Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію
Nanoceria was synthesized by reaction of cerium nitrate deposition in an aqueous medium without stabilizers at room temperature. Nano-sized cerium oxide was dried at 20 °C and calcinated in air for 1 hour at 120, 300, 500, 800 °C. SEM images of samples demonstrated that the morphol...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/825 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Репозитарії
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543973040979969 |
|---|---|
| author | Hrynko, A.M. Brichka , A.V. Bakalinska, О.М. Oranska, O.I. Kaleniuk, Н.O. Kаrtel, М.Т. |
| author_facet | Hrynko, A.M. Brichka , A.V. Bakalinska, О.М. Oranska, O.I. Kaleniuk, Н.O. Kаrtel, М.Т. |
| author_sort | Hrynko, A.M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-12-26T08:56:51Z |
| description | Nanoceria was synthesized by reaction of cerium nitrate deposition in an aqueous medium without stabilizers at room temperature. Nano-sized cerium oxide was dried at 20 °C and calcinated in air for 1 hour at 120, 300, 500, 800 °C. SEM images of samples demonstrated that the morphology of the obtained cerium oxide does not significantly change with the increase of the temperature of heat treatment. Electron microscopy showed that the average diameter of CeO2 particles varies in the range of 12.4–15.9 nm. Sample element content was determined by the energy-dispersive X-ray spectrometry method. The Oxygen:Cerium elements ratio in the samples is in the range 1.7–2.1. X-Ray Diffraction method was used to determine the structural characteristics of materials. It was demonstrated that with increasing annealing temperature, the average crystallite diameter increases from 10 to 23 nm, and the degree of crystallinity changes from 60 % for Ce-20 to 100 % for Ce-800. The characteristics of the porous structure were determined based on low-temperature nitrogen adsorption/desorption isotherms. The specific surface area (BET) of the samples heated to 500 °C varies within 46–61 m2/g. The total pore volume varies from 0.19 to 0.22 cm3/g. After heating to 800 °C, the specific surface area and total pore volume decrease to 17 m2/g and 0.13 cm3/g, respectively. By TGA method was found that 5 % mass loss between 20 and 300 °C is attributed to adsorbed water, while 9 % starting at around 500 °C refers to release from the surface of chemically bonded water molecules. The IUVS Ce4+/IUVS Ce3+ ratio in samples was found from UV-spectra of diffuse reflectance; it varied in the range of 1.60 to 2.08. Calcination of nanoceria samples at temperatures above 500 °C leads to the oxidation of Ce3+ to Ce4+ and reduction of nanoceriа surface defects. The catalytic activity of the synthesized materials was evaluated by the determination of the reaction rate constant (k) of the H2O2 decomposition reaction at the different concentrations (1–10 %) at room temperature and within pH 8.0–11.0. Materials calcinated at different temperatures demonstrate maximum catalytic activity at pH 10.0, which is determined by the increase in the content of deprotonated ceranol groups on the surface of cerium oxide with an increase in the pH from 8.0 to 10.0, and the formation of insoluble Cerium compounds with a further increase in pH. The activation energy (Ea) of the reaction of hydrogen peroxide decomposition by nanoceria in the temperature range of 20–40 °C at pH 10 was determined by kinetic data. The Ea for un-annealing sample Ce-20 is 127 kJ/mol. Increasing temperature to 120 °C does not change the Ea. It was shown that the smallest value of activation energy is 77 kJ/mol for the sample calcinated at 300 °C. Heating the samples at temperatures 500 and 800 °C causes growth of Ea – to 94 and 95 kJ/mol, respectively.
