Electrochemical preparation of nanostructured ZrO2 / CuOx materials and their use as catalysts for the oxidation of volatile organic compounds

Celem niniejszej pracy było otrzymanie oraz charakterystyka katalizatora ZrO2/CuOx o różnej zawartości % wag. Cu w fazie aktywnej, a następnie zbadanie jego aktywności katalitycznej w procesie utleniania toluenu. Metodą, która pozwoliła na uzyskanie nośnika ZrO2 w postaci nanostrukturalnej była anodyzacja, polegająca na elektrochemicznym utlenianiu powierzchni metalu. Proces anodowego utleniania prowadzono w elektrolicie nieorganicznym. Parametrami podlegającymi optymalizacji było polerowanie chemiczne podłoża metalicznego, wartość przyłożonego potencjału oraz mieszanie elektrolitu podczas procesu. Rejestrowane w trakcie pomiarów krzywe prądowe pozwoliły na wytłumaczenie przebiegu zachodzących reakcji, a skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) pozwoliła na zobrazowanie powierzchni powstałych nanostrukturalnych warstw tlenkowych.Otrzymane katalizatory przy użyciu metody impregnacji na mokro zostały scharakteryzowane za pomocą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz spektroskopii UV-vis-DR. Metoda XRD pozwoliła na wyznaczenie struktury krystalicznej uzyskanych materiałów. Otrzymane dyfraktogramy potwierdziły obecność fazy CuO na powierzchni otrzymanych katalizatorów jak również fazy tetragonalnej oraz jednoskośnej nośnika ZrO2. Pomiary UV- vis- DR pozwoliły określić, że przeważającą formą fazy aktywnej naniesionej na nośnik są zagregowane krystality CuO. Przeprowadzone testy katalityczne uzyskanych materiałów pokazały, że najwyższą aktywnością katalityczną w procesie katalitycznego utleniania toluenu wykazuje katalizator zaimpregnowany 15 % wag. Cu.

The aim of this work was to obtain and characterize ZrO2/CuOx catalyst with different weight % Cu in the active phase and then to investigate its catalytic activity in the total oxidation of toluene. The method used to obtain the ZrO2 carrier in nanostructured form was anodization which is based on electrochemical oxidation of the surface of the metallic substrate. The anodic oxidation process was carried out in an inorganic electrolyte. The parameters to be optimized were the chemical polishing of the metallic substrate, the value of the applied potential and the electrolyte stirring during the process. The current density vs. time curves recorded during the measurements allowed to explain the course of the occurring reactions, and scanning electron microscopy (SEM) allowed to visualize the surface of the formed nanostructured oxide films. The obtained catalysts using the wet impregnation method were characterized by X-ray powder diffraction (XRD) and UV-vis-DR spectroscopy. The XRD method allowed to determine the crystal structure of the obtained materials. The obtained diffractograms confirmed the presence of the CuO phase on the surface of the obtained catalysts as well as the tetragonal and monoclinic phases of the ZrO2 support. UV-vis-DR measurements allowed to determine that aggregated CuO crystallites are the predominant form of the active phase applied to the support.The catalytic tests of the materials obtained showed that the catalyst impregnated with 15 wt. % Cu had the highest catalytic activity in the catalytic oxidation of toluene.