Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

Postal Subscription Code 80-969

2018 Impact Factor: 2.809

Front. Chem. Sci. Eng.    2017, Vol. 11 Issue (4) : 603-612    https://doi.org/10.1007/s11705-017-1661-z
RESEARCH ARTICLE
Effects of preparation methods on the activity of CuO/CeO2 catalysts for CO oxidation
Huanhuan Shang, Xiaoman Zhang, Jing Xu(), Yifan Han
State Key Laboratory of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China
 Download: PDF(461 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

CO oxidation has been investigated on three CuO/CeO2 catalysts prepared by impregnation, co-precipitation and mechanical mixing. The origin of active sites was explored by the multiple techniques. The catalyst prepared by impregnation has more highly dispersed CuO and stronger interactions between CuO and CeO2 to promote the reduction of CuO to Cu+ species at the Cu-Ce interface, leading to its highest catalytic activity. For the catalyst prepared by co-precipitation, solid solution structures observed in Raman spectra suppress the formation of the Cu-Ce interface, where the adsorbed CO will react with active lattice oxygen to form CO2, and thus it displays a lower catalytic performance. No Cu-Ce interface exists in the catalyst prepared by the mechanical mixing method due to the separate phases of CuO and CeO2, resulting in its lowest activity among the three catalysts.

Keywords CuO/CeO2      CO oxidation      interfaces      structure-performance relationship      active sites     
Corresponding Author(s): Jing Xu   
Just Accepted Date: 10 May 2017   Online First Date: 08 November 2017    Issue Date: 06 November 2017
 Cite this article:   
Huanhuan Shang,Xiaoman Zhang,Jing Xu, et al. Effects of preparation methods on the activity of CuO/CeO2 catalysts for CO oxidation[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2017, 11(4): 603-612.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-017-1661-z
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/Y2017/V11/I4/603
CatalystsLoading amount of Cu /wt-%Surface area /(m2·g−1)
5Cu/CeO2 (IM)4.9376.3
5Cu/CeO2 (CP)4.6866.6
5Cu/CeO2 (MIX)5.0052.3
5Cu/SiO2 (IM)4.96?
CeO2?73.5
Tab.1  Physical properties of different 5Cu/CeO2 catalysts
Fig.1  Temperature-dependent CO oxidation over different 5Cu/CeO2 catalysts: (■) 5Cu/CeO2(IM), (●) 5Cu/CeO2(CP), (▲) 5Cu/CeO2(MIX), (▾) CeO2, and (♦) 5Cu/SiO2(IM)
Fig.2  XRD patterns of different 5Cu/CeO2 catalysts: (A) 5Cu/CeO2(IM), (B) 5Cu/CeO2(CP), (C) 5Cu/CeO2(MIX), and (D) CeO2
Fig.3  TEM mapping images of 5Cu/CeO2(IM) catalyst (left): Ce (red) and Cu (green); EDX element analysis (right)
Fig.4  Raman spectra of different 5Cu/CeO2 catalysts: (A) 5Cu/CeO2(IM), (B) 5Cu/CeO2(CP), (C) 5Cu/CeO2(MIX), and (D) CeO2
CatalystsPeak areaAOv/AF2g
AOvAF2g
5Cu/CeO2(IM)9.5 × 1062.11 × 1070.444
5Cu/CeO2(CP)6.9 × 1062.52 × 1070.276
5Cu/CeO2(MIX)1.5 × 1051.98 × 1070.008
CeO29.8 × 1042.15 × 1070.005
Tab.2  AOv/AF2g ratio of different 5Cu/CeO2 catalysts
Fig.5  H2-TPR profiles of different 5Cu/CeO2 catalysts: (A) 5Cu/CeO2(IM), (B) 5Cu/CeO2(CP), (C) 5Cu/CeO2(MIX), (D) 5Cu/SiO2, and (E) CeO2
Fig.6  In situ DRIFTS under the reaction conditions over different 5Cu/CeO2 catalysts: (a) 5Cu/CeO2(IM), (b) 5Cu/CeO2(CP), and (c) 5Cu/CeO2(MIX)
Fig.7  Integral area of the Cu+-carbonyl as a function of the reaction temperature over different 5Cu/CeO2 catalysts: (■) 5Cu/CeO2(IM), (♦) 5Cu/CeO2(CP), (▲) and 5Cu/CeO2(MIX)
Fig.8  (a) Cu 2p and (b) Cu LMM core levels of XPS spectra of different 5Cu/CeO2 catalysts: (A) 5Cu/CeO2(IM), (B) 5Cu/CeO2(CP), and (C) 5Cu/CeO2(MIX)
