Physico-chemical properties and catalytic behavior of LnSrNiO(4) mixed oxides for NO decomposition

A series of LnSrNiO(4)(A(2)BO(4), Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd) mixed oxides with K2NiF4 structure, in which A-site(Sr) was partly substituted by individual light rare earth element, was prepared. The solid state physico-chemical properties including crystal structure, defect structure, IR spectrum, valence state of H-site ion, nonstoichiometric oxygen, oxygenous species, the properties of oxidation and reduction etc. as well as the catalytic behavior for NO decomposition on these mixed oxides were investigated. The results show that all of these mixed oxide catalysts have high activity for the direct decomposition of NO(at 900 degrees C the conversion of NO is more than 90%). The effect of the substitution of light rare earth elements at A-site on catalytic behavior for NO decomposition was elucidated.

Investigation of Catalysis of Y-Ba-Cu-O Mixed Oxides in Phenol Hydroxylation

Superconductor Y-Ba-Cu-O mixed oxides were synthesized and their catalysis in phenol hydroxylation was studied too. Results show that, Y2BaCuO5 has better activity than that of YBa2Cu3O7-x, With the catalysis study of another mixed oxide La2CuO4 a conclusion that AO structure unit is the key for mixed oxides to have high activity in phyenol hydroxylation was drawn. Meanwhile, the effects of reaction temperature, medium and medium (water) pH on phenol hydroxylation catalyzed by Y2BaCuO5 and the stability of the mixed oxides were also studied.

Catalysis by Transition Metal Modified Ceria and Ceria-Zirconia Mixed Oxides Prepared via Sol-Gel Route

The aim of catalysis research is to apply the catalyst successfully in economically important reactions in an environmentally friendly way. The present work focuses on the modification of structural and surface properties of ceria and ceria-zirconia catalysts by the incorporation of transition metals. The applications of these catalysts in industrially important reactions like ethylbenzene oxidation, alkylation of aromatics are also investigated.Sol-gel method is effective for the preparation of transition metal modified ceria and ceria-zirconia mixed oxide since it produces catalyst with highly dispersed incorporated metal. Unlike that of impregnation method plugging of pores is not prominent for sol-gel derived catalyst materials. This prevents loss of surface area on metal modification as evident for BET surface area measurements.The powder X-ray diffraction analysis confirms the cubic structure of transition metal modified ceria and ceria-zirconia catalysts. The thermal stability is evident from TGA/DTA analysis. DR UV-vis spectra provide information on the coordination environment of the incorporated metal. EPR analysis ofCr, Mn and Cu modified ceria and a ceria-zirconia catalyst reveals the presence of different oxidation states of incorporated metal.Temperature programmed desorption of ammonia and thermogravimetric desorption of 2,6-dimethyl pyridine confirms the enhancement of acidity on metal incorporation. High a-methyl styrene selectivity in cumene cracking reaction implies the presence of comparatively more number of Lewis acid sites with some amount of Bronsted acid sites. The formation of cyclohexanone during cyclohexanol decomposition confirms the presence of basic sites on the catalyst surface.Mn and Cr modified catalysts show better activity towards ethylbenzene oxidation. A redox mechanism through oxometal pathway is suggested.All the catalysts were found to be active towards benzylation of toluene and a-xylene. The selectivity towards monoalkylated products remains almost 100%. The catalytic activity is correlated with the Lewis acidity of the prepared systems.The activity of the catalysts towards methylation of phenols depends on the strength acid sites as well as the redox properties of the catalysts. A strong dependence of methylation activity on the total acidity is illustrated.

Studies on the catalysis by sulfated mixed oxides of tin with some rare earth elements

A comparative study of acid-base properties and catalytic activity of Sn-La and Sn-Sm mixed oxides and their corresponding sulfate modified analogues are reported in this thesis. The catalytic activity and product selectivity in the decomposition of alcohols are correlated with the acid-base and redox properties of the catalyst systems under study The effect of catalyst preparation, pretreatment and various reaction parameters on the catalytic activity of sulfate modified oxides is investigated in the oxidative dehydrogenation reactions The experimental conditions are optimised to synthesise industrially important organic chemicals viz. 2,6 xylenol, o-cresol, N-methylanilne and N,N-dimethylaniline employing the mixed oxide systems. The effect of sulfate treatment on the catalytic activity of these systems in the alkylation reactions of phenol, anisole and aniline is also investigated and the merits and demerits of sulfate treatment are highlighted.

