Nanostrukturované heterogenní katalyzátory na bázi TiO2, CeO2 a CuO pro katalytickou oxidaci těkavých organických látek

Barbora Ptáčková

Master's thesis

Nanostructured heterogeneous catalysts based on TiO2, CeO2 and CuO for catalytic oxidation of volatile organic compounds

Abstract:

Diplomová práce je zaměřená na rozdílné metody přípravy oxidických práškových katalyzátorů na bázi oxidů titanu, ceru a mědi v kombinaci s kalcinací a ověření jejich katalytické účinnosti v oxidaci metanolu a dichlormetanu jako modelových těkavých organických látek. Tato práce se skládá z části teoretické, experimentální, výsledkové části s diskusí a závěrů. Teoretická část je zaměřena na vysvětlení základních pojmů potřebných k pochopení dané problematiky a také literární rešerše shrnující současné poznatky k tématu katalytické oxidace metanolu a dichlormetanu na katalyzátorech TiO2-CeO2-CuO. Experimentální část je věnována postupu přípravy jednotlivých práškových katalyzátorů, jejich charakterizací, a popisu měření oxidačních reakcí. Ve výsledkové části s diskusí jsou pak shrnuty klíčové poznatky z charakterizace katalyzátorů, tak jejich katalytické účinnosti v oxidaci metanolu a dichlormetanu. Závěry definují klíčové poznatky práce. Práškové katalyzátory byly připraveny 3 rozdílnými metodami (koprecipitací, precipitací s impregnací a sol-gel metodou) ve stejných molárních poměrech Ti : Ce : Cu = 9 : 1 : 0,3. Po kalcinaci katalyzátorů byly následně zhodnoceny vlivy jednotlivých způsobů příprav fyzikální adsorpcí dusíku při 77K, XRD, XRF, NH3-TPD a H2-TRP na jejich fyzikálně-chemické vlastnosti. Jednotlivé katalyzátory byly zkoumány v oxidaci metanolu a dichlormetanu, kde byla posuzována jak jejich aktivita, tak také selektivita ke vzniku hlavních produktů CO2 (pro oxidaci metanolu) a CO2 a HCl (pro oxidaci dichlormetanu). I přes podobné chemické složení a detekovanou krystalickou fázi TiO2 anatas pro všechny katalyzátory bylo zjištěno, že nejvíce kyselým, redukovatelným katalyzátorem s největším specifickým povrchem a největším celkovým objemem pórů byl vzorek TiO2/CeO2/CuO KoPre připravený metodou koprecipitace. Navzdory předpokladům vzorku TiO2/CeO2/CuO KoPre k dobrým katalytickým účinkům dopadl nejlépe v oxidaci metanolu vzorek CuO/TiO2-CeO2 ImPre připravený metodou impregnace, díky dobře redukovatelnému CuO na povrchu nosiče TiO2-CeO2. V oxidaci dichlormetanu se prokázala jako prospěšná inkorporace Cu+/Cu2+ do –Ti-O-Ce-O- struktury katalyzátoru, vedoucí k žádoucí kyselosti a redukovatelnosti katalyzátoru. Nejlepších výsledků v oxidaci dichlormetanu dosáhly katalyzátory TiO2/CeO2/CuO KoPre a TiO2/CeO2/CuO Sol-Gel, avšak žádný z katalyzátorů nedosáhl 100 % konverze na dichlormetanu.

Abstract:

The master thesis focuses on different preparation methods of powder oxide catalysts based on oxides of titanium, cerium, and copper in a combination with calcination, and their catalytic efficiency examination in oxidation of methanol and dichloromethane as model volatile organic compounds. The thesis consists of the theoretical part, methodology, results with discussion and conclusion. The theoretical part focuses on explaining of fundamental concepts needed to understand the subject of interes, and includes a literature review summarizing current knowledge on catalytic methanol and dichloromethane oxidation on TiO2,CeO2 and CuO-based catalysts. The methodology is devoted to preparation of individual powder catalysts, their characterization and measurement of oxidation reactions. Results with discussion part summarize key aspects related to catalyst characterization and their catalytic efficiency in oxidation of methanol and dichloromethane. The conclusion introduces key findings of the work. Powder catalysts were prepared by 3 different methods (coprecipitation, precipitation with impregnation, and sol-gel method) using the same molar ratios of Ti : Ce : Cu = 9 : 1 : 0,3. The effect of individual preparation methods of catalyst on catalyst physicochemical properties was evaluated by using a set of methods including nitrogen physisorption at 77 K, XRD, XRF, NH3-TPD a H2-TRP. Individual catalysts were examined in oxidation of methanol and dichloromethane, where their activity and selectivity to the formation of main products CO2 (in oxidation of methanol) and CO2 and HCl (in oxidation of dichloromethane) were assessed. Despite the similar chemical composition and detected crystalline phase of TiO2 anatase for all catalysts, it was found that the most acidic and reducible catalyst with the largest specific surface area as well as total pore volume was the TiO2/CeO2/CuO KoPre catalyst prepared by coprecipitation method. The CuO/TiO2-CeO2 ImPre catalyst, prepared by the coupled precipitation and impregnation method, showed the best catalytic performance in methanol oxidation due to well-reducible CuO on the surface of the TiO2-CeO2 carrier. In oxidation of dichloromethane, Cu+/Cu2+ incorporated into the −Ti-O2-Ce-O− structure was advantageous, leading to desired acidity and reducibility of the catalyst. The TiO2/CeO2/CuO KoPre and TiO2/CeO2/CuO Sol-Gel catalysts achieved the best results in dichloromethane oxidation, however, none of the catalysts achieved 100 % conversion of dichloromethane.

Keywords

TiO2, CeO2, CuO, koprecipitace, impregnace, sol-gel, VOC, CVOC, metanol, dichlormetan, katalytická oxidace

Keywords

TiO2, CeO2, CuO, coprecipitation, impregnation, sol-gel, VOC, CVOC, methanol, dichloromethane, catalytic oxidation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 4. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 2. 6. 2022
• Supervisor: Lenka Matějová
• Reader: Zuzana Jankovská

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Master programme / field:
Chemické a environmentální inženýrství / Metody analýzy pro chemické a environmentální inženýrství