Ammonia Oxidation over Polycrystalline Platinum: Surface Morphology and Kinetics at Atmospheric Pressure

Die katalytische Ammoniakoxidation an polykristallinem Platin: Oberflächenmorphologie und Reaktionskinetik bei Normaldruck

  • The aim of this work was to elucidate the reaction kinetics and reaction-induced changes of platinum catalyst for ammonia oxidation carried out at pressures in the kPa range. For this purpose, primary and secondary reactions of ammonia oxidation were studied on polycrystalline Pt at temperatures of 180 to 900°C (NH3+O2 / N2O / NO; decomposition of NH3, N2O, NO). Moreover, experimental conditions for a kinetic study were established in a novel micro-structured quartz-reactor, and the kinetics wasThe aim of this work was to elucidate the reaction kinetics and reaction-induced changes of platinum catalyst for ammonia oxidation carried out at pressures in the kPa range. For this purpose, primary and secondary reactions of ammonia oxidation were studied on polycrystalline Pt at temperatures of 180 to 900°C (NH3+O2 / N2O / NO; decomposition of NH3, N2O, NO). Moreover, experimental conditions for a kinetic study were established in a novel micro-structured quartz-reactor, and the kinetics was determined for 286 to 385°C. Processes that induce modifications of the Pt morphology were identified, and related to activity changes. To elucidate oxygen-related changes of Pt morphology, catalysts treated in N2O, O2 and H2 were studied applying XPS, XRD, SEM and EDX. Heating Pt in N2O flow up to 600°C formed bulk-dissolved oxygen, Odiss, interpreted to reside in interstitial sites. This slightly expanded the fcc lattice of Pt. Upon heating to higher temperature in N2O flow (>600°C) and O2 (900°C), Pt transformed into a stable platinum-oxygen alloy, Pt?Ox, featuring a further expanded elementary cell of platinum. XPS indicated an additional oxygen species, interpreted as oxygen residing in substitutional position in the Pt lattice. H2 treatments (900°C) restored the Pt lattice by removing oxygen species. The transformation of Pt into the platinum-oxygen alloy Pt-Ox drastically reduced its ability to decompose N2O and NO, and to catalyse the reactions of ammonia with O2, N2O and NO. In contrast, Pt-Ox was active in ammonia decomposition at 550-850°C, while Pt was not. The oxygen-treated catalyst activated during reaction of ammonia with N2O, NO and O2 with time on stream at sufficiently high temperature, while Pt deactivated within hours in N2O decomposition (T>600°C). Activation and deactivation are interpreted as an adjusting of the oxygen content of Pt during reaction, i.e. a reversible phase transformation Pt ó Pt-Ox that equilibrates to reaction conditions. Facet formation was induced on the surface of Pt foil during ammonia oxidation in the whole investigated temperature range (286-700°C). The surface roughening depended strongly on temperature. At low temperatures (< 400°C), the surface reconstructed into rows of parallel facets; facet size (<0.1 to 0.5 µm) increased with temperature. At higher temperatures (> 500°C) regular-shaped bulky micro-crystals grew. The crystal edges broke up with time-on-stream to form a surface covered with smooth and rounded Pt needles. The mechanism of surface reconstruction was interpreted as adsorbate-enhanced Pt diffusion at low temperatures, and gas phase transport via volatile PtO2 at high temperatures. The kinetics of ammonia oxidation was studied between 286 and 385°C, where reaction-induced surface reconstruction was slow, and the kinetic regime prevailed. Rates of NO, N2O and N2 formation were described as a function of pNH3, pO2, pNO and T. In contrast to NO, re-adsorption and reaction of N2O was negligible. A kinetic model with one lumped reaction (NH3?s + O?s) and 9 elementary reaction steps was developed using available mechanistic information, and assuming a Pt(111) model surface. The model fitted the experimental data better than the also tested steady-state kinetic models of Scheibe et al. (Surf. Sci. 576, p.131) and Rebrov et al. (Chem.Eng.R.&D., 81(7), p.744). The model was still deficient in the description of the temperature influence, which could be overcome by including a term for the temperature dependence of reaction-induced surface reconstruction.show moreshow less