Thermal behaviour and analytical study of the production of TiSnOx from the mixed 8-hydroxyquinolinates

Solubility and pH precipitation studies were carried out to obtain the binuclear complex {[TiO(C9H6NO)2][Sn(C9H6NO) 2]} involving 8-hydroxyquinoline as chelating agent. The compound, the individual mononuclear complexes and their physical mixture were evaluated by means of techniques such as TG, DTA, elemental analysis, X-ray diffraction, IR spectroscopy. The properties of the original compounds and also the thermoanalytical conditions exerted a great influence on the degree of crystallinity and on the crystalline phase of the mixed oxide obtained as final product of the thermal decomposition.

Glycerol oxidehydration to acrylic acid on complex mixed-metal oxides

The project of this Ph.D. thesis is based on a co-supervised collaboration between Università di Bologna, ALMA MATER STUDIORUM (Italy) and Instituto de Tecnología Química, Universitat Politècnica de València ITQ-UPV (Spain). This Ph.D. thesis is about the synthesis, characterization and catalytic testing of complex mixed-oxide catalysts mainly related to the family of Hexagonal Tungsten Bronzes (HTBs). These materials have been little explored as catalysts, although they have a great potential as multifunctional materials. Their peculiar acid properties can be coupled to other functionalities (e.g. redox sites) by isomorphous substitution of tungsten atoms with other transition metals such as vanadium, niobium and molybdenum. In this PhD thesis, it was demonstrated how it is possible to prepare substituted-HTBs by hydrothermal synthesis; these mixed-oxide were fully characterize by a number of physicochemical techniques such as XPS, HR-TEM, XAS etc. They were also used as catalysts for the one-pot glycerol oxidehydration to acrylic acid; this reaction might represent a viable chemical route to solve the important issue related to the co-production of glycerin along the biodiesel production chain. Acrylic acid yields as high as 51% were obtained and important structure-reactivity correlations were proved to govern the catalytic performance; only fine tuning of acid and redox properties as well as the in-framework presence of vanadium are fundamental to achieve noteworthy yields into the acid monomer. The overall results reported herein might represent an important contribution for future applications of HTBs in catalysis as well as a general guideline for a multifaceted approach for their physicochemical characterization.

Evidences of the Cerium Oxide-Catalysed DPF Regeneration in a Real Diesel Engine Exhaust

The active phase Ce0.5Pr0.5O2 has been loaded on commercial substrates (SiC DPF and cordierite honeycomb monolith) to perform DPF regeneration experiments in the exhaust of a diesel engine. Also, a powder sample has been prepared to carry out soot combustion experiments at laboratory. Experiments performed in the real diesel exhaust demonstrated the catalytic activity of the Ce–Pr mixed oxide for the combustion of soot, lowering the DPF regeneration temperature with regard to a counterpart catalyst-free DPF. The temperature for active regeneration of the Ce0.5Pr0.5O2-containing DPF when the soot content is low is in the range of 500–550 °C. When the Ce0.5Pr0.5O2-containing DPF is saturated with a high amount of soot, pressure drop and soot load at the filter reach equilibrium at around 360 °C under steady state engine operation due to passive regeneration. The uncoated DPF reached this equilibrium at around 440 °C. Comparing results at real exhaust with those at laboratory allow concluding that the Ce0.5Pr0.5O2-catalysed soot combustion in the real exhaust is not based on the NO2-assisted mechanism but is most likely occurring by the active oxygen-based mechanism.

