Влияние гидридной и карбидной фаз наночастиц палладия на частоты колебаний адсорбированных на их поверхности молекул

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Материалы на основе палладия, в том числе наночастицы, находят широкое применение в нефтехимической, фармацевтической, автомобильной и других областях промышленности. Образующиеся в процессе реакций гидрирования или окисления углеводородов гидридные, карбидные и оксидные фазы палладия ощутимо влияют на каталитические свойства палладиевого катализатора. На основе теоретических расчетов, проведенных методом теории функционала плотности (ТФП), показано влияние межатомарных расстояний Pd–Pd и присутствия атомов углерода, занимающих октаэдрические пустоты в ГЦК-решетке палладия, на колебательные частоты адсорбированных углеводородов, представленных этилиденом. Теоретические изыскания подкрепляются экспериментальными данными инфракрасной (ИК) спектроскопии диффузного отражения (DRIFTS), снятыми в режиме in situ в процессе образования карбидной и гидридной фаз палладия в коммерческих нанокатализаторах Pd/Al2O3 под воздействием этилена и водорода. Предлагаемый подход может быть использован для развития методов анализа ИК-спектров с целью количественной диагностики структурных изменений палладия в процессе различных каталитических реакций в режиме in situ.

Об авторах

О. А. Усольцев

Международный Исследовательский Институт Интеллектуальных Материалов,
Южный Федеральный Университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: oleg-usol@yandex.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону, Сладкова, 178/24

Б. О. Проценко

Международный Исследовательский Институт Интеллектуальных Материалов,
Южный Федеральный Университет

Email: oleg-usol@yandex.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону, Сладкова, 178/24

А. Ю. Пневская

Международный Исследовательский Институт Интеллектуальных Материалов,
Южный Федеральный Университет

Email: oleg-usol@yandex.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону, Сладкова, 178/24

А. Н. Булгаков

Международный Исследовательский Институт Интеллектуальных Материалов,
Южный Федеральный Университет

Email: oleg-usol@yandex.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону, Сладкова, 178/24

А. Л. Бугаев

Международный Исследовательский Институт Интеллектуальных Материалов,
Южный Федеральный Университет

