Alkali Metals and Cerium-Modified La–Co-Based Perovskite Catalysts: Facile Synthesis, Excellent Catalytic Performance, and Reaction Mechanisms for Soot Combustion

催化作用 烟灰 燃烧 钙钛矿(结构) 氧化铈 材料科学 程序升温还原 催化燃烧 X射线光电子能谱 氧化还原 解吸 吸附 无机化学 化学工程 化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Di Yu,Lanyi Wang,Chunlei Zhang,Chao Peng,Xuehua Yu,Xiaoqiang Fan,Bing Liu,Kaixiang Li,Zhenguo Li,Yuechang Wei,Jian Liu,Zhen Zhao
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (24): 15056-15075 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c03418
摘要

A series of alkali metals and cerium-modified La–Co-based perovskite catalysts were successfully prepared by a simple method using glucose as a complexing agent. The physicochemical properties of catalysts were analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), N2 adsorption, H2-temperature-programmed reduction (TPR), O2-temperature-programmed desorption (TPD), soot-TPR, NO-temperature-programmed oxidation (TPO), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), etc. Among the catalysts, La0.9Ce0.05K0.05CoO3 possesses the highest catalytic activity for soot combustion, with T10, T50, and T90 values of 269, 309, and 342 °C, respectively. In the presence of 10% H2O, T90 is significantly reduced to 327 °C. As far as we know, the catalytic performance of the La0.9Ce0.05K0.05CoO3 perovskite oxide catalyst is one of the best results in current reports for soot combustion, especially for T50 and T90. The substitution of A sites by K and Ce ions produces numerous active sites of Co2+–Ov on the surface of the La0.9Ce0.05K0.05CoO3 catalyst and enhances the oxygen storage capacity by redox recycling between Ce4+ and Ce3+. The La0.9Ce0.05K0.05CoO3 catalyst also possesses a stronger ability of NO adsorption, storage, and NO-to-NO2 oxidation compared to other prepared catalysts. Based on the results of in situ diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) and density functional theory (DFT) calculations, Langmuir–Hinshelwood (L–H) and Mars–van-Krevele (MVK) mechanisms were proposed as the main reaction mechanisms for soot combustion. More importantly, the La0.9Ce0.05K0.05CoO3 catalyst exhibits good resistance ability for sulfur and water. These results provide a promising strategy for designing and preparing highly efficient and low-cost catalysts for the practical application of soot particle removal.
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