Mononuclear Pt(II) and Pd(II) 1,4-dithiolato complexes. Crystal structures of [Pt((−) DIOS) (PPh3)2] and [Pd(S(CH2) 4S)(Ph2P(CH2) 3PPh2)]. Application in styrene hydroformylation

Addition of 1,4-dithiols to dichloromethane solutions of [PtCl2(P-P)] (P-P = (PPh3)2, Ph2P(CH2)3PPh2, Phd2P(CH2)4PPh2; 1,4-dithiols = HS(CH2)4SH, (−)DIOSH2 (2,3-O-isopropylidene-1,4-dithiol-l-threitol), BINASH2 (1,1′-dinaphthalene-2,2′-dithiol)) in the presence of NEt3 yielded the mononuclear complexes [Pt(1,4-dithiolato)(P-P)]. Related palladium(II) complexes [Pd(dithiolato)(P-P)] (P-P=Ph2P(CH2)3PPh2, Ph2P(CH2)4PPh2; dithiolato = −S(CH2)4S−, (−)-DIOS) were prepared by the same method. The structure of [Pt((−)DIOS)(PPh3)2] and [Pd(S(CH2)4S)(Ph2P(CH2)3PPh2)] complexes was determined by X-ray diffraction methods. Pt—dithiolato—SnC12 systems are active in the hydroformylation of styrene. At 100 atm and 125°C [Pt(dithiolate)(P-P)]/SnCl2 (Pt:Sn = 20) systems provided aldehyde conversion up to 80%.

Carbon-dispersed Pt-Rh nanoparticles for ethanol electro-oxidation. Effect of the crystallite size and of temperature

This work presents results of studies of carbon-dispersed Pt-Rh (1:1) nanoparticles as electrocatalysts for the ethanol electro-oxidation. The influences of the crystallite size and the cell temperature on the yields of CO2, acetaldehyde and acetic acid are investigated. Metal nanoparticles were prepared by two different routes: (1) impregnation on carbon powder followed by thermal reduction on hydrogen atmosphere and (2) chemical reduction of the precursor salts. The surface active area and the electrochemical activity of the electrocatalysts were estimated by CO stripping and cyclic voltammetry in the absence and in the presence of ethanol, respectively. Reaction intermediates and products were analyzed by in situ Fourier Transform Infra-Red Spectroscopy (FTIR) and Differential Electrochemical Mass Spectrometry (DEMS). The electrochemical stripping of CO and the electrochemical ethanol oxidation were slightly faster on the Pt-Rh electrocatalysts compared to Pt/C. Also, in situ FTIR spectra and DEMS measurements evidenced that the CO2/acetaldehyde and the CO2/acetic acid ratios are higher for the Pt-Rh/C materials in relation to Pt/C. This was ascribed to the activation of the C-C bond breaking by Rh, this being more prominent for the materials with smaller crystallite sizes. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Investigation of a Pt3Sn/C Electro-Catalyst in a Direct Ethanol Fuel Cell Operating at Low Temperatures for Portable Applications

A 20% Pt3Sn/C catalyst was prepared by reduction with formic acid and used in a direct ethanol fuel cell at low temperatures. The electro-catalytic activity of this bimetallic catalyst was compared to that of a commercial 20% Pt/C catalyst. The PtSn catalyst showed better results in the investigated temperature range (30 degrees-70 degrees C). Generally, Sn promotes ethanol oxidation by adsorption of OH species at considerably lower potentials compared to Pt, allowing the occurrence of a bifunctional mechanism. The bimetallic catalyst was physico-chemically characterized by X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses. The presence of SnO2 in the bulk and surface of the catalyst was observed. It appears that SnO2 can enhance the ethanol electro-oxidation activity at low potentials due to the supply of oxygen-containing species for the oxidative removal of CO and CH3CO species adsorbed on adjacent Pt active sites.

