title: Μελέτη νανο-δομημένων καταλυτών μετάλλων μετάπτωσης υποστηριγμένων σε οξείδιο του δημητρίου μέσω τεχνικών θερμο-προγραμματιζόμενης αναγωγής
title: Study of nanostructured ceria-supported transition metal catalysts through temperature-programmed reduction (TPR) techniques

Creators: name: Γωρου Κυριακη-Αννα
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: Η ετερογενής κατάλυση αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της κοινωνίας μας, καθώς διαδραματίζει καίριο ρόλο σε πολλές βιομηχανικές διεργασίες, όπως στην παραγωγή χημικών προϊόντων, στην πετροχημική βιομηχανία, στην προστασία του περιβάλλοντος και σε διεργασίες μετατροπής ενέργειας. Μεταξύ των διαφόρων καταλυτικών υλικών, το οξείδιο του δημητρίου (CeO2) έχει προσελκύσει ιδιαίτερα το ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των μοναδικών οξειδοαναγωγικών του ιδιοτήτων, της υψηλής ικανότητας αποθήκευσης οξυγόνου και της κινητικότητας οξυγόνου. Ο συνδυασμός της δημητρίας με μέταλλα μετάπτωσης, τα οποία χαρακτηρίζονται από χαμηλό κόστος και βρίσκονται σε αφθονία στη φύση, είναι ιδιαίτερης σημασίας για την ανάπτυξη καταλυτικών υλικών χαμηλού κόστους που θα διακρίνονται για την υψηλή τους ενεργότητα, εκλεκτικότητα και θερμική σταθερότητα. Επιπρόσθετα, η κατάλληλη τροποποίηση του μεγέθους ή/και του σχήματος των επιμέρους συστατικών του καταλύτη δύναται να οδηγήσει σε καταλυτικά υλικά με ενεργότητα εφάμιλλη ή ακόμα και ανώτερη των καταλυτών ευγενών μετάλλων. 
Επί τη βάσει του ορθολογικού σχεδιασμού καταλυτών μεταλλοξειδίων μέσω προηγμένων μεθόδων σύνθεσης, στην παρούσα διπλωματική εργασία, παρασκευάστηκαν νανοσωματίδια δημητρίας διαφορετικής μορφολογίας (ράβδοι, κύβοι) μέσω της υδροθερμικής μεθόδου, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ως υποστρώματα για την προσθήκη της φάσης του οξειδίου του κοβαλτίου (Co3O4) μέσω της μεθόδου του υγρού εμποτισμού. Τόσο τα καθαρά υποστρώματα δημητρίας όσο και οι καταλύτες κοβαλτίου-δημητρίας (Co/CeO2) χαρακτηρίστηκαν πλήρως μέσω διαφόρων τεχνικών (φυσική ρόφηση ΒΕΤ, περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ), θερμο-προγραμματιζόμενη αναγωγή (TPR), φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS)) και αξιολογήθηκαν καταλυτικά ως προς την αντίδραση οξείδωσης του μονοξειδίου του άνθρακα (CO). Ειδικότερα, στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκε η επίδραση της μορφολογίας του φορέα δημητρίας στην επιφανειακή χημεία και την καταλυτική συμπεριφορά των υποστηριγμένων καταλυτών κοβαλτίου. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν τον θεμελιώδη ρόλο της μορφολογίας του φορέα δημητρίας στις πορώδεις, δομικές, οξειδοαναγωγικές, επιφανειακές ιδιότητες και κατ' επέκταση στην καταλυτική συμπεριφορά των μικτών οξειδίων κοβαλτίου δημητρίας.
description: Heterogeneous catalysis is an integral part of our society, as it plays a key role in many industrial processes, such as chemical production, petrochemicals, environmental protection and energy conversion processes. Among various catalytic materials, cerium oxide (CeO2) has gained significant attention due to its unique redox properties, high oxygen storage capacity, and oxygen mobility. The combination of ceria with transition metals, which are characterized by low cost and earth-abundance, is of particular importance for the development of low-cost catalytic materials with high activity, selectivity and thermal stability. In addition, suitable modification of size and/or shape of the nanoparticles can lead to catalytic materials with activities comparable or even superior to noble metal catalysts. Based on the rational design of metal oxide catalysts through advanced synthetic routes, in the present thesis, ceria nanoparticles of different morphologies (rods, cubes) were prepared through the hydrothermal method, and were used as supports for the addition of the cobalt oxide phase (Co3O4) through the wet impregnation method. Bare ceria supports as well as cobalt-ceria (Co/CeO2) catalysts were thoroughly characterized through various techniques (N2 adsorption-desorption at ‒196 oC, X-ray diffraction (XRD), Transmission electron microscopy (TEM), Temperature-programmed reduction (TPR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)) and they were catalytically evaluated in the oxidation of carbon monoxide (CO). In particular, in the context of the present thesis, the effect of ceria morphology on the surface chemistry and catalytic performance of the cobalt-ceria mixed oxides was studied. The results clearly demonstrated the fundamental role of ceria morphology in the porous, structural, redox and surface properties and consequently, in the catalytic performance of the cobalt-ceria catalysts.