Formation of spherical carbon replicas doped with ZrO2 and Pt nanoparticles for catalytic afterburning of volatile organic compounds

Sferyczne repliki węglowe z wygenerowanym in-situ ZrO2 otrzymano metodą impregnacji pierwszej wilgotności. Wykorzystano krzemionkę sferyczną o średnicy 40-75 µm jako szablon, który zaimpregnowano roztworem zawierającym sacharozę i azotan cyrkonu(IV) jako prekursory, odpowiednio węgla i tlenku cyrkonu(IV). Otrzymano 6 serii sferycznych replik węglowych wygrzewanych wstępnie w temperaturach 175°C, 200°C lub 225°C przez 1 lub 3 godziny. W obrębie serii próbki zawierały różną ilość fazy ZrO2 (0-20%mas.). Ostatecznie materiały były karbonizowane w temperaturze 800°C i poddane impregnacji nanocząstkami Pt (1 %mas.), jako fazy aktywnej. Zsyntetyzowane materiały scharakteryzowano przy użyciu technik: analizy elementarnej, XRF, termograwimetrii, niskotemperaturowej adsorpcji azotu, SEM-EDS oraz XRD. Ostatecznie katalizatory nośnikowe zostały poddane testom katalitycznym w reakcji całkowitego utlenienia toluenu. Wykazano, że najbardziej aktywny materiał, który zawierał największą ilość ZrO2 wykazywał najlepszą aktywność w badanym procesie. Katalizator osiągnął 100% konwersji toluenu już w temperaturze 200°C. Z kolei próbka o najniższej zawartości ZrO2 wykazywała najwyższą odporność termiczną w atmosferze powietrza (do 300°C), zachowując w tych warunkach konwersję toluenu na wysokim poziomie.

Spherical carbon replicas with in-situ generated ZrO2 were obtained by the first moisture impregnation method. Spherical silica with a diameter of 40-75 µm was used as a template, which was impregnated with a solution containing sucrose and zirconium(IV) nitrate as precursors of carbon and zirconium(IV) oxide, respectively. Six series of spherical carbon replicas were obtained, pre-heated at temperatures of 175°C, 200°C or 225°C for 1 or 3 hours. Within the series, the samples contained various amounts of the ZrO2 phase (0-20% by mass). Finally, the materials were carbonized at 800°C and impregnated with Pt nanoparticles (1 wt.%) as the active phase. The synthesized materials were characterized using the following techniques: elemental analysis, XRF, thermogravimetry, low-temperature nitrogen adsorption, SEM-EDS and XRD. Finally, the supported catalysts were subjected to catalytic tests in the reaction of complete oxidation of toluene. It was shown that the most active material that contained the largest amount of ZrO2 had the best activity in the tested process. The catalyst achieved 100% conversion of toluene already at a temperature of 200°C. In turn, the sample with the lowest ZrO2 content showed the highest thermal resistance in an air atmosphere (up to 300°C), maintaining a high level of toluene conversion in these conditions.