Performance and selectivity of PtxSn/C electro-catalysts for ethanol oxidation prepared by reduction with different formic acid concentrations

Carbon supported Pt-Sn catalysts were prepared by reduction of Pt and Sn precursors with formic acid and characterized in terms of structure, morphology and surface properties. The electrocatalytic activity for ethanol oxidation was studied in a direct ethanol fuel cell (DEFC) at 70 degrees C and 90 degrees C. Electrochemical and physico-chemical data indicated that a proper balance of Pt and Sn species in the near surface region was necessary to maximize the reaction rate. The best atomic surface composition, in terms of electrochemical performance, was Pt:Sn 65:35 corresponding to a bulk composition 75:25 namely Pt3Sn1/C. The reaction products of ethanol electro-oxidation in single cell and their distribution as a function of the nature of catalyst were determined. Essentially, acetaldehyde and acetic acid were detected as the main reaction products; whereas, a lower content of CO2 was formed. The selectivity toward acetic acid vs. acetaldehyde increased with the increase of the Sn content and decreased by decreasing the concentration of the reducing agent used in the catalyst preparation. According to the recent literature, these results have been interpreted on the basis of ethanol adsorption characteristics and ligand effects occurring for Sn-rich electrocatalysts. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Estudo das reações de oxidação de metanol e etanol sobre catalisadores bimetálicos suportados preparados por métodos coloidais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

An optimization study of PtSn/C catalysts applied to direct ethanol fuel cell: Effect of the preparation method on the electrocatalytic activity of the catalysts

The aim of this work was to perform a systematic study of the parameters that can influence the composition, morphology, and catalytic activity of PtSn/C nanoparticles and compare two different methods of nanocatalyst preparation, namely microwave-assisted heating (MW) and thermal decomposition of polymeric precursors (DPP). An investigation of the effects of the reducing and stabilizing agents on the catalytic activity and morphology of Pt75Sn25/C catalysts prepared by microwave-assisted heating was undertaken for optimization purposes. The effect of short-chain alcohols such as ethanol, ethylene glycol, and propylene glycol as reducing agents was evaluated, and the use of sodium acetate and citric acid as stabilizing agents for the MW procedure was examined. Catalysts obtained from propylene glycol displayed higher catalytic activity compared with catalysts prepared in ethylene glycol. Introduction of sodium acetate enhanced the catalytic activity, but this beneficial effect was observed until a critical acetate concentration was reached. Optimization of the MW synthesis allowed for the preparation of highly dispersed catalysts with average sizes lying between 2.0 and 5.0 nm. Comparison of the best catalyst prepared by MW with a catalyst of similar composition prepared by the polymeric precursors method showed that the catalytic activity of the material can be improved when a proper condition for catalyst preparation is achieved. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sviluppo di nuovi sistemi catalitici per la produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione di idrocarburi

La ricerca è collocata nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport) che è finalizzato alla produzione di idrogeno a bordo di aerei mediante deidrogenazione catalitica di cherosene avio. La deidrogenazione di molecole organiche volta alla produzione di idrogeno è una reazione poco studiata; in letteratura sono presenti solo esempi di deidrogenazione di molecole singole, tipicamente a basso peso molecolare, per la produzione di olefine. Già per questi substrati la conduzione della reazione risulta molto complessa, quindi l’impiego di frazioni di combustibili reali rende ancora più problematica le gestione del processo. L’individuazione dei parametri operativi e della corretta formulazione del catalizzatore possono essere definiti accuratamente solo dopo un approfondito studio dei meccanismi di reazione e di disattivazione. Pertanto questo lavoro ha come obiettivo lo studio di questi meccanismi partendo da molecole modello per giungere poi a definire la reattività di miscele complesse. Le problematiche principali che si presentano nella conduzione di questa reazione sono la disattivazione da coke e da zolfo. Quindi è evidente che la comprensione dei meccanismi di reazione, di formazione dei depositi carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo è uno stadio fondamentale per delineare quali siano i requisiti necessari alla realizzazione del processo. Il fine ultimo della ricerca è quello di utilizzare le informazioni acquisite dallo studio dei meccanismi coinvolti per arrivare a formulare un catalizzatore capace di soddisfare i requisiti del progetto, sia in termini di produttività di idrogeno sia in termini di tempo di vita, unitamente alla definizione di accorgimenti utili al miglioramento della conduzione della reazione.

