхность оксида СеО2 (Sуд= 66 м2/г) выше, чем у образцов (0.5−15)%СоО/СеО2, для которых ее значение понижается от 60 до 44 м2/г с увеличением содержания в них оксида кобальта.
Образование фазы Со3О4 в образцах (10−15)%СоО/СеО2 ожидаемо, так как количество катионов кобальта в них ((1.6–2.8) × 1019 м–2) превышает количество ионов на поверхности носителя. Размер кристаллитов нанесенного Со3О4(7−10 нм) меньше, чем у чистого оксида Со3О4 (20 нм). Фаза Со3О4 не наблюдается в образцах с содержанием 0.5−5% СоО. Вероятно, при синтезе этих катализаторов скорость агрегации частиц оксида кобальта в структуру Со3О4 может быть невелика как из-за низкой концентрации частиц СоО, так и возможности их достаточно сильного взаимодействия с носителем. Сила взаимодействия между СоО и СеО2 в этом процессе может быть определяющей, так как, например, на инертном носителе SiO2 с высокой удельной поверхностью (46 и 196 м2/г) в образцах 5%СоО/SiO2 весь нанесенный оксид кобальта образует кобальтовую шпинель, как было показано нами ранее в [12].
Таким образом, отсутствие рефлексов фазы Со3О4 в дифрактограммах образцов 0.5−5%CoO/CeO2, небольшой размер кристаллитов фазы Со3О4 в катализаторах (10−15)%СоО/СеО2, по сравнению с таковым в Со3О4 и сохранение структурных параметров носителя в кобальтсодержащих образцах свидетельствуют о высокой дисперсности оксида кобальта и его стабилизации на поверхности СеО2 в результате достаточно сильного взаимодействия между оксидами.
Формы оксида кобальта в образцах (0.5−15)%CoO/СеO2 по данным ТПВ-Н2
На рис. 1 приведены профили ТПВ-Н2 для образцов (0.5−15)%CoO/СеO2,Co3O4 и СеО2. В случае оксида кобальта профиль имеет плечо при 330°С и максимум при Тmаx = 385°С (кривая 8), что соответствует последовательному восстановлению Co3O4:
В первой реакции катионы Со3+ в октаэдрической координации восстанавливаются до Со2+, а во второй катионы Co2+ в тетраэдрической координации восстанавливаются до металлического Со. Водород в реакциях расходуется в отношении 1 : 3 [20]. Профиль оксида церия (кривая 1) имеет пики поглощения водорода при Тmах равной 390 и 506°С. В соответствии с [21] они обусловлены восстановлением нестехиометрического оксида СeOx. В табл. 1 и 2 приведены количества поглощенного катализаторами водорода ([Н2], моль/г) и удельные поверхности образцов (Sуд, м2/г). Отношение этих величин соответствует количеству поглощенного водорода на квадратном метре оксида (${{N}_{{{{{\text{H}}}_{2}}}}}$ , моль/м2). Для СеО2 значение ${{N}_{{{{{\text{H}}}_{2}}}}}$ = = 0.13 × 10–4 моль/м2, что близко к стехиометрическому количеству ионов кислорода на поверхности (~0.11 × 10–4 моль/м2). Следовательно, можно полагать, что в температурном интервале 300−600°С водород окисляется кислородом поверхности оксида. В пользу этого свидетельствует и тот факт, что окисление водорода кислородом из объема оксида СеО2 протекает при Т > 700°C.
Таблица 2.
