Oxidation of methane on oxide catalysts.

Przeprowadzone badania miały na celu określenie aktywności katalitycznej spineli kobaltowych w reakcji niskotemperaturowego spalania metanu o niskim stężeniu. Metan jest gazem cieplarnianym o dwudziestopięciokrotnie większym potencjale w tworzeniu efektu cieplarnianego aniżeli dwutlenek węgla i dlatego istotne jest znalezienie sposobu na ograniczenie jego emisji do atmosfery. W tym celu, w zróżnicowanych warunkach syntezy (temperatura kalcynacji, rodzaj atmosfery) otrzymano preparaty z różnych substratów wyjściowych oraz przeprowadzono ich analizę fazową metodą rentgenowskiej dyfraktometrii proszkowej (XRD) oraz spektroskopii Ramana (RS). Metoda XRD posłużyła też do określenia średnich wielkości krystalitów na podstawie równania Williamsona-Halla. Metodę BET wykorzystano do wyznaczenia powierzchni właściwej otrzymanych preparatów, natomiast analizę termograwimetryczną – do ustalenia ich niestechiometrii. W celu określenia aktywności katalitycznej niedomieszkowanych spineli oraz spineli kobaltowych dotowanych borem i litem, skorzystano z metody temperaturowo programowanej reakcji powierzchniowej (TPSR). Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów stwierdzono, że niestechiometryczne preparaty jak i te dotowane litem, generują parę redoksową Co3+/Co4+ i zwiększają aktywność katalityczną w reakcji spalania metanu. Wprowadzanie boru w pozycję tetraedryczną powoduje obniżenie ładunku kobaltu w pozycji oktaedrycznej i wytworzenie pary Co2+/Co3+, co prowadzi do pogorszenia aktywności katalitycznej. W pierwszym przypadku reakcja zachodzi według mechanizmu Eleya-Rideala, a w drugim dominuje mechanizm Marsa-van Krevelena.The aim of this work was to determine catalytic activity of cobalt spinels in the reaction of low temperature methane oxidation of low concentrations. The methane is a greenhouse gas which global warming potential is twenty-five times larger than for the carbon dioxide and that is why it is important to find the way to reduce its emissions to the atmosphere. Samples were synthesized from various substrates in different conditions (temperature of calcination, type of atmosphere). The phase analysis for obtained samples were performed by X-ray powder diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy (RS). Also the XRD method was used to specify an average crystallite size. Both surface area (BET method) and stoichiometry (thermogravimetric analysis TGA) were characterized for synthesized catalysts. Method called temperature programmed surface reaction – TPSR has been used to determine catalytic activity undoped cobalt spinels and the Co3O4 doped with borum and lithium. Based on performed experiments it is possible to conclude that undoped catalysts and that doped with lithium, generate Co3+/Co4+ and improve catalytic activity in reaction of oxidation methane. Adding borum in tetrahedral position causes reduction of cobalt in octahedral sites and formation a redox pair Co2+/Co3+. As a result the decreased of catalytic activity can be observed. In the first instance, the reaction proceeds according to the Eley-Rideala mechanism, in second one the mechanism of Mars-van Krevelen is dominant