Deidrogenazione catalitica di cherosene per la produzione di H2 "on-board": studio della disattivazione dei catalizzatori

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport), svolto in collaborazione con diversi enti europei, pubblici e privati. Si tratta di un programma finalizzato alla produzione di idrogeno “on – board” per deidrogenazione catalitica di cherosene avio, da alimentare ad un sistema di fuel cells per la produzione dell’energia elettrica necessaria al funzionamento della strumentazione e dei sistemi di comando degli aeroplani. In questo lavoro di tesi ci si è concentrati sullo studio dei meccanismi di reazione e disattivazione coinvolti nella reazione di deidrogenazione di carburanti. Sono stati studiati approfonditamente le caratteristiche peculiari della reazione di deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi, ponendo particolare attenzione ai meccanismi di disattivazione. Lo studio è stato affrontato, prima analizzando la disattivazione per formazione di depositi carboniosi, utilizzando catalizzatori classici per reazioni di deidrogenazione ed alimentando miscele di idrocarburi prive da zolfo, quindi la disattivazione data da quest'ultimo elemento proponendo una serie di catalizzatori a base di fosfuri. I primi studi si sono concentrati su sistemi Pt-Sn supportati su allumina, utilizzati industrialmente per la produzione di olefine leggere a partire da miscele semplici di alcani, il cui comportamento è noto, nella seconda parte sono stati presi in considerazione sistemi a base di CoP e Ni2P, originariamente progettati per la reazione di idrodesolforazione. In conclusione, è stato possibile individuare gli aspetti chiave relativi ai meccanismi di disattivazione dei sistemi catalitici tradizionalmente impiegati nella deidrogenazione. In particolare ha permesso di individuare interessanti possibilità per ridurre, attraverso la rigenerazione e la riduzione del fenomeno di disattivazione, l’impatto del costo del catalizzatore sul processo. Inoltre sono stati individuati sistemi alternativi per la produzione di idrogeno molto interessanti, mettendo in luce gli aspetti che necessitano di essere ancora approfonditi per ottimizzarne l’applicazione.

Deidrogenazione catalitica di idrocarburi per la produzione di H2 "on-board"

Lo studio della deidrogenazione catalitica di idrocarburi affronta uno dei problemi principali per l'applicazione delle fuel cells in aeromobili. La conversione di miscele di idrocarburi in H2 può essere eseguita in loco, evitando le difficoltà di stoccaggio dell'idrogeno: l'H2 prodotto è privo di CO e CO2 e può essere alimentato direttamente alle celle a combustibile per dare energia ai sistemi ausiliari, mentre i prodotti deidrogenati, mantenendo le loro originali caratteristiche possono essere riutilizzati come carburante. In questo un lavoro è stato effettuato uno studio approfondito sulla deidrogenazione parziale (PDH) di diverse miscele di idrocarburi e carburante avio JetA1 desolforato utilizzando Pt-Sn/Al2O3, con l'obiettivo di mettere in luce i principali parametri (condizioni di reazione e composizione di catalizzatore) coinvolti nel processo di deidrogenazione. Inoltre, la PDH di miscele idrocarburiche e di Jet-A1 ha evidenziato che il problema principale in questa reazione è la disattivazione del catalizzatore, a causa della formazione di residui carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo. Il meccanismo di disattivazione da residui carboniosi è stato studiato a fondo, essendo uno dei principali fattori che influenzano la vita del catalizzatore e di conseguenza l'applicabilità processo. Alimentando molecole modello separatamente, è stato possibile discriminare le classi di composti che sono coinvolti principalmente nella produzione di H2 o nell’avvelenamento del catalizzatore. Una riduzione parziale della velocità di disattivazione è stata ottenuta modulando l'acidità del catalizzatore al fine di ottimizzare le condizioni di reazione. I catalizzatori Pt-Sn modificati hanno mostrato ottimi risultati in termini di attività, ma soffrono di una disattivazione rapida in presenza di zolfo. Così, la sfida finale di questa ricerca era sviluppare un sistema catalitico in grado di lavorare in condizioni reali con carburante ad alto tenore di zolfo, in questo campo sono stati studiati due nuove classi di materiali: Ni e Co fosfuri supportati su SiO2 e catalizzatori Pd-Pt/Al2O3.