We did not find correlation between degree of crystallinity, specific surface area, total pore volume, crystallite size and calcinated samples catalytic activity. The dependence of the rate constant (activity) on the calcination temperature is extreme with a maximum at 300 °C was found. A sample Ce-300, which has the highest O:Ce ratio (2.08), the largest O content (67.5 %), the lowest Ce4+/Ce3+ ratio (0.15) among the calcinated samples, and therefore the largest number of surface defects exhibits the highest catalytic activity and has the lowest activation energy for the hydrogen peroxide decomposition reaction. Presumably, when heating CeO2 samples, some parallel processes occur. Changes in the values of structural parameters either have no effect or are insignificant and also do not affect the catalytic activity of nanoceria. Desorption of physically adsorbed water, which inactivates the catalytic centers, leads to an increase in catalytic activity of the material. In addition, destruction of ceranol groups on the surface of cerium oxide with loss of oxygen and oxidation of Ce3+ to Ce4+ reduces catalytic activity. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:36:03Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-825 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2026-02-08T08:11:44Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-8252025-12-26T08:56:51Z Influence of calcination temperature on catalytic activity of nanoceria Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію Hrynko, A.M. Brichka , A.V. Bakalinska, О.М. Oranska, O.I. Kaleniuk, Н.O. Kаrtel, М.Т. cerium oxide nanoparticles calcination catalytic activity hydrogen peroxide decomposition activation energy наночастинки оксиду церію кальцинація каталітична активність розкладання пероксиду водню енергія активації Nanoceria was synthesized by reaction of cerium nitrate deposition in an aqueous medium without stabilizers at room temperature. Nano-sized cerium oxide was dried at 20 °C and calcinated in air for 1 hour at 120, 300, 500, 800 °C. SEM images of samples demonstrated that the morphology of the obtained cerium oxide does not significantly change with the increase of the temperature of heat treatment. Electron microscopy showed that the average diameter of CeO2 particles varies in the range of 12.4–15.9 nm. Sample element content was determined by the energy-dispersive X-ray spectrometry method. The Oxygen:Cerium elements ratio in the samples is in the range 1.7–2.1. X-Ray Diffraction method was used to determine the structural characteristics of materials. It was demonstrated that with increasing annealing temperature, the average crystallite diameter increases from 10 to 23 nm, and the degree of crystallinity changes from 60 % for Ce-20 to 100 % for Ce-800. The characteristics of the porous structure were determined based on low-temperature nitrogen adsorption/desorption isotherms. The specific surface area (BET) of the samples heated to 500 °C varies within 46–61 m2/g. The total pore volume varies from 0.19 to 0.22 cm3/g. After heating to 800 °C, the specific surface area and total pore volume decrease to 17 m2/g and 0.13 cm3/g, respectively. By TGA method was found that 5 % mass loss between 20 and 300 °C is attributed to adsorbed water, while 9 % starting at around 500 °C refers to release from the surface of chemically bonded water molecules. The IUVS Ce4+/IUVS Ce3+ ratio in samples was found from UV-spectra of diffuse reflectance; it varied in the range of 1.60 to 2.08. Calcination of nanoceria samples at temperatures above 500 °C leads to the oxidation of Ce3+ to Ce4+ and reduction of nanoceriа surface defects. The catalytic activity of the synthesized materials was evaluated by the determination of the reaction rate constant (k) of the H2O2 decomposition reaction at the different concentrations (1–10 %) at room temperature and within pH 8.0–11.0. Materials calcinated at different temperatures demonstrate maximum catalytic activity at pH 10.0, which is determined by the increase in the content of deprotonated ceranol groups on the surface of cerium oxide with an increase in the pH from 8.0 to 10.0, and the formation of insoluble Cerium compounds with