Evaluation of the surface and catalytic properties of the ethylene and oxygen adsorption process on gold catalysts supported on mixed oxides CeZr

Abstract

Abstract. Surface and catalytic properties of mixed oxides CeO2, Au/CeO2, CeZr and Au/CeZr, during the total oxidation of ethylene is presented in this work. Four types of supports were used: synthesised and commercial CeO2 and CeZr mixed oxides. Synthesised supports were prepared by pseudo sol gel method while commercial supports were provided by Solvay-Rhodia. The mass CeO2/ZrO2 ratio was 0.8/0.2 for the synthesised support and 0.6/0.4 for the commercial one. Gold was subsequently deposited via direct anion exchange. XRD and Raman spectroscopy showed the effective formation of the fluorite type structure on each catalyst. Textural properties were determined via N2 adsorption, demonstrating the low influence of gold deposited as active phase. Temperature programmed desorption (TPD) and IR operando spectroscopy were used to stablish the fluid-surface interaction, elucidate the reaction mechanism during the oxidation reaction and determine the role of gold as active phase. Results show that there is no adsorption of ethylene or oxygen on any of the catalysts at room temperature, despite increasing the amount of gold deposited from 1 to 2%. In fact, only catalysts with gold are active for the oxidation reaction and only at temperatures above 100 °C. The formation of formate and carbonate species as intermediary precursors for the subsequent CO2 desorption, are seen as responsible for the oxidation of ethylene following the Mars and Van Krevelen model.

Resumen Las propiedades superficiales y catalíticas de los óxidos mixtos CeO2, Au/CeO2, CeZr y Au/CeZr, durante la oxidación total del etileno se presentan en este trabajo. Se utilizaron cuatro tipos de soportes: óxidos CeO2 y CeZr sintetizados y comerciales. Los soportes sintetizados se prepararon mediante el método de pseudo sol gel, mientras que los soportes comerciales fueron proporcionados por Solvay-Rhodia. La proporción másica de CeO2/ ZrO2 fue de 0.8/0.2 para el soporte sintetizado y de 0.6/0.4 para el soporte comercial. El oro como fase active se depositó posteriormente a través del intercambio aniónico directo. La espectroscopia XRD y Raman mostró la formación efectiva de la estructura del tipo fluorita en cada catalizador mediante difracción de rayos X (XRD) y espectroscopía Raman. Las propiedades texturales se determinaron por adsorción de N2, demostrando la baja influencia del oro depositado como fase active sobre estas. Se utilizaron las técnicas de desorción a temperatura programada (TPD) y espectroscopia infrarrojo (IR) operando para establecer la interacción fluido-superficie, elucidar el mecanismo de reacción durante la oxidación total de etileno y determinar el papel de la fase activa. Los resultados muestran que no hay adsorción de etileno ni de oxígeno en ninguno de los catalizadores a temperatura ambiente, a pesar de aumentar la carga de oro de 1 a 2%. De hecho, sólo los catalizadores con oro son activos para la reacción de oxidación y sólo a temperaturas por encima de 100 ºC. Se observa la formación de especies de formiato y carbonato como precursores intermedios para la posterior formación y desorción de CO2, y responsables de la oxidación del etileno siguiendo el modelo propuesto por Mars y Van Krevelen.