Investigation of RuO2/Ta2O5 thin film evolution by thermogravimetry combined with mass spectrometry

The thermal evolution process of RuO2–Ta2O5/Ti coatings with varying noble metal content has been investigated under in situ conditions by thermogravimetry combined with mass spectrometry. The gel-like films prepared from alcoholic solutions of the precursor salts (RuCl3·3H2O, TaCl5) onto titanium metal support were heated in an atmosphere containing 20% O2 and 80% Ar up to 600 °C. The evolution of the mixed oxide coatings was followed by the mass spectrometric ion intensity curves. The cracking of retained solvent and the combustion of organic surface species formed were also followed by the mass spectrometric curves. The formation of carbonyl- and carboxylate-type surface species connected to the noble metal was identified by Fourier transform infrared emission spectroscopy. These secondary processes–catalyzed by the noble metal–may play an important role in the development of surface morphology and electrochemical properties. The evolution of the two oxide phases does not take place independently, and the effect of the noble metal as a combustion catalyst was proved.

Interfacial microstructure in Y1Ba2Cu3O7-δ high Tc superconductors

The microstructures of YBa2Cu3O7-δ ceramics prepared from freeze dried powders and containing an excess of CuO have been studied by analytical electron microscopy. Special attention has been paid to the interfacial microstructure. It was found that a liquid phase formed during sintering between 890°C and 920°C and this promoted grain growth and densification. Both clean grain boundaries and boundaries containing an amorphous intergranular film, which was rich in Cu, have been observed. Both CuO and BaCuO2 were present as secondary phases.

Study of in situ laser deposited YBCO thin films

YBCO thin films were fabricated by laser deposition, in situ on MgO substrates, using both O2 and N2O as process gas. Films with Tc above 90 K and jc of 106 A/cm2 at 77 K were grown in oxygen at a substrate temperature of 765 °C. Using N2O, the optimum substrate temperature was 745 °C, giving a Tc of 87 K. At lower temperatures, the films made in N2O had higher Tc (79 K) than the films made in oxygen (66 K). SEM and STM investigations of the film surfaces showed the films to consist of a comparatively smooth background surface and a distribution of larger particles. Both the particle size and the distribution density depended on the substrate temperature.

Ce0.67Cr0.33O2.11: A New Low-Temperature O-2 Evolution Material and H-2 Generation Catalyst by Thermochemical Splitting of Water

Ce0.67Cr0.33O2.11 was synthesized by hydrothermal method using diethylenetriamine as complexing agent (Chem. Mater. 2008, 20, 7268). Ce0.67Cr0.33O2.11 being the only compound likes UO2+delta to have excess oxygen, it releases a large proportion of its lattice oxygen (0.167 M [O]/mole of compound) at relatively low temperature (465 degrees C) directly and it has been utilized for generation of H-2 by thermo-splitting of water. An almost stoichiometric amount of H-2 (0.152 M/Mole of compound) is generated at much lower temperature (65 degrees C). There is an almost comparable amount of oxygen release and hydrogen generation over this material at very low temperature comparedto other CeO2-MOx (Mn, Fe, Cu, and Ni) mixed-oxide solid solutions (O-2 evolution >= 1300 degrees C and H-2 generation at 1000 degrees C). The reversible nature of oxygen release and intake of this material is attributed to its fluorite Structure and coupling between the Ce4+/Ce3+ and Cr4+/6+/Cr3+ redox couples. Compound shows reversible oxygen release and intake by H2O absorption and subsequent hydrogen release to gain parent structure and hence this material can be utilized for generation of H-2 at very low temperature by thermo-chemical splitting of water.

Produção de biodiesel pela rota heterogênea empregando catalisadores a base de Zn e Al

Nos últimos anos, a busca por fontes de energia renováveis e o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de biocombustíveis têm sido objeto de intensa investigação. O biodiesel é um combustível biodegradável, derivado de fontes renováveis e é obtido em escala industrial principalmente através da reação de transesterificação de óleos vegetais e/ou gorduras animais com metanol na presença de catalisadores homogêneos, como NaOH. Entretanto, a utilização de catalisadores heterogêneos tem sido sugerida por diversos autores, por apresentar vantagens como a eliminação dos problemas de separação e purificação dos produtos obtidos. No presente trabalho foi investigada a produção de biodiesel a partir da transesterificação do óleo de soja com metanol utilizando óxidos mistos de Zn e Al como catalisadores sólidos básicos. A influência das variáveis: temperatura, concentração de catalisador e relação molar metanol/óleo de soja na produção de biodiesel foi avaliada. Os catalisadores preparados apresentaram predominantemente sítios básicos e foram ativos frente à reação estudada, sendo os resultados mais promissores apresentados pelo óxido misto com relação molar Al/(Al+Zn)=0,50, obtido por tratamento térmico à 450C, que apresentou rendimentos em ésteres metílicos de até 98,5% sob condições específicas. A metodologia da superfície de resposta foi utilizada visando estabelecer as condições ótimas para maximizar o rendimento em ésteres metílicos, tendo sido encontradas a temperatura de 165oC e a concentração de catalisador de 5,8% m/m em relação massa de óleo, no caso da relação molar metanol/óleo de soja limitada em 15. Essa limitação teve como objetivo garantir um processo viável em escala comercial

