O Instytucie

Tytuł: Ce(III) formate-derived hierarchical cerium oxide particles with icosahedral symmetry-based architectures: Effect of third level of structural hierarchy in soot and propane oxidation

Autorzy: P. Woźniak

Czasopismo: Acta Materialia

DOI: 10.1016/j.actamat.2024.120372

Artykuł opisuje szczegółowo rolę architektury hierarchicznie ustrukturyzowanych tlenkowych katalizatorów cerowych i cerowo-gadolinowych  w dopalaniu sadzy (rekacja ciało stałe-ciało stałe) oraz utlenianiu propanu (reakcja gaz-ciało stałe). Odpowiedni dobór parametrów syntezy solwotermalnej takich jak skład mieszaniny reakcyjnej, temperatura i czas syntezy pozwala na otrzymanie cząstek o zadanej architekturze przejawiającej symetrię ikozaedryczną. Są to między innymi makrocząstki o morfologii zbliżonej do dodekaedru, wklęsłego dodekaedru, stellowanego trzydziestościanu rombowego (rhombic hexecontahedron), wielkiego stellowanego dwunastościanu foremnego, fraktalnie rozgałęzionego wielkiego stellowanego dwunastościanu foremnego, czy wielościanu dualnego Wenningera W’=102 (great dodecahemicosacron). Mechanizm odpowiadający za formowanie się agregatów krystalicznych o tak skomplikowanych morfologiach oparty jest o wielokrotne bliźniakowanie kryształów mrówczanu ceru zgodnie z orientacją krystalograficzną (101). Zostało to potwierdzone poprzez konstrukcję modeli cząstek w oparciu o zaproponowany mechanizm. Modele odtwarzają cechy morfologiczne makrocząstek obserwowanych eksperymentalnie przy pomocy mikroskopii SEM.

W badaniach katalitycznych na zmienną niezależną wybrano parametr związany z architekturą katalizatorów, a mianowicie trzeci poziom struktury hierarchicznej cząstek odnoszący się do kształtu agregatów krystalicznych, natomiast pozostałe cechy fizykochemiczne charakteryzujące niższe poziomy struktury hierarchicznej cząstek były kontrolowane tak by były podobne między testowanymi układami. Okazało się, że morfologia cząstek odgrywa istotną rolę w katalitycznym dopalaniu sadzy. Tym samym powierzchnia właściwa szacowana metodami fizysorpcyjnymi nie zawsze jest predyktorem aktywności katalitycznej w przypadku katalizatorów hierarchicznych. Modyfikacja architektury pozwala na poprawę właściwości katalitycznych materiału poprzez zwiększenie geometrycznego dopasowania pomiędzy cząstkami sadzy i katalizatora. Najlepsza próbka obniża temperaturę połowicznego dopalania o 143 °C. Morfologia cząstek hierarchicznych nie odgrywa wiodącej roli w utlenianiu propanu, ale wprowadzenie domieszki Gd różnicuje aktywność katalityczną cząstek o różnych morfologiach. Architektura cząstek może służyć jako modyfikator aktywności katalitycznej poprzez inżynierię granic ziaren hierarchicznych kataklizatorów cerowo-gadolinowych.