CatalystsAtomic ratioIsat/IppCu+ /%
Cu/CeCe/O
5Cu/CeO2(IM)1.130.0540.3052.70
5Cu/CeO2(CP)0.500.0570.4147.89
5Cu/CeO2(MIX)0.830.0410.506.67
Tab.3  XPS data of different 5Cu/CeO2 catalysts
Fig.9  The structure-performance relationship over 5Cu/CeO2 catalysts for CO oxidation
Fig.10  Scheme 1Proposed reaction mechanism for three catalysts: (a) 5Cu/CeO2(IM), (b) 5Cu/CeO2(CP), and (c) 5Cu/CeO2(MIX)
50 Gao Y, Xie K, Wang W, Mi S, Liu N, Pan G, Huang W. Structural features and catalytic performance in CO preferential oxidation of CuO-CeO2 supported on multi-walled carbon nanotubes. Catalysis Science & Technology, 2015, 5(3): 1568–1579
https://doi.org/10.1039/C4CY01220H
51 Fan J, Wu X, Wu X, Liang Q, Ran R, Weng D. Thermal ageing of Pt on low-surface-area CeO2 -ZrO2 -La2O3 mixed oxides: Effect on the OSC performance. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 81(1 -2): 38–48
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2007.11.022
52 Dutta P, Pal S, Seehra M S, Shi Y, Eyring E M, Ernst R D. Concentration of Ce3+ and oxygen vacancies in cerium oxide nanoparticles. Chemistry of Materials, 2006, 18(21): 5144–5146
https://doi.org/10.1021/cm061580n
53 Zhang X M, Deng Y Q, Tian P F, Shang H H, Xu J, Han Y F. Dynamic active sites over binary oxide catalysts: In situ/operando spectroscopic study of low-temperature CO oxidation over MnOx-CeO2 catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 191: 179–191
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.03.030
1 Royer S, Duprez D. Catalytic oxidation of carbon monoxide over transition metal oxides. ChemCatChem, 2011, 3(1): 24–65
https://doi.org/10.1002/cctc.201000378
2 Prasad R, Singh P. A review on CO oxidation over copper chromite catalyst. Catalysis Reviews. Science and Engineering, 2012, 54(2): 224–279
https://doi.org/10.1080/01614940.2012.648494
3 McClure S M, Goodman D W. New insights into catalytic CO oxidation on Pt-group metals at elevated pressures. Chemical Physics Letters, 2009, 469(1 -3): 1–13
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2008.12.066
4 Fernández-García M, Martínez-Arias A, Salamanca L N, Coronado J M, Anderson J A, Conesa J C, Soria J. Influence of ceria on Pd activity for the CO+ O2 reaction. Journal of Catalysis, 1999, 187(2): 474–485
https://doi.org/10.1006/jcat.1999.2624
5 Haruta M, Kobayashi T, Sano H, Yamada N. Novel gold catalysts for the oxidation of carbon monoxide at a temperature far below  0 °C. Chemistry Letters, 1987, 16(2): 405–408
https://doi.org/10.1246/cl.1987.405
6 Avgouropoulos G, Ioannides T, Matralis H. Influence of the preparation method on the performance of CuO-CeO2 catalysts for the selective oxidation of CO. Applied Catalysis B: Environmental, 2005, 56(1 -2): 87–93
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2004.07.017
7 Tang X, Zhang B, Li Y, Xu Y, Xin Q, Shen W. Carbon monoxide oxidation over CuO/CeO2 catalysts. Catalysis Today, 2004, 93-95: 191–198
https://doi.org/10.1016/j.cattod.2004.06.040
8 Jia A P, Jiang S Y, Lu J Q, Luo M F. Study of catalytic activity at the CuO-CeO2 interface for CO oxidation. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(49): 21605–21610
https://doi.org/10.1021/jp108556u
9 Liu W, Flytzanistephanopoulos M. Total oxidation of carbon monoxide and methane over transition metal fluorite oxide composite catalysts: I. Catalyst composition and activity. Journal of Catalysis, 1995, 153(2): 304–316
https://doi.org/10.1006/jcat.1995.1132
