Metody badania charakterystyki katalizatorów. Część I. Struktura i uporządkowanie katalizatora

• Autorzy: Gryboś J. , Kaczmarczyk J. , Mazur T. , Sobańska K.

Warianty tytułu

EN

Methods of catalysts characterization. Part I. Structure and arrangement of catalyst

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca obejmuje zwarty przegląd podstaw teoretycznych i zastosowań metod badawczych o wysokim potencjale użycia w katalizie heterogenicznej. Autorzy przedstawili cztery techniki: rentgenowską dyfraktometrię proszkową (XRD), obliczenia DFT, transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM) oraz elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR). Dyfraktometria rentgenowska pozwala, poprzez zbadanie uporządkowania dalekozasięgowego w objętości próbki, określić fazy krystaliczne obecne w próbce, wielkość domen dyfrakcyjnych oraz bardziej dokładnie przedstawić strukturę komórki elementarnej materiału katalitycznego. Metody obliczeniowe, bazujące na określonych założeniach teoretycznych, umożliwiają uzyskanie informacji niezbędnych do wyjaśnienia mechanizmów zachodzących reakcji, pozwalając w efekcie na zwiększenie dokładności przewidywanych wyników. Wymagają one jednak wcześniejszej weryfikacji zgodności modelu obliczeniowego z doświadczeniem. Transmisyjna mikroskopia elektronowa stanowi idealne narzędzie do analizy zarówno składu (techniki spektroskopowe: EDX, EELS), jak i struktury (w tym defektów) katalizatorów (techniki mikroskopowe: HR TEM, HR i HAADF STEM). Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego daje wgląd w najbliższe otoczenie koordynacyjne jonów paramagnetycznych oraz mechanizm reakcji katalitycznych. Komplementarne wykorzystanie wyników otrzymanych wymienionymi metodami pozwala uzyskać kompleksową wiedzę o uporządkowaniu blisko- i dalekozasięgowym katalizatora.

EN

The article covers a compact overview of the theoretical basics and usage of research methods with high potential for application in heterogeneous catalysis. The authors presented four techniques: X-ray powder diffraction (XRD), DFT calculations, transmission electron microscopy (TEM) and electron paramagnetic resonance (EPR). X-ray diffraction allows by means of examination of the long-range arrangement in sample volume, to determine crystalline phases, size of the crystal domains and to obtain the structure of the primitive cell of the catalytic material. Computational methods give the information necessary to fully explain the mechanisms of reactions, with higher resolution than by any experimental method. They require though, previous verification of computed model systems. Transmission electron microscopy is an ideal tool for the analysis of both the composition (spectroscopic techniques: EDX, EELS) and structure (including defects) of catalysts (microscopic techniques: HR TEM, HR and HAADF STEM). Electron paramagnetic spectroscopy gives insight into the nearest coordination surroundings of the paramagnetic ions and into the mechanisms of catalytic reactions. Complementary usage of the outcomes from each method mentioned above gives the comprehensive knowledge of both short- and long-range order in catalytic material.

Słowa kluczowe

PL

rentgenowska dyfraktometria proszkowa; teoria funkcjonałów gęstości; transmisyjna mikroskopia elektronowa; elektronowy rezonans paramagnetyczny

EN

X-ray diffraction; density functional theory; transmission electron microscopy; electron paramagnetic resonance

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 71, nr 1
• Strony: 47--55
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., il.

Twórcy

autor

Gryboś J.

• Uniwersytet Jagielloński Wydział Chemii ul. Ingardena 3 30-060 Kraków

autor

Kaczmarczyk J.

• Uniwersytet Jagielloński Wydział Chemii ul. Ingardena 3 30-060 Kraków

autor

Mazur T.

• Uniwersytet Jagielloński Wydział Chemii ul. Ingardena 3 30-060 Kraków

autor

Sobańska K.

