Development and understanding of a model V2O5/anatase TiO2(101) SCR catalyst

Abstract

A model V2O5/ anatase TiO2(101) SCR catalyst is studied with the purpose of developing and understanding the reaction mechanism through which this catalyst reduces NOx. Several reaction mechanisms have been proposed for this catalyst in the past, but there is still no agreement on which of these describe the reaction the best, if any. Two coverages of 2 ML and 0:33 ML V/ anatase TiO2 and the oxidation of these surfaces are studied experimentally using XPS and NAPXPS. The results show evidence of chemisorption of VO2 and V2O3 at low oxygen pressure and V2O5 at near-ambient pressures. Furthermore,
from the vanadia spectra it can be suspected that there are two types of vanadium deposits, one phycisorbs on the surface and starts as a V(0) like species and then can be oxidized to higher binding energies, and another one that is substituted for the Ti species and then can be oxidized further when exposed to high pressure oxygen, high dosage of oxygen or atomic oxygen.

Popular Abstract (Swedish)

Katalysatorer har många funktioner och applikationer, till exempel som enzymer i vår kropp eller katalysatorer i bilar. En katalysator är helt enkelt en substans som sänker den energi som krävs för att en kemisk reaktion ska ske och därmed öka reaktionshastigheten. Själva katalysatorn förbrukas inte under reaktionen. Inte alla katalysatorer hjälper alla reaktioner, olika katalysatorer har olika användningsområden och några kan till exempel hjälpa till att ta bort skadliga ämnen i utsläppsgaser från industrier genom att omvandla dem till något mindre giftigt. Kväveoxider (NOx) är skadliga för miljö och människor och under senare år har många nya lagar och policies runt om i världen dragit ner på den tillåtna mängden kväveoxider i utsläppsgaser. Detta betyder att efterfrågan på effektiva katalysatorer som kan omvandla dessa kväveoxider till något mindre hälsovådligt ständigt ökar. Vanadinpentoxid (V2O5) på finfördelad titandioxid (TiO2) är en sådan katalysator och den är väldigt effektiv. Kväveoxiden reduceras vilket vilket betyder att syre spjälkas från molekylen. Reaktionsmekanismerna för katalysatorer är ofta mycket komplicerade och den exakta reaktionsmekanismen för V2O5/ TiO2 katalysatorn är inte helt känd trots mångårig användning i industrin och rigorösa studier i experiment och i datorsimuleringar. Vanadinpentoxid är inte heller helt ofarlig så det hade varit användbart att förstå hur den verkar så att en lika effektiv katalysator som är säkrare för människor och miljö kan designas.

Katalytiska reaktioner sker ofta på ytor av olika substanser. Atomer på ytor är speciella på det sätt att de har färre närmsta grannar jämfört med den underliggande volymen i materialet och på grund av detta kan ytor ha helt andra egenskaper än den underliggande volymen. För att kunna studera ytor utan att få störande information från den dominerande volymen krävs därför särskilda ytkänsliga tekniker. Röntgenspektroskopi (XPS) är en sådan teknik och den baseras på principen att när ett material bestrålas med röntgenstrålar kommer materialet att sända ut elektroner, så kallade fotoelektroner. XPS kräver mycket utrustning så som en röntgenkälla, en kammare med ultrahögt vakuum till provet och en detektor som kan fånga upp de utsända elektronerna. Utltrahögt vakuum inuti kammaren innebär att trycket är väldigt lågt eller med andra ord att det finns få gasmolekyler där inne. Detta krävs för att elektronerna som sänds ut från provet inte kolliderar med gasmolekyler och absorberas för då kan de inte detekteras av detektorn. Detektorn mäter fotoelektronernas kinetiska energi (rörelseenergin) och då den kinetiska energin är känd kan man bestämma från vilket grundämne elektronen kom och även den kemiska omgivningen för den atom från vilken elektronen kom.

Min uppsats har undersökt vanadin på titandioxid genom att använda XPS med målet att nå närmre en förståelse för hur vanadinpentoxidkatalysatorn fungerar. Olika mängder vanadin har avdunstats på titandioxidytan genom att hetta upp vanadinmetall till nära dess smältpunkt. V/TiO2-ytan utsattes sedan för olika relativt låga tryck av syre och vatten. En lite annorlunda XPS teknik, när-atmosfärstryck XPS (NAPXPS), som tillåter högre tryck genom att kringgå vakuumkriteriet användes också för att undersöka ytan i mer realistiska atmosfärstryck. Det konstaterades att då vanadinatomerna har satts på
ytan så stjäl de i hög grad syret från titanet genom att binda det till sig och lämnar titanet med färre syre att binda till. Då mer vanadin sattes på ytan förstärktes effekten av detta. Då V/TiO2-ytan utsattes för låga tryck av syre och vatten band vanadinet till mycket av det syret också. Vanadinoxiderna VO2 och V2O3 bildades och dessa satte sig sedan på ytan. Då ytan utsattes för atmosfärstryck av syre kunde det observeras att V2O5 bildades och sedan satte sig på ytan. Dessa resultat är en bar början till att förstå hur katalysatorns reaktionsmekanism fungerar, men ytterligare undersökningar då ytan utsätts för andra gaser än syre och vatten behövs innan några slutsatser om hela mekanismen kan dras.

• author: Paulsson, Johanna
• supervisor: Benjamin Reinecke; Joachim Schnadt
• organization: Synchrotron Radiation Research; Department of Physics
• course: FYSM60 20151
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 9128053
• date added to LUP: 2023-06-21 11:54:51
• date last changed: 2023-06-21 11:54:51