10 Kummer J T. Catalysts for automobile emission control. Progress in Energy and Combustion Science, 1980, 6(2): 177–199
https://doi.org/10.1016/0360-1285(80)90006-4
11 Schubert M M, Plzak V, Garche J, Behm R J. Activity, selectivity, and long-term stability of different metal oxide supported gold catalysts for the preferential CO oxidation in H2 -rich gas. Catalysis Letters, 2001, 76(3): 143–150
https://doi.org/10.1023/A:1012365710979
12 Schubert M M, Hackenberg S, van Veen A C, Muhler M, Plzak V, Behm R J. CO oxidation over supported gold catalysts — “inert” and “active” support materials and their role for the oxygen supply during reaction. Journal of Catalysis, 2001, 197(1): 113–122
https://doi.org/10.1006/jcat.2000.3069
13 Águila G, Gracia F, Araya P. CuO and CeO2 catalysts supported on Al2O3, ZrO2, and SiO2 in the oxidation of CO at low temperature. Applied Catalysis A, General, 2008, 343(1 -2): 16–24
https://doi.org/10.1016/j.apcata.2008.03.015
14 Swartz S L. Catalysis by ceria and related materials. Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(43): 12923–12924
https://doi.org/10.1021/ja025256e
15 Konysheva E Y. Reduction of CeO2 in composites with transition metal complex oxides under hydrogen containing atmosphere and its correlation with catalytic activity. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2013, 7(3): 249–261
https://doi.org/10.1007/s11705-013-1333-6
16 Trovarelli A. Catalytic properties of ceria and CeO2 -containing materials. Catalysis Reviews, 1996, 38(4): 439–520
https://doi.org/10.1080/01614949608006464
17 Avgouropoulos G, Ioannides T, Papadopoulou C, Batista J, Hocevar S, Matralis H K. A comparative study of Pt/gamma-Al2O3, Au/alpha-Fe2O3 and CuO-CeO2 catalysts for the selective oxidation of carbon monoxide in excess hydrogen. Catalysis Today, 2002, 75(1 -4): 157–167
https://doi.org/10.1016/S0920-5861(02)00058-5
18 Sedmak G, Hočevar S, Levec J. Kinetics of selective CO oxidation in excess of H2 over the nanostructured Cu0.1Ce0.9O2 -y catalyst. Journal of Catalysis, 2003, 213(2): 135–150
https://doi.org/10.1016/S0021-9517(02)00019-2
19 Wang W W, Du P P, Zou S H, He H Y, Wang R X, Jin Z, Shi S, Huang Y Y, Si R, Song Q S, Jia C J, Yan C H. Highly dispersed copper oxide clusters as active species in copper-ceria catalyst for preferential oxidation of carbon monoxide. ACS Catalysis, 2015, 5(4): 2088–2099
https://doi.org/10.1021/cs5014909
20 Cargnello M, Doan-Nguyen V V T, Gordon T R, Diaz R E, Stach E A, Gorte R J, Fornasiero P, Murray C B. Control of metal nanocrystal size reveals metal-support interface role for ceria catalysts. Science, 2013, 341(6147): 771–773
https://doi.org/10.1126/science.1240148
21 Pue-On P, Meeyoo V, Rirksombooon T. Methane partial oxidation over NiO-MgO/Ce0.75Zr0.25O2 catalysts. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2013, 7(3): 289–296
https://doi.org/10.1007/s11705-013-1345-2
22 Jia A P, Hu G S, Meng L, Xie Y L, Lu J Q, Luo M F. CO oxidation over CuO/Ce1 -xCuxO2 -δ and Ce1 -xCuxO2 -δ catalysts: Synergetic effects and kinetic study. Journal of Catalysis, 2012, 289(0): 199–209
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2012.02.010
23 Bera P, Priolkar K R, Sarode P R, Hegde M S, Emura S, Kumashiro R, Lalla N P. Structural investigation of combustion synthesized Cu/CeO2 catalysts by EXAFS and other physical techniques: Formation of a Ce1 -xCuxO2 -δ solid solution. Chemistry of Materials, 2002, 14(8): 3591–3601
https://doi.org/10.1021/cm0201706
24 Weber W H, Hass K C, McBride J R. Raman study of CeO2. Second-order scattering, lattice dynamics, and particle-size effects. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1993, 48(1): 178–185