Email: oleg-usol@yandex.ru
Россия, 344090, Ростов-на-Дону, Сладкова, 178/24

Список литературы

  1. Bond G., Dowden D., Mackenzie N. The selective hydrogenation of acetylene // Trans. Faraday Soc. 1958. V. 54. P. 1537.
  2. Borodziński A., Bond G.C. Selective hydrogenation of ethyne in ethene-rich streams on palladium catalysts, Part 2: Steady-state kinetics and effects of palladium particle size, carbon monoxide, and promoters // Catal. Rev. 2008. V. 50. № 3. P. 379.
  3. Teschner D., Borsodi J., Kis Z., Szentmiklosi L., Revay Z., Knop-Gericke A., Schlogl R., Torres D., Sautet P. Role of Hydrogen Species in Palladium-Catalyzed Alkyne Hydrogenation // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. № 5. P. 2293.
  4. Teschner D., Borsodi J., Wootsch A., Révay Z., Hävecker M., Knop-Gericke A., Jackson S.D., Schlögl R. The Roles of Subsurface Carbonband Hydrogen in Palladium-Catalyzed Alkyne Hydrogenation // Science. 2008. V. 320. № 5872. P. 86.
  5. Borodziński A., Bond G.C. Selective hydrogenation of ethyne in ethene-rich streams on palladium catalysts. Part 1. Effect of changes to the catalyst during reaction // Catal. Rev. 2006. V. 48. № 2. P. 91.
  6. Molnár Á., Sárkány A., Varga M. Hydrogenation of carbon–carbon multiple bonds: chemo-, regio- and stereo-selectivity // J. Mol. Catal. A: Chem. 2001. V. 173. № 1. P. 185.
  7. Stahl S.S. Palladium oxidase catalysis: selective oxidation of organic chemicals by direct dioxygen-coupled turnover // Angew. Chem. Int. Ed. 2004. V. 43. № 26. P. 3400.
  8. Groppo E., Lazzarini A., Carosso M., Bugaev A., Manzoli M., Pellegrini R., Lamberti C., Banerjee D., Longo A. Dynamic behavior of Pd/P4VP catalyst during the aerobic oxidation of 2-propanol: A simultaneous SAXS/XAS/MS operando study // ACS Catal. 2018. V. 8. C. 6870.
  9. Armbrüster M., Behrens M., Cinquini F., Föttinger K., Grin Y., Haghofer A., Klötzer B., Knop-Gericke A., Lorenz H., Ota A., Penner S., Prinz J., Rameshan C., Révay Z., Rosenthal D., et all. How to Control the Selectivity of Palladium-based Catalysts in Hydrogenation Reactions: The Role of Subsurface Chemistry // ChemCatChem. 2012. V. 4. № 8. P. 1048.
  10. Ма Х., Чен М., Сунь Л., Фэн Х., Чжан Х., Се Ю. Кинетика селективного гидрирования пиролизного бензина на катализаторе Pd/Al2O3 // Кинетика и катализ. 2021. Т. 62. № 6. С. 714.
  11. Burch R., Loader P.K. Investigation of Pt/Al2O3 and Pd/Al2O3 catalysts for the combustion of methane at low concentrations // Appl. Catal. B: Env. 1994. V. 5. № 1–2. P. 149–164.
  12. Losch P., Huang W., Vozniuk O., Goodman E.D., Schmidt W., Cargnello M. Modular Pd/Zeolite Composites Demonstrating the Key Role of Support Hydrophobic/Hydrophilic Character in Methane Catalytic Combustion // ACS Catal. 2019. V. 9. № 6. P. 4742.
  13. Ma J., Lou Y., Cai Y., Zhao Z., Wang L., Zhan W., Guo Y., Guo Y. The relationship between the chemical state of Pd species and the catalytic activity for methane combustion on Pd/CeO2 // Catal. Sci. Technol. 2018. V. 8. № 10. P. 2567 .
  14. Padilla J.M., Del Angel G., Navarrete J. Improved Pd/γ-Al2O3–Ce catalysts for benzene combustion // Catal. Today. 2008. V. 133–135. P. 541.
  15. Skorynina A.A., Tereshchenko A.A., Usoltsev O.A., Bugaev A.L., Lomachenko K.A., Guda A.A., Groppo E., Pellegrini R., Lamberti C., Soldatov A.V. Time-dependent carbide phase formation in palladium nanoparticles // Radiat. Phys. Chem. 2020. V. 175. P. 108079.
  16. Bugaev A.L., Guda A.A., Pankin I.A., Groppo E., Pellegrini R., Longo A., Soldatov A.V., Lamberti C. The role of palladium carbides in the catalytic hydrogenation of ethylene over supported palladium nanoparticles // Catal. Today. 2019. V. 336. P. 40.
  17. Bugaev A.L., Zabilskiy M., Skorynina A.A., Usoltsev O.A., Soldatov A.V., van Bokhoven J.A. In situ formation of surface and bulk oxides in small palladium nanoparticles // Chem. Commun. 2020. V. 56. № 86. P. 13097.
  18. Bennett P.A., Fuggle J.C. Electronic structure and surface kinetics of palladium hydride studied with x-ray photoelectron spectroscopy and electron-energy-loss spectroscopy // Phys. Rev. B. 1982. V. 26. № 11. P. 6030.
  19. Guda A.A., Guda S.A., Lomachenko K.A., Soldatov M.A., Pankin I.A., Soldatov A.V., Braglia L., Bugaev A.L., Martini A., Signorile M., Groppo E., Piovano A., Borfecchia E., Lamberti C. Quantitative structural determination of active sites from in situ and operando XANES spectra: From standard ab initio simulations to chemometric and machine learning approaches // Catal. Today. 2019. V. 336. P. 3.
  20. Usoltsev O.A., Pnevskaya A.Y., Kamyshova E.G., Tereshchenko A.A., Skorynina A.A., Zhang W., Yao T., Bugaev A.L., Soldatov A.V. Dehydrogenation of ethylene on supported palladium nanoparticles: A double view from metal and hydrocarbon sides // Nanomater. 2020. V. 10. № 9. P. 1643.
