Получение полого композиционного материала Cr₂O₃/TiO₂--SiO₂ по типу "ядро--оболочка" в виде сферических гранул

Аннотация

Предложен способ получения композиционного материала Cr₂O₃/TiO₂--SiO₂ по типу "ядро--оболочка" в виде сферических полых гранул, который объединяет темплатный и золь-гель методы синтеза оксидных композитов. В качестве темплата, в отличие от предыдущих исследований получения таких композитов, применен макропористый катионит ТОКЕМ-250 с акрил-дивенилбензольной матрицей и карбоксильными функциональными группами в натриевой форме. Использование этой структуры и формы катионита позволило получить прочные гранулы, обладающие каталитической активностью в реакции сгорания пара-ксилола. Разработаны временные и температурные режимы разложения катионита ТОКЕМ-250, насыщенного катионами Cr³⁺ и выдержанного в золе на основе тетрабутоксититана и тетраэтоксисилана, позволяющие формировать прочные полые сферические гранулы композиционного материала. Прочный композит Cr₂O₃/TiO₂--SiO₂ образуется при температуре не менее 500 °С и скорости нагрева печи 5 °С/мин. Установлено, что оксид хрома(III) кристаллизуется в структуре корунда, а оксид титана(IV) с оксидом кремния(IV) рентгеноаморфны. Более равномерное распределение оболочки достигается увеличением содержания диоксида кремния. Полученные композиционные материалы Cr₂O₃/TiO₂--SiO₂ по типу "ядро--оболочка" в виде сферических гранул размером 0,3...0,8 мм характеризуются удельной площадью поверхности 4,3 и 6,1 м²/г в зависимости от содержания диоксида кремния в составе оболочки. Такие материалы проявляют каталитическую активность в реакции окисления пара-ксилола. Максимальная конверсия пара-ксилола на композите Cr₂O₃/TiO₂--SiO₂ с содержанием последнего 20 мол. % достигается при температуре 350 °С и составляет 100 %

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (проект № FSWM-2020-0037)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Халипова О.С., Кузнецова С.А., Селюнина Л.А. и др. Получение полого композиционного материала Cr₂O₃/TiO₂--SiO₂ по типу "ядро--оболочка" в виде сферических гранул. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 5 (110), с. 154--169. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-5-154-169

Литература

[1] Kamal M.S., Razzak S.A., Hossain M.M. Catalytic oxidation of volatile organic compounds (VOCs) --- a review. Atmos. Environ., 2016, vol. 140, pp. 117--134. DOI: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2016.05.031

[2] Shanbhag P.V., Guha A.K., Sirkar K.K. Membrane-based integrated absorption−oxidation reactor for destroying VOCs in air. Environ. Sci. Technol., 1996, vol. 30, iss. 12, pp. 3435--3440. DOI: https://doi.org/10.1021/es950916j

[3] Zhang C., Wang C., Zhan W., et al. Catalytic oxidation of vinyl chloride emission over LaMnO₃ and LaB_0.2Mn_0.8O₃ (B = Co, Ni, Fe) catalysts. Appl. Catal. B, 2013, vol. 129, pp. 509--516. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2012.09.056

[4] Chen X., Chen X., Cai S., et al. Catalytic combustion of toluene over mesoporous Cr₂O₃-supported platinum catalysts prepared by in situ pyrolysis of MOFs. Chem. Eng. J., 2018, vol. 334, pp. 768--779. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.10.091

[5] Li W.B., Wang J.X., Gong H. Catalytic combustion of VOCs on non-noble metal catalysts. Catal. Today, 2009, vol. 148, iss. 1-2, pp. 81--87. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.03.007

[6] Weng X., Sun P., Long Y., et al. Catalytic oxidation of chlorobenzene over Mn_xCe_{1 -- x}O₂/HZSM-5 catalysts: a study with practical implications. Environ. Sci. Technol., 2017, vol. 51, iss. 14, pp. 8057--8066. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.6b06585

[7] Areerob Y., Cho J.Y., Jang W.K., et al. Enhanced sonocatalytic degradation of organic dyes from aqueous solutions by novel synthesis of mesoporous Fe₃O₄-graphene/ZnO@SiO₂ nanocomposites. Ultrason Sonochem., 2018, vol. 41, pp. 267--278. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.09.034

[8] Kuznetsova S.A., Khalipova O.S., Lisitsa K.V., et al. Fabrication of MoO₃/TiO₂--SiO₂ with hollow spherical shape using resin as the template: effect of decomposition of resins. J. Appl. Polym. Sci., 2021, vol. 138, iss. 34, pp. 50851--50861. DOI: https://doi.org/10.1002/app.50851

[9] Zhou W., Cheng K., Kang J., et al. New horizon in C1 chemistry: breaking the selectivity limitation in transformation of syngas and hydrogenation of CO₂ into hydrocarbon chemicals and fuels. Chem. Soc. Rev., 2019, vol. 48, iss. 12, pp. 3193--3228. DOI: https://doi.org/10.1039/C8CS00502H