a further increase in pH. The activation energy (Ea) of the reaction of hydrogen peroxide decomposition by nanoceria in the temperature range of 20–40 °C at pH 10 was determined by kinetic data. The Ea for un-annealing sample Ce-20 is 127 kJ/mol. Increasing temperature to 120 °C does not change the Ea. It was shown that the smallest value of activation energy is 77 kJ/mol for the sample calcinated at 300 °C. Heating the samples at temperatures 500 and 800 °C causes growth of Ea – to 94 and 95 kJ/mol, respectively. We did not find correlation between degree of crystallinity, specific surface area, total pore volume, crystallite size and calcinated samples catalytic activity. The dependence of the rate constant (activity) on the calcination temperature is extreme with a maximum at 300 °C was found. A sample Ce-300, which has the highest O:Ce ratio (2.08), the largest O content (67.5 %), the lowest Ce4+/Ce3+ ratio (0.15) among the calcinated samples, and therefore the largest number of surface defects exhibits the highest catalytic activity and has the lowest activation energy for the hydrogen peroxide decomposition reaction. Presumably, when heating CeO2 samples, some parallel processes occur. Changes in the values of structural parameters either have no effect or are insignificant and also do not affect the catalytic activity of nanoceria. Desorption of physically adsorbed water, which inactivates the catalytic centers, leads to an increase in catalytic activity of the material. In addition, destruction of ceranol groups on the surface of cerium oxide with loss of oxygen and oxidation of Ce3+ to Ce4+ reduces catalytic activity. Нанорозмірний оксид церію було синтезований реакцією осадження нітрату церію у водному середовищі без стабілізаторів за кімнатної температури. Одержані частинки оксиду церію сушили при 20 °C та прожарювали на повітрі протягом 1 години при 120, 300, 500, 800 °C. СЕМ зображення зразків показали, що морфологія отриманого оксиду церію істотно не змінюється зі збільшенням температури обробки. За даними електронної мікроскопії середній діаметр частинок СеО2 знаходиться у межах 12.4–15.9 нм. Вміст елементів у зразку визначали методом енергодисперсійної рентгенівської спектрометрії. Співвідношення О:Се у зразках знаходилось в діапазоні 1.7–2.1. Для визначення структурних характеристик матеріалів було використано метод рентгенівської дифракції. Було встановлено, що зі збільшенням температури відпалу середній діаметр кристалітів збільшується від 10 до 23 нм, а ступінь кристалічності змінюється від 60 % для Се-20 до 100 % для Се-800. Характеристики пористої структури визначали за низькотемпературними ізотермами адсорбції/десорбції азоту. Питома поверхня (BET) зразків, прожарених до 500 °С змінюється у межах від 46 до 61 м2/г. Загальний об’єм пор змінюється від 0.19 до 0.22 см3/г. Прожарювання при 800 °C призводить до зменшення питомої поверхні та загального об’єму пор до 17 м2/г та 0.13 см3/г відповідно. Методом TGA встановлено, що 5 % втрати маси між 20 і 300 °C пояснюється втратою адсорбованої води, тоді як 9 %, починаючи з температури близько 500 °C - стосується вивільнення з поверхні хімічно зв'язаних молекул води. Співвідношення IUVS Ce4+/IUVS Ce3+ у зразках оцінювали за УФ-спектрами дифузного відбиття; воно змінювалося в діапазоні від 1.60 до 2.08. Прожарювання зразків нанооксиду церію за температур вище 500 °C призводить до окиснення Ce3+ до Ce4+ та зменшення дефектності поверхні нанооксиду церію. Каталітичну активність синтезованих матеріалів оцінювали визначенням констант швидкості реакції (k) розкладання H2O2 при різних концентраціях (1–10 %) за кімнатної температури та в діапазоні pH 8.0–11.0. Матеріали, прожарені за різних температур, демонструють максимальну каталітичну активність при pH 10.0, що визначається збільшенням вмісту депротонованих церанольних груп на поверхні оксиду церію зі збільшенням pH від 8.0 до 10.0, та зменшенням активності при утворенні нерозчинних сполук церію при подальшому підвищенні pH. Енергію активації (Ea) реакції розкладання пероксиду водню зразками нанооксиду церію в діапазоні температур 20–40 °C при pH 10 визначали за кінетичними даними. Ea для невідпаленого зразку Ce-20 становить 127 