Образец | [H2] × 103, моль/г | [H2]р × 103, моль/г | ([H2] – [H2]p) × 103, моль/г |
---|---|---|---|
0.5%СоО/СеО2 | 1.0 | 0.088 | 0.9 |
1%СоО/СеО2 | 0.74 | 0.18 | 0.56 |
2.5%СоО/СеО2 | 1.1 | 0.44 | 0.66 |
5%СоО/СеО2 | 1.56 | 0.88 | 0.68 |
10%СоО/СеО2 | 2.35 | 1.76 | 0.59 |
15%СоО/СеО2 | 2.96 | 2.64 | 0.32 |
СеО2 | 0.88 | 0 | 0.88 |
На рис. 1 профили для образцов (0.5−15)%CoO/СеO2 представлены кривыми 2−7. В работе [22] полагают, что сильно взаимодействующий с носителем высокодисперсный оксид Со3О4 присутствует в катализаторах в двух формах. В них частицы Со3О4 отличаются размером и температурой восстановления. Так, форма 1 состоит из частиц оксида кобальта небольшого размера, которые восстанавливаются водородом в области 70−175°C. Более крупные частицы этого оксида в форме 2 восстанавливаются только при 170−225°С. Продукт этих реакций СоО восстанавливается до металла в области 225−325°С согласно [22]. Пик поглощения водорода, обусловленный восстановлением СоО, смещается в область высоких температур от 270 до 290°С с увеличением содержания оксида кобальта в образцах от 5 до 15%. Такой сдвиг можно объяснить возрастанием размера кристаллитов оксида кобальта. В профилях образцов (10−15)%СоО/СеО2 (кривые 6 и 7) имеются интенсивные пики в области 325−425°С, соответствующей восстановлению чистого оксида Со3О4 (кривая 8). Эти пики, наиболее вероятно, характеризуют восстановление крупных частиц фазы Со3О4, слабо взаимодействующей с носителем [16, 23]. Ее присутствие в образцах подтверждают данные РФА из табл. 1. В профилях 2−7 наблюдаются пики при Тmах = = 458–474°С, расположенные выше температурной области восстановления фазы Со3О4. Они связаны с оксидом кобальта, так как их интенсивность и положение зависят от содержания нанесенного оксида в образцах. В соответствии с [12, 23] в этой температурной области восстанавливаются частицы оксида СоО, сильно взаимодействующего с носителем, который, возможно, формируется в водороде из дисперсного оксида Со3О4.
Таким образом, в окисленных образцах (0.5−15)%СоО/СеО2 присутствуют две формы дисперсного оксида Со3О4. Они восстанавливаются водородом до СоО в разных температурных областях: 70−175 и 170−225°С. Катализаторы 10%СоО/СеО2 и 15%СоО/СеО2 содержат фазу Со3О4 (325−425°С). Повышение температуры окисления водорода кислородом этих структур свидетельствует об увеличении в них прочности связи кислорода при возрастании размера частиц оксида кобальта.
В табл. 2 приведены общие количества поглощенного водорода [H2] образцами (0.5–15)%СоО/СeO2 и рассчитанные количества водорода [H2]р, которые необходимо затратить на восстановление всего нанесенного Со3О4 до металла. Их разность η = [Н2] – [Н2]р соответствует количеству атомов кислорода катализатора, поставляемому носителем в реакцию окисления водорода. Так, при содержании 0.5% СоО величина η = 0.9 × 10–3 моль/г сопоставима с количеством атомов кислорода, поставляемых оксидом СеО2 (0.88 × 10–3 моль/г) для окисления водорода. Для образца 1%СоО/СеО2 значение η уменьшается до 0.56 × 10–3 моль/г, а далее с ростом содержания оксида кобальта до 5% повышается до 0.68 × 10–3 моль/г. Это означает, что в указанных катализаторах кислород нанесенного оксида и носителя окисляет водород. В случае образцов 10%СоО/СеО2 и 15%СоО/СеО2 количество атомов кислорода носителя, участвующего в окислении водорода, уменьшается до 0.59 × 10–3 и 0.3 × 10–3 моль/г соответственно, вероятно, из-за увеличения покрытия поверхности СеО2 частицами фазы Со3О4, слабо связанными с носителем.
Как видно из рис. 1, в профилях 2–7 кобальтсодержащих образцов отсутствуют широкие пики поглощения водорода при 390 и 506°С, которые наблюдаются в профиле 1 образца СеО2. Это обусловлено синергическим эффектом, благодаря которому при сильном взаимодействии Со3О4–СеО2 понижается энергия связи кислорода в оксидах, а температура реакции окисления водорода таким кислородом падает до 70–290°С относительно таковой для чистых оксидов Со3О4 (300–400°С) и СеО2 (300–550°С).
Окисление СО кислородом в избытке водорода на образцах (1–15)%CoO/СеO2
На рис. 2 приведены зависимости конверсии СО в CО2 от температуры γ(Т) в области 60–260°С, которые получены в потоке смеси СО + О2 + + Н2 на образцах (1–15)%СоО/СеО2 и оксидах Со3О4 и СеO2. Видно, что c ростом содержания оксида кобальта в образцах от 0 до 15% конверсия СО увеличивается, зависимости γ(Т) смещаются в область низких температур (кривые 1–5). Максимальная конверсии γmах, близкая 100% при 180°С, отмечается для образце 10%СоО/СеO2. В области 60–200°С конверсия СО в его присутствии выше, чем на 15%СоО/CeO2 (кривые 5 и 6). Это может быть связано с уменьшением адсорбции СО при повышении содержания фазы оксида кобальта в указанных образцах согласно [18]. В случае оксида Сo3O4 значение γmах составляет 83% при Т = 220°С (кривая 7), а на СеO2 величина γmах достигает 15% при 260°С (кривая 1).
