Nanocrystalline cerium(IV) oxide - synthesis, characterization and reactivity in the catalytic soot combustion

Zanieczyszczenie sadzą jest poważnym problemem w dzisiejszych czasach. Dlatego szuka się skutecznych sposobów jej eliminacji. Jednym ze sposobów jest katalityczne dopalanie sadzy. W niniejszej pracy skoncentrowano się na opracowaniu układu katalitycznego na bazie tlenku ceru(IV) i monoferrytu potasowego, służącego do niskotemperaturowego dopalania sadzy. W tym celu najpierw przeprowadzono syntezę CeO2, KFeO2 i KFeO2-2%CeO2, a następnie przy pomocy XRD i RS zbadano skład i morfologię zsyntezowanych próbek. Analiza otrzymanych wyników pozwoliła stwierdzić poprawność stosowanych procedur syntezy, ponieważ otrzymane próbki były monofazowe. Zarówno na dyfraktogramach, jak i w widmach, nie stwierdzono obecności żadnych zanieczyszczeń. Dokonano pomiarów aktywności katalitycznej badanych próbek za pomocą TPSR i TG-DTA. W pracy, dla większej przejrzystości, są porównywane wyniki dla dwóch próbek, które znacznie się od siebie różniły. Są to próbki p1 i p3. Aby móc określić wpływ rozmiarów krystalitów na temperatury spalania sadzy, obliczono średnicę krystalitów korzystając z równania Sherrera-Debye'a. Korzystając z wyników pomiarów TPSR i TG-DTA, wyznaczono energię aktywacji tlenków ceru(IV), krzywe konwersji sadzy oraz temperatury charakterystyczne dopalania sadzy - temperaturę inicjacji (Tini) i temperaturę odpowiadającą maksymalnej wartości sygnału CO2 (pomiary TPSR) bądż odpowiadającą największemu przepływowi ciepła (TG), temperatury te oznaczono symbolem Tmax. Zaobserwowano, że wszystkie badane preparaty wykazują dużą aktywność katalityczną w dopalaniu sadzy. Ponadto, niezależnie od wybranego parametru porównawczego, wszystkie próbki wykazywały zbliżoną aktywność – Tini w zakresie 262-416oC, co czyni te materiały interesującymi dla niskotemperaturowego procesu spalania sadzy. Nie stwierdzono istotnego wpływu dodatku ceru o różnej morfologii na aktywność ferrytu KFeO2.

Soot emission is an important problem nowadays. Therefore many methods of its elimination are investigated. One of them is the catalytic soot combustion. This work is focused on investigations on the catalytic activity of cerium(IV) oxide and potassium monoferrite in soot oxidation. At first, CeO2, KFeO2 i KFeO2-2%CeO2, were synthesized. After synthesis XRD and RS techniques were used to determine composition and morphology of the samples. Analysis of the results shows that the synthesis procedures were correct, because samples were monophasic. Both in the diffraction patterns, as well as in the Raman spectra, there was no presence of any impurities. Catalytic activity tests were made using TPSR and TG-DTA. In this paper, there were compared the two samples, which significantly differ from each other in soot combustion temperatures. These are samples p1 and p3. In order to determine the effect of crystallite size on soot combustion temperature, crystallite diameter was calculated using the Debye-Sherrer equation. From TPSR and TG-DTA measurements the activation energy of cerium oxide (IV), conversion, and the soot combustion characteristic temperatures were determined. It was observed that all of the tested samples showed high catalytic activity in the soot oxidation. Moreover, regardless of the selected parameter, all samples showed a similar activity - Tini were between 262-416oC, which makes these materials interesting for low-temperature soot combustion. There was no significant effect of the doping ferrite with ceria, which had different morphology, on the activity of ferrite KFeO2.