кДж/моль. Збільшення температури до 120 °C не змінює Ea. Було показано, що найменше значення енергії активації становить 77 кДж/моль для зразка, прожареного при 300 °C. Нагрівання зразків до температур 500 та 800 °C призводить до зростання Ea до 94 та 95 кДж/моль відповідно. Ми не виявили кореляції між ступенем кристалічності, питомою поверхнею, загальним об’ємом пор, розміром кристалітів та каталітичною активністю прожарених зразків. Встановлено екстремальну залежність константи швидкості (активності) від температури прожарювання з максимумом при 300 °C. Зразок Ce-300, який має найвище співвідношення O:Ce (2.08), найбільший вміст O (67.5 %), найнижче співвідношення Ce4+/Ce3+ (0.15) серед прожарених зразків, а отже, найбільшу кількість поверхневих дефектів, виявляє найвищу каталітичну активність та має найнижчу енергію активації реакції розкладання пероксиду водню. Ймовірно, при нагріванні зразків CeO2 відбувається декілька паралельних процесів. Зміни значень структурних параметрів або не впливають, і на каталітичну активність нанооксиду церію або є незначними. Відбувається десорбція фізично адсорбованої води, яка інактивує каталітичні центри. Цей процес приводить до підвищення каталітичної активності матеріалу. Крім того, відбувається відщеплення церанольних груп з поверхні оксиду церію з втратою кисню та окиснення Ce3+ до Ce4+, що знижує каталітичну активність. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-11-29 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/825 10.15407/hftp16.04.521 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 16 No. 4 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 521-532 Химия, физика и технология поверхности; Том 16 № 4 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 521-532 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 16 № 4 (2025): Хімія, фізика та технологія поверхні; 521-532 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp16.04 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/825/819 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | наночастинки оксиду церію кальцинація каталітична активність розкладання пероксиду водню енергія активації Hrynko, A.M. Brichka , A.V. Bakalinska, О.М. Oranska, O.I. Kaleniuk, Н.O. Kаrtel, М.Т. Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію |
| title | Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію |
| title_alt | Influence of calcination temperature on catalytic activity of nanoceria |
| title_full | Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію |
| title_fullStr | Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію |
| title_full_unstemmed | Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію |
| title_short | Вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію |
| title_sort | вплив темрератури прожарювання на каталітичну активність нанооксиду церію |
| topic | наночастинки оксиду церію кальцинація каталітична активність розкладання пероксиду водню енергія активації |
| topic_facet | cerium oxide nanoparticles calcination catalytic activity hydrogen peroxide decomposition activation energy наночастинки оксиду церію кальцинація каталітична активність розкладання пероксиду водню енергія активації |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/825 |
| work_keys_str_mv | AT hrynkoam influenceofcalcinationtemperatureoncatalyticactivityofnanoceria AT brichkaav influenceofcalcinationtemperatureoncatalyticactivityofnanoceria AT bakalinskaom influenceofcalcinationtemperatureoncatalyticactivityofnanoceria AT oranskaoi influenceofcalcinationtemperatureoncatalyticactivityofnanoceria AT kaleniukno influenceofcalcinationtemperatureoncatalyticactivityofnanoceria AT kartelmt influenceofcalcinationtemperatureoncatalyticactivityofnanoceria AT hrynkoam vplivtemreraturiprožarûvannânakatalítičnuaktivnístʹnanooksiduceríû AT brichkaav vplivtemreraturiprožarûvannânakatalítičnuaktivnístʹnanooksiduceríû AT bakalinskaom vplivtemreraturiprožarûvannânakatalítičnuaktivnístʹnanooksiduceríû AT oranskaoi vplivtemreraturiprožarûvannânakatalítičnuaktivnístʹnanooksiduceríû AT kaleniukno vplivtemreraturiprožarûvannânakatalítičnuaktivnístʹnanooksiduceríû AT kartelmt vplivtemreraturiprožarûvannânakatalítičnuaktivnístʹnanooksiduceríû |