Doped with transition metals potassium glasses as catalysts for the oxidation of soot

Sadza jest czynnikiem szkodliwym zarówno dla świata ludzi, zwierząt, roślin, jak i dla całego klimatu. Cząstki sadzy rozpylone w powietrzu, którym oddychamy, mogą powodować uszkodzenia układu oddechowego i krwionośnego, a nawet serca. Mimo że branża motoryzacyjna wprowadza na rynek coraz to lepsze katalizatory samochodowe, nadal nie powstał model, który w pełni rozwiąże problem zanieczyszczenia cząsteczkami stałymi. Pod koniec lat 70 wykazano, że sole potasu są bardzo skutecznymi katalizatorami. Sole potasowe oprócz licznych zalet, posiadają wadę, szybko się zużywają, wymagają dodatkowej stabilizacji. Aby ustabilizować potas, można wykorzystać wiele rozwiązań, jednak najbardziej interesującym jest immobilizacja w matrycy szkła. Mimo że kwestia ta pozostaje na etapie badań, wiemy już, że badane szkła potasowe wykazują nawet lepsze właściwości katalityczne niż popularna platyna, a z pewnością są o wiele tańsze i łatwiej dostępne. Ponadto są bezpieczne dla środowiska naturalnego. Całkowicie niezbadaną dziedziną pozostaje kwestia domieszkowania takich szkieł metalami przejściowymi, co jest celem mojej pracy. Zastosowano następujące metody: dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego (XRD) w celu potwierdzenia amorficznej struktury badanych szkieł alkalicznych. Spektroskopia w podczerwieni w modach transmisyjnym i rozpraszania promieniowania (DR) została użyta, żeby porównać drgania strukturalne na powierzchni oraz wewnątrz szkła. Spektroskopia w zakresie widzialnym i bliskim ultrafiolecie UV/Vis-DR dała informacje o stopniu utleniania domieszki. Testy aktywności katalitycznej, dające wiedzę o selektywności, stabilności oraz zakresie temperaturowym pracy katalizatorów, zostały wykonane z wykorzystaniem spektrometru masowego MS jako detektora. Badania potwierdziły skuteczność dodatków metali przejściowych w katalitycznym spalaniu sadzy. Najniższe temperatury spalania sadzy osiągnięto dla szkła domieszkowanego kobaltem, miedzią i manganem. Słabsze wyniki wykazały katalizatory z domieszką ceru i niklu, a najsłabszy okazał się układ z domieszka żelaza. Szkła z domieszką kobaltu i manganu posiadają na powierzchni obok krzemu domieszkowany metal, co widać na widmach DRIFT. Poza tym mangan z łatwością zmienia stopnie utlenienia, co jest jego kolejnym atutem i tłumaczy wysoką aktywność. Szkła okazały się generalnie bardziej aktywne niż użyty jako referencja kryptomelan. Ciężko jest jednoznacznie określić wpływ dodatku NO, ale w większości przypadków wpływa on niekorzystnie na aktywność badanych materiałów.

Soot is a harmful factor for humans, animals and plants as well as for the entire climate. The soot particles sprayed into the air we breathe can damage the respiratory and blood systems and even the heart. Although the automotive industry is introducing better and better car catalysts to the market, there is still no model that will fully solve the problem of particulate emission. In the late 1970s potassium salts proved to be the very effective catalystsfor carbon oxidation. Potassium salts, apart from numerous advantages, have a disadvantage they sublimate easily and require additional stabilization. Many solutions can be used to stabilize potassium, but the most interesting is the immobilization in the glass matrix. Although this issue remains at the research stage, we already know that the tested potassium glasses show even better catalytic properties than the popular platinum, and they are certainly much cheaper and more easily available. Moreover, they are safe for the natural environment. A completely unexplored field is the doping of such glasses with transition metals which is the aim of my work. The following methods were used: X-ray diffraction (XRD) in order to confirm the amorphous structure of the tested alkaline glasses. Infrared spectroscopy in transmission and diffuse reflectance (DR) models was used to compare structural vibrations on the surface and inside the glass. Spectroscopy in the visible range and near ultraviolet UV/Vis-DR for obtaining information about the oxidation state of the dopants. Catalytic activity tests giving knowledge about the selectivity, stability and temperature range of catalysts, using the MS mass spectrometer as a detector were performed. Studies have confirmed the effectiveness of transition metal additives in catalytic soot combustion. The lowest soot combustion temperatures were achieved for glass doped with cobalt, copper and manganese. Catalysts doped with cerium and nickel showed weaker results and the system with iron admixture turned out to be the weakest. Glasses cobalt and manganese as dopants have a doped metal on the surface next to silicon, which can be seen in the DRIFT charts. In addition, manganese easily changes its oxidation states, which is its next advantage and explains its high activity. The glasses proved to be generally more active than the cryptomelan used as a reference. It is difficult to clearly define the effect of NO presence, but in most cases it adversely affects the activity of the tested materials.