Estudo e desenvolvimento de catalisadores para células a combustível visando o aumento de escala e avaliação da distribuição de corrente

O trabalho visa o desenvolvimento do sistema para medidas de distribuição de corrente e ampliação de escala (50 cm²) buscando aperfeiçoar as condições de preparação do conjunto eletrodo membrana (MEA) quanto às condições de operação da célula e avaliar a melhor geometria. Foram realizados estudos de síntese de catalisadores de Pt-M e avaliação do desempenho desses materias e das rotas de síntese utilizadas com objetivo de aplicar estes materias em sistemas de maior escala. A insuficiência do desempenho e estabilidade dos catalisadores são fatores que ainda inviabilizam o uso em larga escala das células a combustível de eletrólito polimérico sólido, destacando-se as perdas associadas ao desempenho do cátodo. Os catalisadores preparados foram nanopartículas bimetálicas PtM/C (M = Fe, Co e Ni) suportadas em carbono de elevada área superficial, por duas rotas sintéticas. Foram utilizadas as rotas: ácido fórmico e etilenoglicol modificado (EG). Em ambas as rotas se buscou catalisadores com alto grau de incorporação do segundo metal, tamanho de partícula pequeno e bom desempenho catalítico do cátodo. Observou-se que pela rota do ácido fórmico com modificações no processo de síntese é possível obter a incorporação nominal do segundo metal no catalisador, porém há desvantagem de o tamanho de partícula ser elevado. Pela rota do EG obteve-se catalisadores com pequeno tamanho de partícula, porém a incorporação do segundo metal mostrou-se ineficiente. Os estudos de ampliação de escala foram realizados em células de 50 cm2 variando-se as condições de operação; i) diferentes placas de distribuição de gás, e ii) diferentes valores de fluxo dos gases reagentes. Foi observado que a baixos fluxos de gases a quantidade de reagente é insuficiente para ser difundida por todo eletrodo, o que ocasiona reação apenas na região de entrada de gases no sistema, ocasionando uma rápida limitação em obter-se densidades de corrente alta. Pode-se observar que a diferença de desempenho entre as placas é pequena, porém a placa serpentina 6 apresentou melhor desempenho. O desempenho dos cátodos preparados com catalisadores comerciais e os sintetizados no laboratório nas células de 50 cm² mostrou sofrer bastante influência das condições de operação comparada com as células de 4,6 cm².

Elemental Anisotropic Growth and Atomic-Scale Structure of Shape-Controlled Octahedral Pt–Ni–Co Alloy Nanocatalysts

Multimetallic shape-controlled nanoparticles offer great opportunities to tune the activity, selectivity, and stability of electrocatalytic surface reactions. However, in many cases, our synthetic control over particle size, composition, and shape is limited requiring trial and error. Deeper atomic-scale insight in the particle formation process would enable more rational syntheses. Here we exemplify this using a family of trimetallic PtNiCo nanooctahedra obtained via a low-temperature, surfactant-free solvothermal synthesis. We analyze the competition between Ni and Co precursors under coreduction “one-step” conditions when the Ni reduction rates prevailed. To tune the Co reduction rate and final content, we develop a “two-step” route and track the evolution of the composition and morphology of the particles at the atomic scale. To achieve this, scanning transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray elemental mapping techniques are used. We provide evidence of a heterogeneous element distribution caused by element-specific anisotropic growth and create octahedral nanoparticles with tailored atomic composition like Pt1.5M, PtM, and PtM1.5 (M = Ni + Co). These trimetallic electrocatalysts have been tested toward the oxygen reduction reaction (ORR), showing a greatly enhanced mass activity related to commercial Pt/C and less activity loss than binary PtNi and PtCo after 4000 potential cycles.