  21. Bugaev A.L., Guda A.A., Lazzarini A., Lomachenko K.A., Groppo E., Pellegrini R., Piovano A., Emerich H., Soldatov A.V., Bugaev L.A., Dmitriev V.P., van Bokhoven J.A., Lamberti C. In situ formation of hydrides and carbides in palladium catalyst: when XANES is better than EXAFS and XRD // Catal. Today. 2017. V. 283. P. 119.
  22. Avery N.R. Infrared spectra of olefins adsorbed on silica supported palladium // J. Catal. 1970. V. 19. № 1. P. 15.
  23. Устюгов А.В., Корыпаева В.В., Обейдат З.З., Путин А.Ю., Шварц А.Л., Брук Л.Г. Сравнение активности Pd(0) и Pd(I) в низкотемпературном окислении оксида углерода на катализаторе Pd/γ-Al2O3 // Кинетика и Катализ. 2022. Т. 63. № 2. С. 258.
  24. Zhang Y., Cai Y., Guo Y., Wang H., Wang L., Lou Y., Guo Y., Lu G., Wang Y. The effects of the Pd chemical state on the activity of Pd/Al2O3 catalysts in CO oxidation // Catal. Sci. Technol. 2014. V. 4. № 11. P. 3973.
  25. Aleksandrov H.A., Neyman K.M., Hadjiivanov K.I., Vayssilov G.N. Can the state of platinum species be unambiguously determined by the stretching frequency of an adsorbed CO probe molecule? // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. V. 18. № 32. P. 22108.
  26. Tillekaratne A., Simonovis J.P., Zaera F. Ethylene hydrogenation catalysis on Pt(111) single-crystal surfaces studied by using mass spectrometry and in situ infrared absorption spectroscopy // Surf. Sci. 2016. V. 652. P. 134.
  27. Zaera F. New advances in the use of infrared absorption spectroscopy for the characterization of heterogeneous catalytic reactions // Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. № 22. P. 7624.
  28. Zaera F., Janssens T.V.W., Öfner H. Reflection absorption infrared spectroscopy and kinetic studies of the reactivity of ethylene on Pt(111) surfaces // Surf. Sci. 1996. V. 368. № 1–3. P. 371.
  29. Agostini G., Groppo E., Piovano A., Pellegrini R., Leofanti G., Lamberti C. Preparation of supported Pd catalysts: from the Pd precursor solution to the deposited Pd2+ phase // Langmuir. 2010. V. 26. № 13. C. 11204.
  30. Pnevskaya A.Y., Bugaev A.L., Tereshchenko A.A., Soldatov A.V. Experimental and theoretical investigation of ethylene and 1-MCP binding sites in HKUST-1 metal-organic framework // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 40. P. 22295.
  31. Perdew J.P. Accurate density functional for the energy: Real-space cutoff of the gradient expansion for the exchange hole // Phys. Rev. Lett. 1985. V. 55. № 16. P. 1665.
  32. Kresse G., Furthmüller J. Efficincy of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set // Comput. Mater. Sci. 1996. V. 6. P. 15.
  33. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. № 16. P. 11169.
  34. Paier J., Hirschl R., Marsman M., Kresse G. The Perdew-Burke-Ernzerhof exchange-correlation functional applied to the G2-1 test set using a plane-wave basis set // J. Chem. Phys. 2005. V. 122. № 23. P. 234102.
  35. Paier J., Marsman M., Hummer K., Kresse G., Gerber I.C., Angyan J.G. Screened hybrid density functionals applied to solids // J. Chem. Phys. 2006. V. 124. № 15. P. 154 709.
  36. Evarestov R.A., Smirnov V.P. Modification of the Monkhorst-Pack special points meshes in the Brillouin zone for density functional theory and Hartree–Fock calculations // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. № 23. P. 233 101.
  37. Pack J.D., Monkhorst H.J. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. 1977. V. 16. № 4. P. 1748.
  38. Shewchuk J.R. An introduction to the conjugate gradient method without the agonizing pain / In Book: An introduction to the conjugate gradient method without the agonizing pain. Carnegie-Mellon University, Department of Computer Science, 1994.
  39. Steihaug T. The conjugate gradient method and trust regions in large scale optimization // SIAM J. Numer. Anal. 1983. V. 20. № 3. P. 626.
  40. Bugaev A.L., Usoltsev O.A., Guda A.A., Lomachenko K.A., Pankin I.A., Rusalev Y.V., Emerich H., Groppo E., Pellegrini R., Soldatov A.V., van Bokhoven J.A., Lamberti C. Palladium carbide and hydride formation in the bulk and at the surface of palladium nanoparticles // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. № 22. P. 12029.
  41. Szanyi J., Kuhn W., Goodman D. CO adsorption on Pd(111) and Pd(100): Low and high pressure correlations // J. Vac. Sci. Technol. A: Vacuum, Surfaces, and Films. 1993. V. 11. P. 1969.
  42. Tereshchenko A., Guda A., Polyakov V., Rusalev Y., Butova V., Soldatov A. Pd nanoparticle growth monitored by DRIFT spectroscopy of adsorbed CO // Analyst. 2020. V. 145. № 23. P. 7534.