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.178
25 Li J, Han Y, Zhu Y, Zhou R. Purification of hydrogen from carbon monoxide for fuel cell application over modified mesoporous CuO-CeO2 catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2011, 108-109: 72–80
26 McBride J R, Hass K C, Poindexter B D, Weber W H. Raman and X-ray studies of Ce1 -xRExO2 -y, where RE= La, Pr, Nd, Eu, Gd, and Tb. Journal of Applied Physics, 1994, 76(4): 2435–2441
https://doi.org/10.1063/1.357593
27 Vidal H, Kašpar J, Pijolat M, Colon G, Bernal S, Cordón A, Perrichon V, Fally F. Redox behavior of CeO2 -ZrO2 mixed oxides: I. Influence of redox treatments on high surface area catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2000, 27(1): 49–63
https://doi.org/10.1016/S0926-3373(00)00138-7
28 Davó-Quiñonero A, Navlani-García M, Lozano-Castelló D, Bueno-López A, Anderson J A. Role of hydroxyl groups in the preferential oxidation of CO over copper oxide-cerium oxide catalysts. ACS Catalysis, 2016, 6(3): 1723–1731
https://doi.org/10.1021/acscatal.5b02741
29 Sun S, Mao D, Yu J, Yang Z, Lu G, Ma Z. Low-temperature CO oxidation on CuO/CeO2 catalysts: The significant effect of copper precursor and calcination temperature. Catalysis Science & Technology, 2015, 5(6): 3166–3181
https://doi.org/10.1039/C5CY00124B
30 She Y, Zheng Q, Li L, Zhan Y, Chen C, Zheng Y, Lin X. Rare earth oxide modified CuO/CeO2 catalysts for the water-gas shift reaction. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(21): 8929–8936
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.08.062
31 Wang S Y, Li N, Luo L F, Huang W X, Pu Z Y, Wang Y J, Hu G S, Luo M F, Lu J Q. Probing different effects of surface MOy and Mn+ species (M= Cu, Ni, Co, Fe) for xMOy/Ce0.9M0.1 -xO2 -δ catalysts in CO oxidation. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 144: 325–332
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.07.037
32 Pu Z Y, Lu J Q, Luo M F, Xie Y L. Study of oxygen vacancies in Ce0.9Pr0.1O2 -δ solid solution by in situ X-ray diffraction and in situ Raman spectroscopy. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(50): 18695–18702
https://doi.org/10.1021/jp0759776
33 Liu Z, Wu Z, Peng X, Binder A, Chai S, Dai S. Origin of active oxygen in a ternary CuOx/Co3O4-CeO2 catalyst for CO oxidation. Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(48): 27870–27877
https://doi.org/10.1021/jp508487x
34 Sasikala R, Varma S, Gupta N M, Kulshreshtha S K. Reduction behavior of Ce-Y mixed oxides. Journal of Materials Science Letters, 2001, 20(12): 1131–1133
https://doi.org/10.1023/A:1010948508523
35 Yao H C, Yao Y F Y. Ceria in automotive exhaust catalysts: I. Oxygen storage. Journal of Catalysis, 1984, 86(2): 254–265
https://doi.org/10.1016/0021-9517(84)90371-3
36 Avgouropoulos G, Ioannides T. Selective CO oxidation over CuO-CeO2 catalysts prepared via the urea-nitrate combustion method. Applied Catalysis A, General, 2003, 244(1): 155–167
https://doi.org/10.1016/S0926-860X(02)00558-6
37 Luo M F, Ma J M, Lu J Q, Song Y P, Wang Y J. High-surface area CuO-CeO2 catalysts prepared by a surfactant-templated method for low-temperature CO oxidation. Journal of Catalysis, 2007, 246(1): 52–59
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2006.11.021
38 Dong Y, Yuan F, Zhu Y, Zhao L, Cai Z. Characterization and catalytic properties of mesoporous CuO/SBA-16 prepared by different impregnation methods. Frontiers of Chemical Engineering in China, 2008, 2(2): 150–154