Наблюдаемое увеличение конверсии СО в низкотемпературной области 60–200°С с ростом содержания оксида кобальта в образцах (1–15)%СоО/СеO2 относительно этого показателя для оксидов Сo3O4 и СеO2 позволяет полагать, что реакция протекает на дисперсных формах Со3О4, в которых прочность связи кислорода ниже, чем в отдельных оксидах.
Влияние реакций окисления водорода и метанирования на конверсию СО в СО2
На рис. 3 приведены зависимости конверсии СО, О2 и выход СО2, СН4 от температуры в области 60–340°С, полученные на самом активном в окислении СО образце 10%СоО/СеO2. Так, в интервале от 60 до 160°С реакция окисления СО в СО2 протекает со 100% селективностью, поскольку количества расходуемого оксида углерода (кривая 1) и кислорода (кривая 2) соответствуют стехиометрическим коэффициентам уравнения СО + 0.5О2 → СО2. При Т > 160°C расход кислорода увеличивается и превосходит величину, необходимую для окисления СО, из-за участия О2 в реакции окисления водорода. В соответствии с данными ТПВ-Н2 при этих температурах водород окисляется кислородом на дисперсном Со3О4. Несмотря на то, что в температурной области 180–220°С кислород расходуется полностью в этих реакциях (β = 100%), конверсия СО близка к 100%, вероятно, из-за протекания реакций на разных формах Со3О4. Скорость окисления СО в СО2 при 220–240°C понижается (кривые 1 и 3) в результате увеличения скорости расходования кислорода на окисление водорода по сравнению со скоростью его расходования на окисление СО. При температуре выше 240°С наблюдается метан в газовой фазе (кривая 4). В этом случае выход СО2 падает из-за дополнительного расхода СО в реакции метанирования. В тоже время метанирование приводит к увеличению конверсии СО.
На рис. 4 сопоставлены зависимости выхода СО2 и СН4 от температуры для образцов 10%СоО/СеO2 и Со3О4. Видно, что в случае Со3О4 в области температур Т > 220°С, когда выход СО2 становится ниже ~50%, в газовой фазе появляется метан (кривые 3 и 4). Реакция метанирования начинается при 220°С, и при 280°С выход СН4 достигает 100%. На катализаторе 10%СоО/СеO2 образование метана наблюдается при более высоких температурах – от 260 до 330°С (кривая 2).
Согласно [10] метанирование протекает при диссоциативной адсорбции реагентов СО и Н2 на частицах металла Со. Так как в нашем случае температура реакции ниже температуры полного восстановления водородом оксида Со3О4 до металлического кобальта (~385°С) (рис. 1), то на частично восстановленном оксиде Со3О4 процесс может идти через адсорбцию СО на катионах Со3+ и диссоциацию молекул СО и Н2 на катионах Cо2+, расположенных рядом с кислородными вакансиями, в соответствии с механизмом, предложенным для Со3О4 в [24]. В случае образца 10%СоО/СеО2 активными центрами в метанировании могут быть как частицы металлического кобальта, образующиеся при восстановлении дисперсного Со3О4 водородом при Т ≤ 260°C, так и катионы кобальта в частично восстановленной фазе Со3О4. Механизма метанирования на кобальтцериевых катализаторах требует дополнительного исследования.
Из рис. 4 видно, что окисление СО в водородсодержащей смеси протекает в более широком температурном окне (60–350°С) на образце 10%СоО/СеО2, чем на оксиде кобальта (60–260°С) (кривые 1 и 3). Это связано с особенностями восстановления образцов в смеси СО + О2 + Н2 при высоких температурах. Оксид Со3О4 восстанавливается легче, чем 10%СоО/СеО2, поэтому его активность в метанировании выше (кривые 2 и 4), а в окислении СО – меньше (кривые 1 и 3), чем у катализатора. Более высокая активность в окислении СО оксида кобальта в составе катализатора 10%СоО/СеО2 по сравнению с Со3О4 в области 220–350°С может быть связана с поддержанием кобальтовых центров в окисленном состоянии за счет кислорода носителя.
