Model Platinum Catalysts

Promovendus/a: Lisa Geerts

Promotor(en): Prof. dr. ir. Johan Martens, De heer Sreeprasanth Pulinthanathu Sree

Uitzonderlijke katalytische en elektrochemische eigenschappen en een hoge weerstand tegen corrosie maken platina aantrekkelijk voor een breed scala aan (elektro)katalytische toepassingen. Platina is echter schaars en erg duur. Vanwege de hoge kostprijs van platina wordt vaak betracht het blootgestelde oppervlak te maximaliseren. Dit wordt gedaan om de efficiëntie van het platina zelf te verhogen, zodat minder metaal nodig is. Meestal wordt dit bereikt door de grootte van de Pt-partikels te verkleinen tot de nanoschaal door ze te verdelen over poreuze dragers met een groot oppervlak. Een alternatief is nanostructurering van het metaal. Dergelijke platina nanostructuren zonder drager, die een groot blootgesteld oppervlak combineren met elektrische geleidbaarheid, zijn nodig voor sommige specifieke toepassingen zoals elektrokatalyse.

Het verband tussen structurele en compositionele eigenschappen en de (elektro)katalytische performantie van een katalysator is nog niet helemaal opgehelderd, omdat zowel de kinetiek als de katalysatorstructuur zelf complex zijn. Om deze verbanden te kunnen leggen, is het noodzakelijk om nieuwe experimenten met eenvoudigere katalysatoren als modelsysteem te ontwerpen. Er zijn reeds eerder modelstudies gerapporteerd op basis van single crystals of Pt-partikels op vlakke dragers, maar deze zijn niet in staat om de complexe structuur van een echte technische katalysator volledig na te bootsen. Voorbeelden van goed gekarakteriseerde 3D Pt-modelkatalysatoren zijn schaars.

In deze doctoraatsstudie werd de relevantie van 3D model platina katalysatorsystemen aangetoond. Verschillende synthesemethoden voor modelsystemen met en zonder drager worden gepresenteerd. De modelkatalysatorsystemen, die werden gesynthetiseerd en onderzocht, zijn: Pt-nanopartikels op een sferische alumina drager, Pt-nanopartikels op een zeolietdrager en een Pt poreuze nanostructuur zonder drager. Ze vertegenwoordigen elk een model voor een katalysator die vaak wordt gebruikt in industriële processen.

Om de complexiteit te verminderen werd het eerste modelsysteem gemaakt met behulp van een monodisperse sferische drager. Sferische aluminapartikels werden gedecoreerd met Pt-nanopartikels en gemengd met sferische zeoliet partikels om een bifunctionele katalysator te creëren. Dit mengsel werd gebruikt voor de hydroisomerisatie en hydrokraken van decaan. Voor de andere 2 modelsystemen werd het potentieel van atoomlaagdepositie (ALD) onderzocht. ALD is een zelflimiterende groeimethode gebaseerd op opeenvolgende reacties van gasfase-precursormoleculen met een vast oppervlak. Het zelflimiterende karakter biedt controle op atomair niveau over de introductie van nanopartikels en films. Met behulp van Pt-ALD werden platina nanopartikels uniform afgezet op zeolieten, waardoor het katalytisch actief werd. Het was ook mogelijk om katalytisch actieve zure sites te introduceren door Ga-ALD te gebruiken. De katalytische eigenschappen werden onderzocht in de hydroisomerisatie en hydrokraken van decaan. Voor het creëren van continue nanostructuren zonder drager werd het poriënsysteem van geordende poreuze silicamatrijzen gevuld met platina met behulp van Pt-ALD, waarna de matrijs werd verwijderd. Door gebruik van de matrijs werd de vorm van de porie aan platina opgelegd en de resulterende replica heeft een groot reactief oppervlak. De nanostructuur werd getest als elektrode voor elektrokatalytische en biomedische toepassingen.