Green synthesis of polypyrrole-supported metal catalysts: application to nitrate removal in water

Pt and Pt/Sn catalysts supported on polypyrrole (PPy) have been prepared using Ar plasma to reduce the metal precursors dispersed on the polymer. The PPy support was synthesized by chemical polymerization of pyrrole with FeCl3·6H2O, this leading to the conducting form of the polymer (conductimetric measurements). The Ar plasma treatment produced a partial reduction of platinum ions, anchored as platinum chloro-complexes to the PPy chain, into metallic platinum. A homogeneous distribution of Pt and Sn nanoparticles was observed by TEM. Activity of the PPy-supported catalysts was evaluated in the reduction of aqueous nitrate with H2 at room temperature. Nitrate concentration in water below the maximum acceptable level of 50 mg L−1 was achieved with all catalysts. However, considering not only efficiency in nitrate reduction, but also minimized concentrations of undesired nitrite and ammonium, the monometallic Pt catalyst seems to be the most promising one.

Effect of Ni on Pt/C and PtSn/C prepared by the Pechini method

Different compositions of Pt, PtNi, PtSn, and PtSnNi electrocatalysts supported on carbon Vulcan XC-72 were prepared through thermal decomposition of polymeric precursors. The nanoparticles were characterized by morphological and structural analyses (XRD, TEM, and EDX). XRD results revealed a face-centered cubic structure for platinum, and there was evidence that Ni and Sn atoms are incorporated into the Pt structure. The electrochemical investigation was carried out in slightly acidic medium (H(2)SO(4) 0.05 mol L(-1)), in the absence and in the presence of ethanol. Addition of Ni to Pt/C and PtSn/C catalysts significantly shifted the onset of ethanol and CO oxidations toward lower potentials, thus enhancing the catalytic activity, especially in the case of the ternary PtSnNi/C composition. Electrolysis of ethanol solutions at 0.4 V us. RHE allowed for determination of acetaldehyde and acetic acid as the reaction products, as detected by HPLC analysis. Due to the high concentration of ethanol employed in the electrolysis experiments (1.0 mol L(-1)), no formation of CO(2) was observed. Copyright (C) 2010, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Investigation of the CO tolerance mechanism at several Pt-based bimetallic anode electrocatalysts in a PEM fuel cell

The electrocatalysis of CO tolerance of Pt/C, PtRu/C, PtFe/C, PtMo/C, and PtW/C at a PEM fuel cell anode has been investigated using single cell polarization and online electrochemical mass spectrometry (EMS) measurements, and cyclic voltammetry, X-ray diffraction (XRD), in situ X-ray absorption near edge structure (XANES) analyses of the electrocatalysts. For all bimetallic electrocatalysts, which presented higher CO tolerance, EMS results have shown that the production of CO(2) start at lower hydrogen electrode overpotentials as compared to Pt/C, confirming the occurrence of the so-called bifunctional mechanism. On the other hand, XANES results indicate an increase in the Pt 5d-band vacancies for the bimetallic catalysts, particulary for PtFe/C, this leading to a weakening of the Pt-CO bond, helping to increase the CO tolerance (the so-called electronic effect). For PtMo/C and PtRu/C supplied with H(2)/CO, the formation of CO(2) is observed even when the cell is at open circuit, confirming some elimination of CO by a chemical process, most probably the water gas shift reaction. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Carbon supported electrocatalysts prepared by the sol-gel method and their utilization for the oxidation of methanol in acid media

One of the key objectives in fuel-cell technology is to improve the performance of the anode catalyst for the alcohol oxidation and reduce Pt loading. Here, we show the use of six different electrocatalysts synthesized by the sol -gel method on carbon powder to promote the oxidation of methanol in acid media. The catalysts Pt-PbO(x) and Pt-(RuO(2)-PbO(x)) with 10% of catalyst load exhibited significantly enhanced catalytic activity toward the methanol oxidation reaction as compared to Pt-(RuO(2))/C and Pt/C electrodes. Cyclic voltammetry studies showed that the electrocatalysts Pt-PbO(x)/C and Pt-(RuO(2)-PbO(x))/C started the oxidation process at extremely low potentials and that they represent a good novelty to oxidize methanol. Furthermore, quasi-stationary polarization experiments and cronoamperometry studies showed the good performance of the Pt-PbO(x), Pt-(RuO(2)-PbO(x))/C and Pt-(RuO(2)-IrO(2))/C catalysts during the oxidation process. Thus, the addition of metallic Pt and PbO(x) onto high-area carbon powder, by the sol -gel route, constitutes an interesting way to prepare anodes with high catalytic activity for further applications in direct methanol fuel cell systems.