Estudo da desativação hidrotérmica de catalisadores automotivos comerciais

O vapor dágua está presente na exaustão veicular em quantidades significativas e, nas condições de operação do catalisador automotivo, essa espécie pode promover uma série de fenômenos térmicos que podem reduzir a vida útil do sistema. Dentro desse contexto, essa dissertação tem como objetivo estudar os efeitos da desativação hidrotérmica nas propriedades físico-químicas e estruturais, e no desempenho de três catalisadores automotivos comerciais à base de Pd/Rh, designados A, C e E. Esses sistemas foram submetidos a tratamento térmico a 1000C por 12 horas, sob três tipos de correntes gasosas, com a seguinte composição: N2, 14% H2O/N2 e 18% H2O/N2. A caracterização dos catalisadores consistiu das seguintes técnicas: FRX, ICP-OES, ATG-ATD, fisissorção de N2, TPD-H2 e TPR. A partir dos resultados obtidos para as amostras envelhecidas, foram constatados vários fenômenos característicos da degradação térmica, como sinterização da alumina e do óxido misto CeO2-ZrO2, transições de fases cristalina na alumina e segregação de fases no óxido misto. A avaliação da atividade catalítica foi realizada com base na reação de redução do NO pelo CO, e nas reações de oxidação do CO e do C3H8. Para os catalisadores C e E, os envelhecimentos acarretaram em perda de atividade, e os resultados da avaliação catalítica apresentaram uma boa correlação com as propriedades texturais e a redutibilidade desses catalisadores. Em contrapartida, para o catalisador A, os tratamentos térmicos o ativaram para todas as reações. Apesar de os três sistemas terem apresentado boa atividade frente à redução do NO pelo CO, foi observada, para todas as amostras, a formação indesejável de N2O em quantidades significativas, indicando que eles foram pouco seletivos na faixa de temperatura analisada

Estudo da influência da temperatura na desativação de catalisadores automotivos comerciais

