Impact of alkali metal cation on catalytic properties of birnessite

W niniejszej pracy określony został wpływ kationu metalu jednowartościowego na aktywność katalityczną birnesytu(AMn4O8). Synteza fazy aktywnej polegała na utlenianiu jonów Mn2+, oraz wprowadzaniu w pozycje międzywarstwowe kationów pierwiastków grupy pierwszej układu okresowego: A = H, Li, Na, K ,Rb, Cs. Potwierdzono skład chemiczny (XRF) oraz strukturę (XRD, spektroskopia Ramana). Zbadano właściwości elektrodonorowe (przez wyznaczenie pracy wyjścia metodą Kelvina) oraz stabilność termiczną (TGA). Metodą temperaturowo-programowanej reakcji powierzchniowej, określono aktywność katalityczną w procesie dopalania sadzy w różnych warunkach. Na podstawie otrzymanych wyników, stwierdzono, że aktywność katalityczna zmienia się znacząco w zależności od wprowadzonego kationu. Wszystkie badane układy wykazują wysoką aktywność katalityczną, przy czym największy efekt zaobserwowano dla fazy HMn4O8, która obniża temperaturowe okno reakcji o: 115C i 220C odpowiednio w kontakcie luźnym i ścisłym względem niekatalizowanego procesu. Na podstawie przeprowadzonych badań, powiązano aktywność katalityczną z łatwością uwalniania tlenu z powierzchni faz birnesytowych, a dopalanie sadzy zachodzi z mechanizmem Marsa-Van Krevelena.

In this thesis, the impact of various intercalated cations (A = H+, Li+ ,Na+ ,K+ ,Rb+ ,Cs+) on the catalytic activity of the birnessite (AMn4O8) was determined. The synthesis involved insertion of cations into the interlayer spaces during the Mn2+ oxidation. Chemical composition and structure were confirmed by means of XRF and XRD/Raman spectroscopy, respectively. Electrodonor properties were studied using the Kelvin method. Thermal stability was confirmed by means of thermogravimetric analysis and explained by mass spectroscopy experiments conducted ex situ. Finally, catalytic activity was determined during the temperature-programmed oxidation of soot. Based on the study results, catalytic activity of active phases were explained by the impact of the inserted cation. All of the examined phases present high catalytic activity. Moreover, the highest catalytic activity was observed for the HMn4O8, which decreases temperature of soot combustion for 115C and 220C in loose and tight contact, respectively. Based on the conducted research, the catalytic activity is related with the ease with which oxygen is released from the birnessite phase surface. It is determined, that soot combustion over the catalysts occurs by the Mars-Van Krevelen mechanism.