https://doi.org/10.1007/s11705-008-0036-x
39 Bin F, Wei X, Li B, Hui K S. Self-sustained combustion of carbon monoxide promoted by the Cu-Ce/ZSM-5 catalyst in CO/O2/N2 atmosphere. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 162(0): 282–288
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.07.007
40 Elmhamdi A, Castañeda R, Kubacka A, Pascual L, Nahdi K, Martínez-Arias A. Characterization and catalytic properties of CuO/CeO2/MgAl2O4 for preferential oxidation of CO in H2 -rich streams. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 188: 292–304
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2016.02.011
41 Martínez-Arias A, Hungría A B, Munuera G, Gamarra D. Preferential oxidation of CO in rich H2 over CuO/CeO2: Details of selectivity and deactivation under the reactant stream. Applied Catalysis B: Environmental, 2006, 65(3-4): 207–216
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2006.02.003
42 Gamarra D, Fernández-García M, Belver C, Martínez-Arias A. Operando DRIFTS and XANES study of deactivating effect of CO2 on a Ce0.8Cu0.2O2 CO-PROX catalyst. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(43): 18576–18582
https://doi.org/10.1021/jp1064825
43 Chen S, Zou H, Liu Z, Lin W. DRIFTS study of different gas adsorption for CO selective oxidation on Cu-Zr-Ce-O catalysts. Applied Surface Science, 2009, 255(15): 6963–6967
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.03.021
44 Martínez-Arias A, Gamarra D, Fernández-García M, Hornés A, Bera P, Koppány Z, Schay Z. Redox-catalytic correlations in oxidised copper-ceria CO-PROX catalysts. Catalysis Today, 2009, 143(3-4): 211–217
https://doi.org/10.1016/j.cattod.2008.09.018
45 Scarano D, Bordiga S, Lamberti C, Spoto G, Ricchiardi G, Zecchina A, Otero Areán C. FTIR study of the interaction of CO with pure and silica-supported copper(I) oxide. Surface Science, 1998, 411(3): 272–285
https://doi.org/10.1016/S0039-6028(98)00331-8
46 Hadjiivanov K I, Kantcheva M M, Klissurski D G. IR study of CO adsorption on Cu-ZSM-5 and CuO/SiO2 catalysts:  s and  p components of the Cu+-CO bond. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 1996, 92(22): 4595–4600
https://doi.org/10.1039/FT9969204595
47 Liu P, Hensen E J M. Highly efficient and robust Au/MgCuCr2O4 catalyst for gas-phase oxidation of ethanol to acetaldehyde. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(38): 14032–14035
https://doi.org/10.1021/ja406820f
48 Wen B, He M. Study of the Cu-Ce synergism for NO reduction with CO in the presence of O2, H2O and SO2 in FCC operation. Applied Catalysis B: Environmental, 2002, 37(1): 75–82
https://doi.org/10.1016/S0926-3373(01)00316-2
49 Avgouropoulos G, Ioannides T. Effect of synthesis parameters on catalytic properties of CuO-CeO2. Applied Catalysis B: Environmental, 2006, 67(1 -2): 1–11
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2006.04.005
[1] FCE-17007-OF-SH_suppl_1 Download
[1] Yuedong Yu, Wei Zhu, Xixia Kong, Yaling Wang, Pengcheng Zhu, Yuan Deng. Recent development and application of thin-film thermoelectric cooler[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2020, 14(4): 492-503.
[2] Yuxia Jiang, Donge Wang, Zhendong Pan, Huaijun Ma, Min Li, Jiahe Li, Anda Zheng, Guang Lv, Zhijian Tian. Microemulsion-mediated hydrothermal synthesis of flower-like MoS2 nanomaterials with enhanced catalytic activities for anthracene hydrogenation[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12(1): 32-42.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed