Sintesi e test di sostanza solida Pt-Cu sostenuta Catalizzatori di nanoparticelle per la deidrogenazione del propano

La deidrogenazione del propano (PDH) è una fase di trasformazione chiave nella produzione di propilene, avvalendosi del gas shale, la fonte di crescita più rapida del gas nel paese ¹ . Questa reazione interrompe due legami CH in una molecola di propano per formare un propilene e un idrogeno molecolare. I catalizzatori di metalli nobili, comprese le nanoparticelle di Pd, presentano una scarsa selettività per il PDH, spezzando il legame CC per produrre metano ad elevata resa, con la produzione concomitante di coke, portando alla disattivazione del catalizzatore. Recenti rapporti hanno dimostrato che i catalizzatori selettivi di PDH potrebbero essere ottenuti con l'aggiunta di promotori come Zn o In a Pd ^{2 , 3 , 4} . I catalizzatori promossi sono vicini al 100% selettivi a PDH, a differenza di meno del 50% per nanoparticelle monometalliche Pd della stessa dimensione. Il grande miglioramento della selettività è stato attribuito alla formazione di composti intermetallici PdZn o PdIn(IMC) sulla superficie del catalizzatore. L'array ordinato di due diversi tipi di atomi nelle IMC geometricamente isolava i siti attivi Pd con Zn o At atomi non catalitici, che spense le reazioni laterali catalizzate da un gruppo (gruppo) dei siti attivi attivi Pd.

Il platino ha la più alta selettività intrinseca tra i metalli nobili per la deidrogenazione del propano, ma non è ancora soddisfacente per l'uso commerciale ¹ . In genere, Sn, Zn, In o Ga è aggiunto come promotore per Pt ^{5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13} . Sulla base dell'idea che l'isolamento del sito attivo geometrico contribuisce ad alta selettività, qualsiasi elemento non catalitico che forma una legaStruttura con Pt, come Cu, dovrebbe anche potenzialmente promuovere le prestazioni del catalizzatore ¹⁴ . Alcuni studi precedenti hanno suggerito che l'aggiunta di Cu ha migliorato la selettività PDH dei catalizzatori Pt ^{15 , 16 , 17 , 18} . Tuttavia, non sono state riportate prove dirette per determinare se Pt e Cu formano nanoparticelle bimetalliche o strutture ordinate, cruciale per comprendere l'effetto promozionale di Cu. Nel diagramma di fase binario di Pt-Cu, sono possibili due tipi di struttura in un'ampia gamma di composizioni ^{16 , 18} : composto intermetallico in cui Pt e Cu ciascuno occupano siti cristallici specifici e solida soluzione in cui Cu sostituisce casualmente nel Reticolo Pt. Le IMC si formano a bassa temperatura e si trasformano in soluzione solida a circa 600-800 ° C per i materiali sfusi <suP class = "xref"> 14. Questa temperatura di trasformazione può essere inferiore per le nanoparticelle, vicino alla temperatura di reazione di PDH ( ossia 550 ° C). Pertanto è essenziale studiare l'ordine atomico di Pt-Cu in condizioni di reazione. Per le nanoparticelle supportate con piccole dimensioni di particelle, è molto difficile ottenere informazioni strutturali significative utilizzando strumenti di laboratorio ¹⁹ . La ripetizione limitata delle cellule unità porta a picchi di diffrazione molto ampi con intensità molto basse. A causa dell'elevata frazione di atomi superficiali delle nanoparticelle di dimensione da 1 a 3 nm che sono ossidate in aria, la diffrazione deve essere raccolta in situ utilizzando raggi X ad alto flusso, tipicamente disponibile con tecniche di sincrotrone.

I catalizzatori Pt-Cu PDH precedentemente riportati erano tutti superiori a 5 nm di dimensioni ^{15 , 16 , 17 , 1}8. Tuttavia, per i catalizzatori di nanoparticelle di metalli nobili, c'è sempre un forte desiderio di massimizzare l'attività catalitica per costo unitario, sintetizzando catalizzatori con elevate dispersioni (tipicamente circa o meno di 2 nm in dimensioni) ¹⁹ . Anche se la preparazione di nanoparticelle bimetalliche di questa dimensione è possibile mediante metodi standard di impregnazione, è necessario un controllo razionale sulle procedure. I precursori metallici, il pH della soluzione impregnante e il tipo di supporto devono essere controllati per ottimizzare l'ancoraggio delle specie metalliche su supporti di superficie ad alta superficie. I successivi trattamenti termici di calcinazione e riduzione dovrebbero anche essere attentamente controllati per sopprimere la crescita delle nanoparticelle metalliche.

Questo articolo riguarda il protocollo per la sintesi di catalizzatori bimetallici nanometriche a base di Pt-Cu da 2 nm e per la prova delle loro prestazioni di deidrogenazione del propano. La struttura dei catalizzatori è studiata da Scanning TLa microscopia elettronica di ransmission (STEM), la spettroscopia di assorbimento a raggi X in sincrotrone in situ , e la diffrazione a raggi X in sincrotrone in situ (XRD), che aiutano a chiarire la migliorata efficienza del catalizzatore dopo l'introduzione di Cu.