  43. Zeinalipour-Yazdi C.D., Willock D.J., Thomas L., Wilson K., Lee A.F. CO adsorption over Pd nanoparticles: A general framework for IR simulations on nanoparticles // Surf. Sci. 2016. V. 646. P. 210.
  44. Bugaev A.L., Guda A.A., Lomachenko K.A., Shapovalov V.V., Lazzarini A., Vitillo J.G., Bugaev L.A., Groppo E., Pellegrini R., Soldatov A.V., van Bokhoven J.A., Lamberti C. Core–Shell Structure of Palladium Hydride Nanoparticles Revealed by Combined X-ray Absorption Spectroscopy and X-ray Diffraction // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. № 33. P. 18202.
  45. Setayandeh S.S., Gould T., Vaez A., McLennan K., Armanet N., Gray E. First-principles study of the atomic volume of hydrogen in palladium // J. Alloys Compnd. 2021. V. 864. C. 158713.
  46. Bugaev A.L., Usoltsev O.A., Guda A.A., Lomachenko K.A., Brunelli M., Groppo E., Pellegrini R., Soldatov A.V., van Bokhoven J. Hydrogenation of ethylene over palladium: Evolution of the catalyst structure by operando synchrotron-based techniques // Faraday Discus. 2021. V. 229. P. 197.
  47. Bugaev A.L., Usoltsev O.A., Lazzarini A., Lomachenko K.A., Guda A.A., Pellegrini R., Carosso M., Vitillo J.G., Groppo E., van Bokhoven J.A., Soldatov A.V., Lamberti C. Time-resolved operando studies of carbon supported Pd nanoparticles under hydrogenation reactions by X-ray diffraction and absorption // Faraday Discus. 2018. V. 208. P. 187.
  48. Bugaev A.L., Guda A.A., Lomachenko K.A., Kamyshova E.G., Soldatov M.A., Kaur G., Øien-Ødegaard S., Braglia L., Lazzarini A., Manzoli M., Bordiga S., Olsbye U., Lillerud K.P., Soldatov A.V., Lamberti C. Operando study of palladium nanoparticles inside UiO-67 MOF for catalytic hydrogenation of hydrocarbons // Faraday Discus. 2018. V. 208. P. 287.
  49. Bugaev A.L., Guda A.A., Pankin I.A., Groppo E., Pellegrini R., Longo A., Soldatov A.V., Lamberti C. Operando X-ray absorption spectra and mass spectrometry data during hydrogenation of ethylene over palladium nanoparticles // Data Brief. 2019. V. 24. P. 103954.
  50. Yudanov I.V., Neyman K.M., Rösch N. Density functional study of Pd nanoparticles with subsurface impurities of light element atoms // Phys. Chem. Chem. Phys. 2004. V. 6. № 1. P. 116.
  51. Mason S.E., Grinberg I., Rappe A.M. Adsorbate−Adsorbate Interactions and Chemisorption at Different Coverages Studied by Accurate ab initio Calculations: CO on Transition Metal Surfaces // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. № 8. P. 3816.
  52. Tereshchenko A., Pashkov D., Guda A., Guda S., Rusalev Y., Soldatov A. Adsorption Sites on Pd Nanoparticles Unraveled by Machine-Learning Potential with Adaptive Sampling // Molecules. 2022. V. 27. № 2. P. 357.
  53. Lansford J.L., Vlachos D.G. Infrared spectroscopy data- and physics-driven machine learning for characterizing surface microstructure of complex materials // Nature Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 1513.
  54. Kappers M.J., van der Maas J.H. Correlation between CO frequency and Pt coordination number. A DRIFT study on supported Pt catalysts // Catal. Lett. 1991. V. 10. № 5. P. 365.
  55. Коротеев Ю.М., Гимранова О.В., Чернов И.П. Миграция водорода в палладии: расчеты из первых принципов // Физика твердого тела. 2011. Т. 53. № 5. С. 842.
  56. Teschner D., Revay Z., Borsodi J., Havecker M., Knop-Gericke A., Schlogl R., Milroy D., Jackson S.D., Torres D., Sautet P. Understanding palladium hydrogenation catalysts: when the nature of the reactive molecule controls the nature of the catalyst active phase // Angew. Chem. Int. Edition. 2008. V. 47. № 48. P. 9274.
  57. Lee A.F., Naughton J.N., Liu Z., Wilson K. High-pressure XPS of crotyl alcohol selective oxidation over metallic and oxidized Pd(111) // ACS Catal. 2012. V. 2. № 11. P. 2235.
  58. Usoltsev O.A., Bugaev A.L., Guda A.A., Guda S.A., Soldatov A.V. How much structural information could be extracted from XANES spectra for palladium hydride and carbide nanoparticles // J. Phys. Chem. C. 2022. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c09420
  59. Meza Ramirez C.A., Greenop M., Ashton L., Rehman I.U. Applications of machine learning in spectroscopy // Appl. Spectr. Rev. 2021. V. 56. № 8‒10. P. 733.
  60. Guda A.A., Guda S.A., Martini A., Kravtsova A.N., Algasov A., Bugaev A., Kubrin S.P., Guda L.V., Šot P., van Bokhoven J.A., Copéret C., Soldatov A.V. Understanding X-ray absorption spectra by means of descriptors and machine learning algorithms // NPJ Comput. Mater. 2021. V. 7. № 1. P. 203.
  61. Martini A., Guda S.A., Guda A.A., Smolentsev G., Algasov A., Usoltsev O., Soldatov M.A., Bugaev A., Rusalev Y., Lamberti C., Soldatov A.V. PyFitit: The software for quantitative analysis of XANES spectra using machine-learning algorithms // Comput. Phys. Commun. 2020. V. 250. P. 107 064.

Дополнительные файлы