CeO2 dopata con Pr e La per l’ossidazione catalitica di diversi campioni di particolato: il ruolo delle proprietà acido-base = CeO2 doped with Pr and La for the catalytic oxidation of different particle samples: the role of acid-base properties

La diffusione capillare dei motori a combustione interna ha ampliato le problematiche connesse ad una elevata concentrazione di particolato carbonioso nell’atmosfera, tanto da obbligare i legislatori ad imporre delle normative che regolino la sua emissione. L’ossido di Cerio (CeO2) è definito come uno dei materiali maggiormente promettenti per lo sviluppo di filtri antiparticolato catalitici capaci di ridurre le fuel penalties caratterizzanti gli attuali dispositivi di abbattimento, grazie a fondamentali caratteristiche quali marcata riducibilità, spiccata tendenza alla realizzazione di cicli redox ed elevata OSC (Oxygen Storage Capacity), che gli permettono di fungere da “dispenser di ossigeno”; inoltre, l’inserimento di elementi dopanti all’interno della struttura cristallina conferisce all’ossido di cerio nuove e rilevanti proprietà. Il presente lavoro di tesi si propone di indagare l’effetto di agenti dopanti, Praseodimio (Pr) e Lantanio (La), su catalizzatori a base CeO2 utilizzati nell’ossidazione del particolato, ponendosi come obiettivi l’eventuale individuazione di una correlazione tra acidità superficiale e attività catalitica e possibili specificità di catalizzatori verso l’ossidazione di alcuni campioni di particolato. I catalizzatori, sintetizzati tramite il processo di Hydrothermal Synthesis, analizzati nello studio sono CeO2, catalizzatore a base di ossido di cerio, e Ce50Dp50, ovvero un catalizzatore ottenuto da un ossido misto contenente Ce ed elemento dopante (Dp), quale Pr o La, in quantità equimolare. Il particolato è stato fornito dal Karlsruher Institut fur Technologie (KIT) che ha inviato tre campioni carbon black commerciali (CB-SB250, CB-P90 e CB-S170) e un particolato ottenuto da fiamma premiscelata di acetilene (MFS-C2H2). I risultati dei test di attività catalitica, condotti in regime di contatto blando (LC) ed intimo (TC), sono espressi sia in termini di produzione di CO, CO2 e conversione in funzione della temperatura di reazione, sia in termini di selettività a CO2. Le proprietà superficiali acido-base dei catalizzatori sono state analizzate tramite Desorbimento a Temperatura Programmata (TPD) per quantificare i siti acidi e basici tramite gas sonda (NH3, O2 e CO2), e Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) per stimare i siti acidi di Lewis e di Brönsted attraverso invii di molecole sonda (NH3 e piridina). L’attività catalitica segue la tendenza CeO2 < Ce50Pr50 < Ce50La50 in regime di LC e TC e per tutti i campioni di particolato; CB-SB250 < CB-P90 < CB-S170 < MFS-C2H2 come ordine di reattività chimica a prescindere dal catalizzatore utilizzato e assenza di specificità di catalizzatori verso l’ossidazione di campioni di particolato, come è deducibile dalle due precedenti affermazioni. Il campione Ce50La50, che assicura le migliori prestazioni indipendentemente da tipologia di soot e regime di contatto, mostra la minor variazione di attività catalitica tra il regime LC e TC, risultato in linea con le osservazioni al TEM condotte dal KIT durante un’ossidazione a stadi dove il Ce50La50 subisce un processo di ristrutturazione e creazione di nuovi punti di contatto catalizzatore-particolato. I test NH3-TPD evidenziano il trend CeO2 < Ce50Pr50 < Ce50La50 in termini di acidità superficiale individuando una correlazione con l’attività catalitica; le prove CO2-TPD mostrano il trend di basicità superficiale CeO2 < Ce50Pr50 < Ce50La50 in correlazione con la selettività a CO. Le prove FT-IR mostrano prevalenza di siti acidi di Lewis nei campioni analizzati.