Для выяснения природы оксида кобальта, участвующего в реакции окисления СО при низких температурах, было проведено сравнение активностей окисленного катализатора и образца, подвергнутого восстановительно-окислительной обработке, изменяющей соотношение форм оксида кобальта.
Природа оксида кобальта, участвующего в низкотемпературном окислении СО на катализаторе 10%СоО/СеO2
На рис.5 сопоставлены профили ТПВ-Н2 для образца 10%СоО/СеО2: окисленного (образец 1, кривая 1) и восстановленного в опыте ТПВ-Н2, а затем окисленного в потоке кислорода при 500°С в течение 20 мин (образец 2, кривая 2). Профили состоят из шести пиков с максимумами при температурах Тmах. Количества поглощенного водорода (моль/г) в пиках (Σ(Тmах)) приведены в табл. 3 для образцов 1 и 2 соответственно. Видно, что после восстановительно-окислительной обработки образец 2 содержит примерно в три раза меньше атомов кислорода в двух формах дисперсного Со3О4 (130°С), Со3О4 (245°С) и оксиде СоО (470°С), чем в таких же формах оксида кобальта в окисленном образце 1. В образцах 1 и 2 количество кислорода в форме СоО (270, 277°С) практически совпадает, а при восстановлении фазы Со3О4 (344, 375°С) и Со3О4 (336, 375°С) расходуется 1.034 × 10–3 и 1.13 × 10–3 моль/г атомов кислорода соответственно. В шести пиках суммарное количество кислорода для образца1 (2.36 × 10–3 моль/г) больше, чем для образца 2 (1.798 × 10–3 моль/г) на ~24%. Это различие можно объяснить присутствием в образце 2 либо частиц металлического Со, окисление которых кислородом затруднено, либо соединений СеСоОх с высокой прочностью связи кислорода, не активного в окислении водорода [25].
Таблица 3.
Образец | Тmах, °С | Σ(Тmах) × 103, моль/г | Восстановление в водороде | Состояние оксида кобальта |
---|---|---|---|---|
1 | 120 | 0.055 | Со3+ → Со2+ | Со3О4 (форма 1) |
240 | 0.52 | Со3+ → Со2+ | Со3О4 (форма 2) | |
277 | 0.4 | Со2+ → Со0 | СоО (формы 1, 2) | |
344 | 0.184 | Со3+ → Со2+ | Фаза Со3О4 | |
375 | 0.85 | Со2+ → Со0 | Фаза СоО | |
463 | 0.35 | Со2+ → Со0 | СоО (форма 1 или 2) | |
2 | 130 | 0.018 | Со3+ → Со2+ | Со3О4 (форма 1) |
245 | 0.17 | Со3+ → Со2+ | Со3О4 (форма 2) | |
270 | 0.35 | Со2+ → Со0 | СоО (формы 1, 2) | |
335 | 0.17 | Со3+ → Со2+ | Фаза Со3О4 | |
375 | 0.96 | Со2+ → Со0 | Фаза СоО | |
470 | 0.13 | Со2+ → Со | СоО (форма 1 или 2) |
На рис. 6 приведены зависимости конверсии СО в СО2 от температуры, полученные в смеси СО + + О2 + Н2 для окисленного образца 10%СоО/СеО2 (кривая 1), для образца 10%СоО/СеО2, восстановленного в условиях ТПВ-Н2, а затем окисленного в потоке кислорода (кривая 2), и окисленного образца Cо3О4 (кривая 3). Видно, что окисленный образец 10%СоО/СеО2 обладает наибольшей активностью в реакции. Так, в его присутствии получена 50% конверсия при Т50 ≈ 140°С, а при 180–220°С этот показатель близок к 100%. После восстановительно-окислительной обработки активность образца практически совпадает с активностью чистого оксида Со3О4. На них 50% конверсия СО достигается только при Т50 ≈ 170°C, максимальные значения конверсии (80 и 91%) зафиксированы при 200 и 220°С. С учетом данных табл. 3 можно полагать, что активность в окислении СО окисленного образца 10%СоО/СеО2 в температурной области Т50 ≈ 140°С обусловлена дисперсным оксидом Со3О4, так как уменьшение в 3 раза количества частиц в этой форме оксида согласуется со снижением активности катализатора в реакции окисления СО. После восстановительно-окислительной обработки в образце 10%СоО/СеО2 оксид кобальта присутствует в двух основных формах: оксид СоО (270°С) и фаза Со3О4 (335–375°С), на которых может протекать окисление СО при температуре Т50 = 170°С. Участие частиц нанесенной фазы Со3О4 в реакции при 170°С подтверждается также данными об ее активности в катализаторах СоО/SiO2 и CoO/ZrO2 в [12]. Маловероятно участие СоО (460–470°С) в составе образца 10%СоО/СеО2 в окислении СО из-за высокой прочности в нем связи кислорода.
