A Planar Laser-induced Fluorescence Study of NO + CO oxidation at Pd(100)

Abstract

Catalysis is an essential tool in industry, and the developments in catalysis research during the last decades have led to higher efficiency in many important processes. CO oxidation is a common reaction to use in catalysis research both due to its applications in industry but also since it is a simple reaction where the knowledge gained about its reaction mechanism can be applied to important but more complicated reactions.

There is an active debate within the catalysis field regarding the phase where late transition metals, such as Pd, are active. Thin layer surface oxides are by some considered inactive and by others equally or more active than the metallic surface. Lorentzi et al. performed a theoretical study of simultaneous CO and NO oxidation. The predictions of the study were that the NO under some gas conditions prevents the formation of surface oxide, and thus, under the assumption that the oxide is inactive, improves the activity both through this removal and by other synergistic effects.

This thesis tries to experimentally determine the effects of NO in CO oxidation at a single crystal Pd(100) surface. This is further connected to the activity of the sample. Surface optical reflectance and planar laser-induced fluorescence are used to get comparable measurements of surface reflection intensity and gas composition in the vicinity of the surface for reactions with and without small amounts of NO for two different O2:CO ratios.

The result was that the surface optical reflectance measurements were approximately constant during the entire reaction process when NO was present in the gas mixture, implying the lack of oxide formation. However, the CO oxidation activity, shown by the planar laser-induced fluorescence measurements, was limited by the presence of NO. The activity had a more significant decrease at higher O2:CO ratios. The limitation can be concluded to be caused by limitations in surface access for the CO caused by NO at the surface.

Popular Abstract (Swedish)

Katalysator – något som får en reaktion att underlättas eller påskyndas. Kanske inte ett ord som används i allas vardag men det är något som det moderna samhället och många av de produkter du använder dagligen inte hade klarat sig utan. Kemikalier, mediciner och andra nödvändiga produkter som förr kunde ha långdragna, farliga och ineffektiva tillverkningsprocesser kan nu tillverkas säkrare och snabbare tack vare utveckling av katalys. Utvecklingen kan sedan leda till miljömässig och ekonomisk vinning. Palladium, grundämnet som används i detta projekt, är en av många samhällsnödvändiga katalysatorer. Det kan användas för att omvandla kolmonoxid till koldioxid genom så kallad kolmonoxidoxidation. Detta är en viktig reaktion, bland annat för att kolmonoxid är en giftig gas som kan bildas i vanliga bilmotorer. Palladium finns i avgasfilter för att omvandla kolmonoxiden i avgaserna till den mindre giftiga koldioxiden. Det finns fortfarande mycket att lära om denna reaktion som kan appliceras i industri och annan forskning och detta projekt ämnar undersöka hur kolmonoxidoxidation påverkas av närvaro av kvävemonoxid.

Ytoxid, som uppstår vid reaktionerna med palladium, är till viss del fortfarande ett mysterium. Under reaktionen sätter sig syre på ytan där den kan reagera med kolmonoxiden, men syre kan även fastna som en del av ytan och kallas då ytoxid. Vissa ser ytoxiden som en mur som hindrar kontakten mellan katalysatorn och gaserna medans andra ser det mer som en hamn där komponenterna kan mötas. Det pågår därför en vild debatt om huruvida palladiumytan med ytoxid är sämre, lika bra eller till och med bättre på att reagera med kolmonoxid.

Det har funnits teoretiska modeller som har visat att ett litet tillskott av kvävemonoxid helt kan hindra att ytoxid bildas. Om ytan utan ytoxid är bättre på att reagera skulle detta innebära att kvävemonoxiden kan användas för att förbättra reaktionen. Detta ger oss projektets tvåstegsfrågeställning som testas experimentellt: 1) hindrar kvävemonoxid ytoxid från att bildas och 2) hur påverkas hur aktiv ytan är av detta?

För att kunna svara på dessa frågeställningarna behövs en kombination av metoder. Ytoptisk reflektants är en metod där en diod lyser på ytan och en kamera mäter hur mycket av ljuset som reflekteras. Ytoxiden är grövre än ren palladium och reflekterar därför mindre ljus vilket gör det möjligt att jämföra hur mycket ytoxid som bildas utan kvävemonoxid och med kvävemonoxid i gasblandningen. Utöver ytoptisk reflektants användes laserinducerad fluorescens för att mäta mängden av olika gaser över ytan. Olika våglängder av laserljus används för att få olika gaser att lysa, fluorescera, vilket sedan kan mätas med en kamera. I reaktionen som undersöks i detta projekt kan man kolla på hur mycket koldioxid som bildas eller hur mycket kolmonoxid som försvinner.

Sammanfattningsvis kan vi med de två metoderna beskrivna ovan både svara på frågan om kvävemonoxid hindrar ytoxiden från att bildas och hur aktiviteten påverkas av detta. Detta testar både experimentellt de teoretiska undersökningarna som gjorts och kan även vara en del i debatten om ytoxiden stjälper eller hjälper kolmonoxid-oxidationen eller varken eller. De frågor som i detta projekt ämnar att besvara kan sedan vara en del i att ge kunskap som kan utveckla katalysen som används i industrin.

• author: Sjö, Hanna
• supervisor: Johan Zetterberg; Sebastian Pfaff
• organization: Department of Physics; Combustion Physics
• course: FYSK02 20201
• year: 2020
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 9020839
• date added to LUP: 2020-07-10 10:59:32
• date last changed: 2020-07-10 10:59:32