Foi estudada a influência da temperatura na desativação de catalisadores automotivos comerciais, à base de Pt/Rh e de Pd/Rh, de diferentes fabricantes. Foram empregadas técnicas de caracterização textural e físico-química como FRX, AAS, fisissorção de N2, TG-ATD, DRX, RTP, quimissorção de H2 e MEV-EDX. Os catalisadores foram avaliados nas reações de oxidação do CO e oxidação do propano, utilizando uma mistura de gases estequiométrica semelhante ao gás de exaustão. Os catalisadores denominados G e V, de Pt/Rh e Pd/Rh, respectivamente, foram envelhecidos a 900C, em condições estequiométricas, e a 1200C, em ar, por períodos de tempo determinados. Em relação ao envelhecimento a 900C, apesar da caracterização apontar melhores resultados para o catalisador G, a comparação com os catalisadores novos indicou que a extensão da desativação sofrida pelo catalisador V foi menor do que aquela sofrida pelo catalisador G. O envelhecimento oxidante a 1200C foi muito prejudicial ao desempenho de ambos os catalisadores. Os difratogramas dos catalisadores envelhecidos nestas condições mostraram fenômenos importantes de transição de fase da alumina, bem como indícios de formação de novas fases a partir do óxido misto de Ce/Zr. Os perfis de RTP mostraram uma grande queda na redutibilidade, tanto para o catalisador G como para o V após este envelhecimento, e as micrografias de MEV-EDX mostraram estruturas muito sinterizadas e vários pontos de Pd aglomerado no catalisador V. Esse catalisador também apresentou partículas de texturas incomuns. Além disso, para ambos foi verificado indícios de perda de material nas amostras calcinadas por 72h a 1200C. Com relação aos resultados de avaliação catalítica, o catalisador G apresentou um desempenho inferior ao do catalisador V. A realização de envelhecimentos em atmosfera oxidante pode justificar esse comportamento uma vez que esse procedimento promove a formação de óxidos de platina, menos ativos que a platina metálica para essas reações. Além disso, este catalisador apresentou um teor de Pt bem abaixo daqueles registrados na literatura para catalisadores automotivos comerciais. Por outro lado, para catalisadores de Pd, o envelhecimento oxidante leva à formação de PdO, mais ativo que o Pd metálico. Outra observação significativa em relação à avaliação catalítica foi o fato de o catalisador G novo ter apresentado uma atividade muito baixa, especialmente para o propano, que tendeu a aumentar com o envelhecimento térmico. Foi sugerido que este catalisador precisaria de uma ativação térmica, a qual o catalisador V parece ter sido submetido durante a fabricação, pois há indícios da ocorrência de certo desgaste térmico neste catalisador novo, como mostrados pelos resultados de fisissorção de N2, DRX, TG-ATD, RTP e MEV-EDX. Foi também mostrado que os resultados de quimisorção de H2, apesar de não poderem ser usados na determinação da dispersão metálica, apresentaram uma tendência de correlação entre o consumo de H2 e o desempenho catalítico expresso como T50 ou T20. Observa-se um aumento na atividade catalítica quando a quantidade de H2 dessorvido (DTP-H2) aumenta. Concluindo, o envelhecimento térmico mostrou ser prejudicial ao desempenho do catalisador comercial, principalmente para situações drásticas como o envelhecimento realizado a 1200C em condições oxidantes

Estudo da redução do NO pelo CO usando catalisadores de ródio suportado em óxido misto de cério e zircônio e óxido misto derivado de hidrotalcita

Esta tese teve como objetivo avaliar o desempenho de catalisadores de Rh suportados em cério-zircônio (CZ) e em óxido misto de magnésio e alumínio (HT) derivado de hidrotalcita na reação de redução do NO pelo CO em meio estequiométrico. Os suportes puros e impregnados com Rh foram nomeados CZ, RhCZ, HT e RhHT. Os suportes foram preparados por coprecipitação e o metal nobre foi adicionado no teor de 0,15% (m/m) por impregnação a seco. Foram realizados testes de caracterização como fisissorção de N2, DRX, TPR, espectroscopia Raman, DRIFTS, TGA-DTA e TPD-CO/NO. Para a avaliação catalítica, foi utilizada uma mistura de 1%NO + 1%CO em He e a atividade e seletividade foram expressas através das concentrações dos gases envolvidos ao longo de uma rampa de temperatura desde a temperatura ambiente até 500C. Os resultados de caracterização indicaram nítidas diferenças estruturais e físico-químicas entre os dois tipos de catalisadores nas isotermas de adsorção de N2, nos perfis de redução e nos difratogramas, já dando indícios de que os mecanismos de reação seriam diferentes. Pelas análises de DRIFTS identifica-se a presença de bandas características de espécies de CO adsorvidas no Rh somente para o catalisador RhCZ a baixa temperatura, ressaltando a interação Rh-CZ, também evidenciadas pelos resultados de Raman, mas que provavelmente não ocorrem com o óxido misto de Al e Mg. Observou-se que o suporte de CZ foi mais ativo a baixas temperaturas que o suporte de HT, porém o catalisador RhHT foi mais seletivo a N2 a 350C e emitiu menos N2O ao longo da faixa de temperatura avaliada do que o catalisador RhCZ. Resultados de TPD de NO e comparações de curvas experimentais e teóricas envolvendo as concentrações de CO, CO2 e NOx durante os testes catalíticos, acompanhados também pelas análises de DRIFTS nas mesmas condições, indicam que a redução do Rh e a afinidade do catalisador pelo NO são importantes para favorecer a maior seletividade da reação de redução do NO pelo CO a N2.