О механизме реакции окисления СО при низких температурах в смеси СО + О2 + Н2 на катализаторах СоО/СеO2
Среди исследованных образцов (1–15)%СоО/СеO2, Сo3O4 и СеO2 в реакции окисления СО в СО2 в потоке смеси СО + О2 + Н2 максимальной активностью обладает катализатор 10%СоО/СеО2. В его присутствии температура 50%-ного превращения СО в СО2 составляет 140°С при селективности 100% (рис. 3). В области 180–220°С конверсия СО в СО2 близка к 100% при содержании СО на выходе ~10 м. д. Далее выход СО2 понижается при 220–240°C в результате конкуренции за кислород в реакциях окисления СО и Н2, а выше 240°С – из-за увеличения расхода СО в метанировании.
На образце 10%СоО/СеО2 температурное окно окисления оксида углерода находится в интервале 60–330°С и значительно шире такового для фазы оксида Со3О4 (100–260°С). Это обусловлено высокой активностью дисперсного оксида Со3О4 при низких температурах и его малой активностью при высоких температурах в реакциях окисления водорода и метанирования по сравнению с активностью в окислении СО (рис. 2 и 4). В соответствии c данными табл. 3 в окисленном образце 10%СоО/СеО2 дисперсный оксид кобальта присутствует в двух формах: Со3О4 (120°С) и Со3О4 (240°С). В них активный кислород легче окисляет водород при указанных температурах, чем кислород фазы Со3О4 (375°С). Это позволяет полагать, что дисперсный оксид кобальта присутствует в катализаторе в виде кластеров CoxOy. В результате их сильного взаимодействия с носителем они, возможно, имеют искаженную структуру Co3O4. В ней присутствует больше ионов кислорода, энергия связи которых меньше, чем у таковых в фазе Cо3О4, слабо связанной с СеО2 [26, 27]. Этим объясняется высокая активность кластеров в окислении СО по сравнению с фазой Со3О4 в чистом оксиде кобальта (рис. 2) или в катализаторах 5%СоО/SiO2 и 10%СоО/ZrO2 [12]. В пользу этого свидетельствует также уменьшение активности образца 10%СоО/CeO2 при низких температурах после его восстановительно-окислительной обработки, в результате которой кластеры превращаются в частицы фазы Со3О4 и оксида СоО (рис. 5 и 6).
Имеется корреляция между активностями образцов (1–10)%СоО/СеO2 в реакции окисления СО в СО2 в смеси СО + О2 + Н2 и в хемосорбции СО при 20°С, изученной в [18]. Повышение скорости окисления и количества адсорбированного СО в этих процессах с увеличением содержания оксида кобальта в образцах предполагает их протекание на кластерах СохОу. Так, на образце 10%СоО/СеО2 оксид углерода окисляется в основном на кластерах СохОу, которые характеризуются температурой восстановления в Н2 при 240°С. Они содержат достаточное количество ионов кислорода (0.52 × 10–3 моль/г) с низкой связью для образования на них адсорбционных комплексов в количествах 0.18 × 10–3 и 0.21 × 10–3 моль/г при адсорбции СО и СО + О2 соответственно. Вклад в окисление и адсорбцию СО кластеров СохОу (120°С) мал из-за низкого содержания в них ионов кислорода (0.055 × 10–3 моль/г). Маловероятно также участие в реакции окисления СО адсорбционных комплексов, образующихся на поверхности, не занятой оксидом кобальта, так как при адсорбции СО на СеО2 их количество не превышает 0.83 × 10–5 моль/г, и они обладают высокой температурой разложения (Т > 300°С) согласно [18]. С этим связана низкая конверсия γmах = 15% при 260°С на СеО2 (рис. 2).