[10] Li P., Cao C.-Y., Liu H., et al. Synthesis of a core--shell--shell structured acid-base bifunctional mesoporous silica nanoreactor (MS-SO₃H@MS@MS-NH₂) and its application in tandem catalysis. J. Mater. Chem. A, 2013, vol. 1, iss. 41, pp. 12804--12810. DOI: https://doi.org/10.1039/C3TA13185H

[11] Yim S.D., Nam I.-S. Characteristics of chromium oxides supported on TiO₂ and Al₂O₃ for the decomposition of perchloroethylene. J. Catal., 2004, vol. 221, iss. 2, pp. 601--611. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2003.09.026

[12] Yim S.D., Chang K.-H., Koh D.J., et al. Catalytic removal of perchloroethylene (PCE) over supported chromium oxide catalysts. Catal. Today, 2000, vol. 63, iss. 2-4, pp. 215--222. DOI: https://doi.org/10.1016/S0920-5861(00)00462-4

[13] Padilla A.M., Corella J., Toledo J.M. Total oxidation of some chlorinated hydrocarbons with commercial chromia based catalysts. Appl. Catal. B, 1999, vol. 22, iss. 2, pp. 107--121. DOI: https://doi.org/10.1016/S0926-3373(99)00043-0

[14] Рогачевa А.О., Бузаев А.А., Бричков А.С. и др. Каталитически активный композиционный материал на основе сферических полых частиц TiO₂/Cr₂O₃. Кинетика и катализ, 2019, т. 60, № 4, с. 520--525. DOI: https://doi.org/10.1134/S0453881119040166

[15] Sinha A.K., Suzuki K. Three-dimensional mesoporous chromium oxide: a highly efficient material for the elimination of volatile organic compounds. Angew. Chem. Int. Ed., 2004, vol. 44, iss. 2, pp. 271--273. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.200461284

[16] Wang Y., Yuan X., Liu X., et al. Mesoporous single-crystal Cr₂O₃: synthesis, characterization, and its activity in toluene removal. Solid State Sci., 2008, vol. 10, iss. 9, pp. 1117--1123. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2007.11.018

[17] Pradier C.M., Rodrigues F., Marcus P., et al. Supported chromia catalysts for oxidation of organic compounds: the state of chromia phase and catalytic performance. Appl. Catal. B, 2000, vol. 27, iss. 2, pp. 73--85. DOI: https://doi.org/10.1016/S0926-3373(00)00142-9

[18] Rotter H., Landau M.V., Herskowitz M. Combustion of chlorinated VOC on nano-structured chromia aerogel as catalyst and catalyst support. Environ. Sci. Technol., 2005, vol. 39, iss. 17, pp. 6845--6850. DOI: https://doi.org/10.1021/es0500052

[19] Rotter H., Landau M.V., Carrera M., et al. High surface area chromia aerogel efficient catalyst and catalyst support for ethylacetate combustion. Appl. Catal. B, 2004, vol. 47, iss. 2, pp. 111--126. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2003.08.006

[20] Fresno F., Hernandez-Alonso M.D., Tudela D., et al. Photocatalytic degradation of toluene over doped and coupled (Ti,M)O₂ (M = Sn or Zr) nanocrystalline oxides: influence of the heteroatom distribution on deactivation. Appl. Catal. B, 2008, vol. 84, iss. 3-4, pp. 598--606. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.05.015

[21] Hussain M., Ceccarelli R., Marchisio D., et al. Synthesis, characterization, and photocatalytic application of novel TiO₂ nanoparticles. Chem. Eng. J., 2010, vol. 157, iss. 1, pp. 45--51. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.10.043

[22] Zou L., Luo Y., Hooper M., et al. Removal of VOCs by photocatalysis process using adsorption enhanced TiO₂--SiO₂ catalyst. Chem. Eng. Process.: Process Intensif., 2006, vol. 45, iss. 11, pp. 959--964. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cep.2006.01.014

[23] Das S., Perez-Ramirez J., Gong J., et al. Core-shell structured catalysts for thermocatalytic, photocatalytic, and electrocatalytic conversion of CO₂. Chem. Soc. Rev., 2020, vol. 49, iss. 10, pp. 2937--3004. DOI: https://doi.org/10.1039/C9CS00713J

[24] Rogacheva A.O., Khalipova O.S., Brichkov A.S., et al. Production of TiO₂/Cr₂O₃ composite material in the spherical form. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2019, no. 4 (85), pp. 124--133. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2019-4-124-133

[25] Сырямкин В.И., Буреев А.Ш., Васильев А.В. и др. Способ рентгеновской томографии и устройство для его осуществления. Патент РФ 2505800. Заявл. 10.05.2012, опубл. 27.01.2014.