Катализатор Pt/CeO₂–ZrO₂ для парциального окисления диметилового эфира и диметоксиметана в синтез-газ: структурные исследования с помощью in situ спектроскопии комбинационного рассеяния света

Настоящая работа посвящена исследованию механизма конверсии
углеродсодержащих топлив на многокомпонентном катализаторе состава 1,9 мас.% Pt-Ce0,75Zr0,25O2 (Pt/CZ) с использованием in-situ спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и измерений каталитической активности. Установлено, что при нагревании и переходе из инертной атмосферы в восстановительные условия происходит выход кислорода из кристаллической решетки образцов. Это приводит к образованию кислородных вакансий в приповерхностном слое катализатора и увеличению концентрации Ce3+ более чем на 20% уже при температуре 400℃. Между тем, при возврате к исходным внешним условиям (температура, газовая смесь) происходит обратимый процесс. Использование катализаторов Pt/CZ позволяет получать до 35 об.% H2 и около 25 об.% CO в синтез-газе при парциальном окислении диметилового эфира и диметоксиметана. Таким образом, катализаторы Pt/CZ представляют большой интерес как эффективные катализаторы для конверсии углеводородов в синтез-газ, пригодный для питания батарей ТОТЭ.

1. Su X., et al. Thermodynamic analysis of fuel composition and effects of different dimethyl ether processing technologies on cell efficiency. Fuel Proc. Tech., 2020, 203, 106391.

2. Tu B., et al. Thermodynamic analysis and experimental study of electrode reactions and open circuit voltages for methane-fuelled SOFC. Int. J. Hydrog. Energy, 2020, 45 (58), P. 34069–34079.

3. Hartwell A.R., et al. Effects of Synthesis Gas Concentration, Composition, and Operational Time on Tubular Solid Oxide Fuel Cell Performance. Sustainability, 2022, 14 (13), 7983.

4. Li B., et al. Study on the operating parameters of the 10 kW SOFC-CHP system with syngas. Int. J. Coal Sci. Technol., 2021, 8, P. 500–509.

5. Badmaev S.D., et al. Partial Oxidation of Dimethoxymethane to Syngas Over Supported Noble Metal Catalysts. Top. Catal., 2020, 63 (1-2), P. 196–202.

6. Badmaev S.D., et al. Partial Oxidation of Dimethyl Ether by Air into Synthesis Gas over Pt- and Rh/Ce0.75Zr0.25O2-δ Catalysts. Int. J. Hydrog. Energy, 2021, 46 (72), P. 35877–35885.

7. Navarro R.M., et al. Hydrogen production reactions from carbon feedstocks: fossil fuels and biomass. Chem. Rev., 2007, 107, P. 3952–3991.

8. Chen Y., et al. Partial oxidation of dimethyl ether to H2/syngas over supported Pt catalyst. J. Nat. Gas Chem., 2008, 17, P. 75–80.

9. Shoynkhorova T.B., et al. Highly dispersed Rh-, Pt-, Ru/Ce0.75Zr0.25O2-δ catalysts prepared by sorption-hydrolytic deposition for diesel fuel reforming to syngas. Appl. Catal. B, 2018, 237, P. 237-244.

10. Chung C.-H., et al. Critical Roles of Surface Oxygen Vacancy in Heterogeneous Catalysis over Ceria-based Materials: A Selected Review. Chem. Lett., 2021, 50 (5), P. 856–865.

11. Damyanova S., et al. The effect of CeO2 on the surface and catalytic properties of Pt/CeO2–ZrO2 catalysts for methane dry reforming. Appl. Catal. B, 2009, 89 (1–2), P. 149–159.

12. Tan W., et al. Highly efficient Pt catalyst on newly designed CeO2-ZrO2-Al2O3 support for catalytic removal of pollutants from vehicle exhaust. Chem. Eng. J., 2021, 426, 131855.

13. Korableva G.M., et al. Application of High-temperature Raman Spectroscopy (RS) for Studies of Electrochemical Processes in Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) and Functional Properties of their Components. ECS Trans., 2021, 103 (1), P. 1301–1317.

14. Eliseeva G.M., et al. In-situ Raman spectroscopy studies of oxygen spillover at solid oxide fuel cell anodes. Chem. Prob., 2020, 1 (18), P. 9–19.

15. Weber W.H., et al. Raman study of CeO2: Second-order scattering, lattice dynamics, and particle-size effects. Phys. Rev. B, 1993, 48, P. 178–185.

16. Schilling C., et al. Raman Spectra of Polycrystalline CeO2: A Density Functional Theory Study. J. Phys. Chem. C, 2017, 121, P. 20834–20849.

17. Brogan M.S., et al. Raman spectroscopic study of the Pt-CeO2 interaction in the Pt/Al2O3-CeO2 catalyst. J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1994, 90, P. 1461–1466.

18. Lin W., et al. Probing Metal-Support Interactions under Oxidizing and Reducing Conditions: In Situ Raman and Infrared Spectroscopic and Scanning Transmission Electron Microscopic-X-ray Energy-Dispersive Spectroscopic Investigation of Supported Platinum Catalysts. J. Phys. Chem. C, 2008, 112, P. 5942–5951.

19. Berezhinsky L.I., et al. Investigation of Al-ZERODUR interface by Raman and secondary ion mass-spectroscopy. Semicond. Phys. Quantum Electron. Optoelectron., 2005, 8 (2), P. 37–40. http://dx.doi.org/10.15407/spqeo8.02.037.

20. Lee J., et al. How Pt Interacts with CeO2 under the Reducing and Oxidizing Environments at Elevated Temperature: The Origin of Improved Thermal Stability of Pt/CeO2 Compared to CeO2. J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (45), P. 25870–25879.

21. Schmitt R., et al. A review of defect structure and chemistry in ceria and its solid solutions. Chem. Soc. Rev., 2020, 49, P. 554–592.