Корреляция между активностями образцов (1–15)%СоО/СеO2 в реакции окисления СО в СО2 в смеси СО + О2 + Н2 и в хемосорбции СО при 20°С позволяет объяснить температурную зависимость конверсии СО в СО2 с помощью температурной зависимости разложения адсорбционных комплексов, которые формируются при адсорбции СО с участием кислорода кластеров оксида кобальта и газовой среды [18]. Так, в начале хемосорбции СО окисляется кислородом центров окисления в кластерах с образованием Н-, бидентатных и монодентатных карбонатов. Увеличение содержания оксида кобальта в кластерах понижает температуру разложения карбонатов от 400 до 300°С вследствие уменьшения энергии связи кислорода, участвующего в окислении СО на поверхности катализатора. Появление карбонатных комплексов сопровождается созданием анионных вакансий и восстановлением катионов. При взаимодействии СО с Со2+, Со+ и Со0 формируются карбонильные комплексы. Комплексы Со+–СО и Со0–СО, расположенные рядом с кислородными вакансиями, представляют собой центры диссоциативной адсорбции молекулярного кислорода. При адсорбции О2 на этих центрах адсорбированный СО окисляется им до СО2, и залечивает кислородные вакансии при 20°С. Залечивание вакансий понижает энергию связи кислорода в карбонатных комплексах, смещает температурную область разложения Н- и бидентатных карбонатов до 50–200°С и поддерживает центры окисления в окисленном состоянии, активном в отношении последующей адсорбции и окисления СО. Также понижается температура разложения более прочно связанных с поверхностью монодентатных карбонатных комплексов до 200–400°С.
На основании вышесказанного можно полагать, что конверсия СО в СО2 при низких температурах 60–220°С на образце 10%СоО/СеО2 обусловлена температурной зависимостью разложения Н- и бидентатных карбонатов. При Т > 220°C в условиях конкуренции за кислород в реакциях окислении СО и Н2 в окислении СО могут участвовать монодентатные карбонаты. Следует отметить, что разложение карбонатных комплексов – лимитирующая стадия в реакции СО + О2 → СО2 на катализаторе, так как стадии образования карбонатных комплексов при хемосорбции СО и О2, реокисления катализатора и десорбции СО2 протекают при 20°С и являются быстрыми согласно [18]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методами РФА и ТПВ-Н2 изучены окисленные образцы (0.5–15)%СоО/СеO2, в которых оксид кобальта присутствует в двух формах высокодисперсного Со3О4, взаимодействующих с носителем (кластеров CoxOy), и в виде фазы Со3О4.
Наибольшей активностью в реакции окисления СО в СО2 в водородсодержащей смеси обладает образец 10%СоО/СеО2 при низкой температуре Т50 ≈ 140°С. Конверсия СО в СО2 близкая к 100% достигается при 180–220°С. При температуре 220–240°С выход СО2 понижается в результате конкуренции за кислород в реакциях окисления СО и Н2, а при Т > 240°С – из-за увеличения расхода СО в реакции метанирования.
Окисление СО в области 60–180°С протекает на кластерах CoxOy. При этой температуре активность частиц фазы Со3О4 в чистом оксиде и в катализаторе 10%СоО/СеО2 меньше, чем у кластеров.
На основании данных о свойствах адсорбционных комплексов, образующихся на поверхности изученных катализаторов с участием кислорода катализатора и адсорбированного кислорода, сделан вывод об участии Н- и бидентатных карбонатов в реакции окисления СО в СО2 в смеси СО + О2 + Н2 при низких температурах 50–200°С.
Список литературы
Ола Д., Гепперт А., Прокаш С. Метанол и энергетика будущего, когда закончатся нефть и газ. Москва: Бином, 2009. 416 с.
Mishra A., Prasad R. // Bull. Chem. React. Eng. Catal. 2011. V. 6. № 1. P. 1.
Royer S., Duprez D. // ChemCatChem. 2011. V. 3. P. 24.
Lu J., Wang J., Zou Q., Zhao Y., Fang J., He S., He D., Luo Y. // J. Alloys Compd. 2019. V. 784. P. 1248.
Kim H.J., Lee G., Jang M.G., Noh K.J., Han L.W. // ChemCatChem. 2019. V. 11. № 9. P. 2288.
