Журнал неорганической химии, 2020, T. 65, № 12, стр. 1710-1720

Оптимизация катализаторов окисления CO для термокаталитических и полупроводниковых газовых сенсоров

А. А. Васильев a*, А. С. Лагутин a, Ш. Ш. Набиев a

a Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
123182 Москва, пл. Курчатова, 1, Россия

* E-mail: a-a-vasiliev@yandex.ru

Поступила в редакцию 26.06.2020
После доработки 10.07.2020
Принята к публикации 20.07.2020

Аннотация

Изучена кинетика процессов каталитического окисления CO на поверхности допированных благородными металлами металлооксидных катализаторов, используемых в качестве газочувствительных материалов сенсоров. Большинство оксидных материалов (SnO2, Al2O3, цеолит и др.), декорированных палладием и родием, имеют кинетическую особенность, приводящую к неоднозначному отклику сенсора. Исключением является CeO2/ZrO2, допированный палладием; скорость окисления на нем однозначно зависит от концентрации CO. Процессы окисления CO на инертных и химически активных носителях описываются в рамках единой кинетической модели. Существуют два режима работы катализатора: ниже и выше некоторого концентрационного предела, в каждом из режимов реакция имеет первый кинетический порядок по CO, а суперпозиция этих процессов может приводить к эффективному “минус первому” порядку реакции окисления. Переход катализатора из одного состояния в другое носит характер “фазового перехода”, протекающего при изменении концентрации CO, а не температуры катализатора. Кинетика окисления в каждом состоянии описывается небольшим набором параметров, характерных для каждого из катализаторов; энергия активации для каждого катализатора одинакова при всех значениях концентрации CO и кислорода.

Ключевые слова: сенсоры, катализаторы, палладий, родий, гистерезис, фазовый переход, энергия активации

DOI: 10.31857/S0044457X20120193

Список литературы

  1. Langmuir I. // Trans. Faraday Soc. The Royal Soc. Chem. 1922. V. 17. P. 621.

  2. Hinshelwood C., Grant G. // Nature. 1933. V. 131. P. 361.

  3. Rideal E.K. // Math. Proc. CambridgePhilos. Soc. 1939. V. 35. № 1. P. 130.

  4. Малахов В.Ф., Шмачков В.А., Васильев В.Ю., Колчин A.M. // Кинетика и катализ. 1977. Т. 18. С. 572.

  5. Engel T., Ertl G. // J. Chem. Phys. 1978. V. 69. № 3. P. 1267.

  6. Turner J.E., Sales B.C., Maple M.B. // Surf. Sci. 1981. V. 109. № 3. P. 591.

  7. Turner J.E., Sales B.C., Maple M.B. // Surf. Sci. 1981. V. 103. № l. P. 54.

  8. Mars P., van Krevelen D.W. // Chem. Eng. Sci. 1954. V. 3. P. 41.

  9. Imbihl R., Ertl G. // Chem. Rev. 1995. V. 95. № 3. P. 697.

  10. Беляев В.Д., Слинько M.M., Тимошенко В.И., Слинько М.Г. // Кинетика и катализ. 1973. Т. 14. № 3. С. 810.

  11. Slinko M.M., Jaeger N.I. Oscillatory heterogeneous catalytic systems, studies in surface science and catalysis. Amsterdam: Elsevier, 1994. V. 86. 393 p.

  12. Ertl G. // Adv. Catal. 1990. V. 37. P. 213.

  13. Datye A.K., Bravo J., Nelson T.R. et al. // Appl. Catal. A: General. 2000. V. 198. № 1-2. P. 179.

  14. Colussi S., Trovarelli A., Vesselli E. et al. // Appl. Catal. A: General. 2010. V. 390. № 1-2. P. 1.

  15. Raj R., Harold M.P., Balakotaiah V. // Chem. Eng. J. 2016. V. 281. P. 322.

  16. Kinnunena N.M., Hirvia J.T., Kallin K. // Appl. Catal. B: Environ. 2017. V. 207. P. 114.

  17. Яшник С.А., Винокуров З.С., Сальников А.В. и др. // Кинетика и катализ. 2018. Т. 59. № 1. С. 92.

  18. Chakrabarty T., Silveston P.L., Hudgins R.R. // Can. Soc. Chem. Eng. 1984. V. 62. P. 651.

  19. Lang S.M., Fleischer I., Bernhardt T.M. et al. // ACS Catal. 2015. V. 5. № 3. P. 2275.

  20. Calderón J.C., Ráfales M.R., Nieto-Monge M.N. et al. // Nanomaterials (Basel). 2016. V. 6. № 10. P. 187.

  21. Пахаруков И.Ю., Бекк И.Э., Матросова М.М. и др. // Докл. АН. 2011. Т. 439. № 2. С. 211.

  22. Шутилов А.А., Зенковец Г.А., Пахаруков И.Ю., Просвирин И.П. // Кинетика и катализ. 2014. Т. 55. № 1. С. 11.

  23. Berdau M., Yelenin G.G., Karpowicz A. et al. // J. Chem. Phys. 1999. V. 110. № 23. P. 11551.

  24. Allian A.D., Takanabe K., Fujdala K.L. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. № 12. P. 4498.

  25. Buendia G.M., Machado E., Rikvold P.A. // J. Chem. Phys. 2009. V. 131. № 18. P. 184704.

  26. Lyubovsky M., Smith L.L., Castaldi M. et al. // Catalysis Today. 2003. V. 83. № 1-4. P. 71.

  27. Чернова Л.Е., Митричев И.И., Женса А.В., Кольцова Э.М. // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. 31. № 8. С. 51.

  28. Bugaev A.L., Usoltsev O.A., Guda A.A. et al. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. P. 12029. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b11473

  29. Al Soubaihi R.M., Saoud K.M., Dutta J. // Catalysts. 2018. V. 8. P. 660. https://doi.org/10.3390/catal8120660

  30. Васильев А.А. Физико-химические принципы конструирования газовых сенсоров на основе оксидов металлов и структур металл/твердый электролит/полупроводник. Дис. … докт. техн. наук. М., 2004.

  31. Kim J.H., Sung J.S., Son Yu.M. et al. // Sensors and Actuators B. 1997. V. 44. P. 452.

  32. Atsushi Satsuma, Kaoru Osaki, Masatoshi Yanagihara et al. // Catalysis Today. 2015. V. 258. P. 83.

  33. Feng Bin, Xaolin Wei, Kwan San Hui. // Appl. Catal. B: Environ. 2015. V. 162. P. 282.

  34. Simonenko T.L., Simonenko N.P., Simonenko E.P. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. P. 1475.

  35. Bugaenko V.V., Pshenichnyi R.N. // Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 63. P. 169.

  36. Угрюмов Р.Б., Шапошник А.В., Воищев В.С. и др. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Мат-лы докл. междунар. научно-техн. семинара. (Москва, 3–6 декабря 2002 г.) М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, МЭИ, 2003. С. 97.

Дополнительные материалы отсутствуют.