  • Ziel dieser Arbeit war ein Verständnis der Reaktionskinetik und der durch die Reaktion induzierten Veränderungen des Katalysators für die Ammoniakoxidation an Pt im Druckbereich um 100 kPa. Primär- und Sekundärreaktionen der Ammoniakoxidation (NH3+O2 / N2O / NO; Zersetzung von NH3, N2O, NO) wurden bei Temperaturen zwischen 180 und 900 °C untersucht. Durch die Entwicklung eines mikrostrukturierten Quarzreaktors wurde eine kinetische Untersuchung der Ammoniakoxidation im Temperaturbereich von 286 Ziel dieser Arbeit war ein Verständnis der Reaktionskinetik und der durch die Reaktion induzierten Veränderungen des Katalysators für die Ammoniakoxidation an Pt im Druckbereich um 100 kPa. Primär- und Sekundärreaktionen der Ammoniakoxidation (NH3+O2 / N2O / NO; Zersetzung von NH3, N2O, NO) wurden bei Temperaturen zwischen 180 und 900 °C untersucht. Durch die Entwicklung eines mikrostrukturierten Quarzreaktors wurde eine kinetische Untersuchung der Ammoniakoxidation im Temperaturbereich von 286 bis 385°C ermöglicht. Die Platinmorphologie verändernde Effekte wurden identifiziert und zur Erklärung von beobachteten Aktivitätsänderungen herangezogen. Zur Untersuchung der durch Sauerstoff bedingten Änderungen der Pt-Morphologie wurde der Katalysator nach Behandlung in N2O, O2 and H2 mittels XPS, XRD, SEM und EDX charakterisiert. Die Behandelung des Platins im N2O-Strom bis 600°C erzeugt eine im Platingitter gelöste Sauerstoffspezies auf Zwischengitterplätzen (XPS, XRD). Bei höheren Temperaturen im N2O-Fluß (>600°C) oder in O2 (900°C) bildet sich eine stabile Platin-Sauerstoff-Phase, Pt-Ox (XPS, XRD). Die Sauerstoffspezies wird Pt-Plätzen im Pt-Gitter zugeordnet. Eine Wasserstoffbehandlung (900°C) stellt durch Entfernen der Sauerstoffspezies die ursprüngliche Pt-Struktur wieder her. Die Phasenumwandlung von Pt in Pt-Ox mindert drastisch dessen katalytische Aktivität bei der N2O und NO-Zersetzung, und für die Reaktion von Ammoniak mit O2, N2O oder NO. Im Gegensatz dazu ist nur Pt?Ox, nicht jedoch Pt, aktiv in der Ammoniakzersetzung bei 550 bis 850°C. Bei ausreichend hoher Temperatur aktiviert der Pt-Ox-Katalysator langsam (h) im Verlauf der Reaktion von Ammoniak mit O2, N2O oder NO, während Pt durch die N2O-Zersetzung innerhalb von Stunden desaktiviert wird (T>600°C). Die Aktivitätsänderungen deuten darauf hin, daß die Phasenumwandlung PtóPt?Ox reversibel verläuft und sich ihre Gleichgewichtslage den Reaktionsbedingungen entsprechend einstellt. Durch die Ammoniakoxidation an Pt-Folie wurde im gesamten untersuchten Temperaturbereich, d.h. von 286 bis 700°C, eine Facettierung der Katalysatoroberfläche hervorgerufen, deren Ausprägung stark von der Temperatur abhängt. Bis etwa 400°C bilden sich Reihen paralleler Facetten deren Größe mit steigender Temperatur von ca. 0.1 auf 0.5 µm zunimmt; oberhalb von ca. 500°C wachsen regelmäßig geformte Mikrokristalle auf der Oberfläche auf. Deren scharfe Kanten facettieren wiederum mit der Zeit, bis schließlich glatte und gerundete Kristalle die gesamte Oberfläche bedecken. Diese Umstrukturierung wird literaturgemäß bei niedrigen Temperaturen einer durch Adsorbate beschleunigten Oberflächendiffusion von Pt, bei hohen Temperaturen dem Transport als leicht-flüchtiges Platinoxid durch die Gasphase zugeschrieben. Die Kinetik der Ammoniakoxidation wurde im Temperaturbereich des kinetischen Regimes und langsamer Oberflächenrestrukturierungen untersucht (286-385°C). Die Bildungsgeschwindigkeit von NO, N2O und N2 wurde als Funktion der Partialdrücke (pNH3, pO2, pNO) und der Temperatur beschrieben; der Einfluß der Zugabe von N2O war vernachlässigbar. Ein kinetisches Modell wurde unter Annahme einer Pt(111)-Oberfläche, sowie eines gelumpten und 9 elementarer Reaktionsschritte erstellt. Das Model beschreibt die experimentellen Daten besser als die ebenfalls getesteten Modelle von Scheibe et al. (Surf.Sci. 576, p.131) und Rebrov et al. (Chem.Eng.R.&D., 81(7), p.744). Die Beschreibung des Temperatureinflusses konnte durch die Berücksichtigung der - mikroskopisch untersuchten - Temperaturabhängigkeit der reaktionsinduzierten Oberflächenaufrauhung deutlich verbessert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ralph Krähnert
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-11841
Advisor:Prof. Dr. Manfred Baerns
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2005/12/23
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2005/11/09
Release Date:2005/12/23
Tag:Ammoniakoxidation; Katalyse; Kinetik; Mikroreaktoren; Platin
ammonia oxidation; catalysis; kinetics; micro reactors; platinum
Institutes:Fachbereich 5 - Chemie -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)