• Uniwersytet Jagielloński Wydział Chemii ul. Ingardena 3 30-060 Kraków

Bibliografia

• [1] Atkins P. W.: Chemia fizyczna. PWN. Warszawa 2007.
• [2] Bloch P. E.: Projector augmented-wave method. Physical Review B 1994, 50, pp. 17953-17978.
• [3] Chang L. Y., Barnard A. S., Gontard L. C, Dunin-Borkowski R. E.: Resolving the Structure of Active Sites on Platinum Catalytic Nanoparticles. Nano Letters 2010, 10, pp. 3073-3076.
• [4] Chiesa M., Giamello E., Che M.: EPR characterization and reactivity of surface-localized inorganic radicals and radical ions. Chemical Reviews 2010, 110, pp. 1320-1347.
• [5] Cottenier S.: Density Functional Theory and Family of (L) APW-methods: a step-by-step introduction. August 7, 2002—2013 (2nd edition), ISBN 978-90-807215-1-7, http://www.wien2k.at/reg-user/textbooks/ (dostęp: 7.08.2013).
• [6] Cristol S., Paul J. R, Payen E.: Theoretical Study of the MoS2 (100) Surface: A Chemical Potential Analysis of Sulfur and Hydrogen Coverage. Journal of Physical Chememistry B 2000, 104, pp. 11220-11229.
• [7] Cullity B.: Elements of X-ray diffraction. Addison-Wesley 1977.
• [8] Dinnebier R., Billinge S.: Powder Diffraction: Theory and Practice. Royal Society of Chemistry Publishing 2008.
• [9] Donnay J. D. H., Harker D. J.: A new law of crystal morphology extending the Law of Bravais. Mineralogical Society of America 1937, 22, pp. 446-467.
• [10] Giecko G., Borowiecki T., Gac W., Kruk J.: Fe2O3/Al2O3 catalysts for the N2O decomposition in the nitric acid industry. Catalysis Today 2008, 137, pp. 403-409.
• [11] Guminski K., Petelenz P.: Elementy chemii teoretycznej. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, wydanie III zmienione, Warszawa 1992.
• [12] Hafner J.: Ab-initio Simulations of Materials Using VASP: Density-Functional Theory and Beyond. Journal of Computational Chemistry 2008, 29, pp. 2044-2078.
• [13] He M. R., Yu R., Zhu J.: Subangsrtom Profile Imaging of Relaxed ZnO (10-10) Surfaces. Nano Letters 2012, 12, pp. 704-708.
• [14] Holm R., Kennepohl P., Solomon E.: Structural and functional aspects of metal sites in biology. Chemical Reviews 1996, 96, pp. 2239-2314.
• [15] Hwang S. L., Chen I. W.: Grain Size Control of Tetragonal Zirconia Polycrystals Using the Space Charge Concept. Journal of the American Ceramic Society 1990, 73, pp. 3269-3277.
• [16] Kirmse R., Stach J.: Spektroskopia EPR - zastosowania w chemii. Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 1994.
• [17] Kohn W., Sham L. J.: Self-consistent equations including exchange and correlations effect. Physical Review 1965, 140, pp. 1133-1138.
• [18] Pietrzyk P., Podolska K., Mazur T., Sojka Z.: Heterogeneous binding of dioxygen: EPR and DFT evidence for side-on nickel(II)-superoxo adduct with unprecedented magnetic structure hosted in MFI zeolite. Journal of the American Chemical Society 2011, 133, pp. 19931-19943.
• [19] Praca zbiorowa pod redakcją M. Najbar: Fizykochemiczne metody badan katalizatorow kontaktowych. Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2000.
• [20] Rutkowska M., Chmielarz L., Jablonska M., Van Oers C. J., Cool P.: Iron-exchanged ZSM-5 and Y zeolites calcined at different temperatures: activity in N2O decomposition. Journal of Porous Materials 2014, 21, pp. 91-98.
• [21] Venkateswara Rao K., Sunandana C. S.: Structure and micro-structure of combustion synthesized MgO nanoparticles and nanocrystalline MgO thin films synthesized by solution growth route. Journal of Material Science 2008, 43, pp. 146-154.
• [22] Will G.: Powder Diffraction: The Rietveld Method and the Two-Stage Method. Springer 2006.
• [23] Wulff G.: Zeitschrift fur Krystallographie und Mineralogie, Bulletin of the American Mathematical Society 1901, 34, pp. 449-530.
• [24] Yu R., Hu L. H., Cheng Z. Y., Li Y. D., Ye H. Q., Zhu J.: Direct Subangstrom Measurement of Oxide Particles. Physical Review Letters 2010, 105, pp. 226101.
• [25] Zapala P.: Struktura i reaktywnosc klastrow tlenkowych wybranych metali przejsciowych osadzonych na nosnikach w reakcji katalitycznego usuwania antropologicznego metanu z powietrza. Rozprawa doktorska. Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2012.
• [26] Zasada F., Piskorz W., Cristol S., Paul J. F., Kotarba A., Sojka Z.: Periodic Density Functional Theory and Atomistic Thermodynamic studies of cobalt spinel nanocrystals in wet environment. Molecular interpretation of water adsorption equilibria. Journal of Physical Chemistry C 2010, 114, pp. 22245-22253.
• [27] Zasada R: Modelowanie molekularne mechanizmu reakcji deN2O na wybranych ukladach tlenkowych. Rozprawa doktorska. Uniwersytet Jagielloński, Kraków 2009.
• [28] Zavoisky E.: Relaxation of liquid solutions for perpendicular fields. Journal of Physics - Russian Academy of Science 1945, 9, pp. 211-216.