Malwadkar S., Bera P., Satyanarayana C.V.V. // J. Rare Earth. 2020. V. 38. P. 941
Jansson J. // J. Catal. 2000. V. 194. P. 55.
Jansson J., Palmqvist A.E.C., Fridell E., Skoglundh M., Osterlund L., Thornahlend P., Langer V. // J. Catal. 2002. V. 2011. P. 387.
Feng Y., Li L., Niu S., Qu Y., Zhang Q., Li Y., Zhao W., Li H., Shi J. // Appl. Catal. B: Env. 2012. V. 111–112. P. 461.
Nyathi T.M., Ficher N., York A.P.E., Morgan D.G., Hutchings G.J., Gibson E.K., Wells P.P., Catlow C.R.A., Caeys M. // ACS Catal. 2019. V. 9. P. 7166.
Yung M.M., Holmgreen E.M., Ozkan U.S. // J. Catal. 2007. V. 247. P. 356.
Ильичев А.Н., Быховский М.Я., Шашкин Д.П., Фаттахова З.Т., Корчак В.Н. // Кинетика и катализ. 2021. Т. 62. № 6. С. 744. (Il’ichev A.N., Bykhovsky M.Ya., Fattakhova Z.T., Shashkin D.P., Korchak V.N. // Kinet. Catal. 2021. Vl. 62. № 6. Р. 787.).
Lu J., Wang J., Zou Q., Zhou Q., Fang J., He S., He D., Luo Y. // J. Alloys Compd. 2019. V. 784. P. 1248.
Иванин И.А., Кротова И.Н., Удалова О.В., Занавескин К.Л., Шилина М.И. // Кинетика и катализ. 2021. Т. 62. № 6. С. 757.
Zhao Z., Yung M.M., Ozkan U.S. // Catal. Commun. 2008. V. 9. P. 1465.
Kang M., Song M.M., Lee C.H. // Appl. Catal. A: Gen. 2003. V. 251. P. 143.
Woods M.P., Gawade P., Tan B., Ozkan U.S. // Appl. Catal. B: Env. 2010. V. 97. P. 28.
Ильичев А.Н., Фаттахова З.Т., Шашкин Д.П., Матышак В.А., Корчак В.Н. // Кинетика и катализ. 2016. Т. 57. № 5. С. 694. (Il’ichev A.N., Fattakhova Z.T., Shashkin D.P., Matyshak V.A., Korchak V.N. // Kinet. Catal. 2016. V. 57. № 5. P. 686.)
Powder Diffraction Fale. Alphabetical Indoxos. Inorganic phases, JCPDS, International Center for Diffraction Data, Pennsylvania, USA, 1992.
Liotta L.F., Carlo G.D., Pantaleo G., Venezia A.M., Deganelo G. // Appl. Catal. B: Env. 2006. V. 66. P. 217.
Ильичев А.Н., Быховский М.Я., Фаттахова З.Т., Шашкин Д.П., Федорова Ю.Е., Матышак В.А., Корчак В.Н. // Кинетика и катализ. 2019. Т. 60. № 5. С. 654. (Il’ichev A.N., Bykhovsky M.Ya., Fattakhova Z.T., Shashkin D.P., Fedorova Yu.E., Matyshak V.A., Korchak V.N. // Kinet. Catal. 2019. V. 60. №. 5. P. 661.)
Arango-Diaz A., Cecilia J.A., Marrero-Jerez J., Nunez P., Jimenez-Jimenez J., Rodriguez-Castellon E. // Ceramic Int. 2016. V. 42. P. 7462.
Luo J.-Y., Meng M., Li X., Li X.-G., Zha Y.-Q., Hu T.-D., Xie Y.-N., Zhang J. // J. Catal. 2008. V. 254. P. 310.
Zhu H., Razzaq R., Jiang L., Li C. // Catal. Commun. 2012. V. 23. P. 43.
Фирсова А.А., Хоменко Т.И., Сильченкова О.Н., Корчак В.Н. // Кинетика и катализ 2010. Т. 51. № 2. С. 317. (Firsova A.A., Khomenko T.I., Sil’chenkova O.N., Korchak V.N. // Kinet. Catal. 2010. V. 51. № 2. P. 299.)
Yu K., Lou L., Liu S., Zhou W. // Adv. Sci. 2020. V. 7. P. 1.
Крылов О.В. Гетерогенный катализ. Москва: Академкнига, 2004. 679 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Кинетика и катализ