Анотація
Каталітичні властивості відновленого оксиду графену (ВОГ), нанесеного на оксиди алюмінію та магнію, були досліджені в реакції гідрування ацетилену. Каталізатори з різним вмістом ВОГ отримували методом просочення γ-Al₂O₃ та MgO водними суспензіями оксиду графену з подальшим відновленням у водні за 400 °C. Матеріали характеризували за допомогою Фур’є-ІЧ спектроскопії (ІЧ), Раманівської спектроскопії та СЕМ. ІЧ-спектри підтвердили успішне нанесення rGO на обидві підкладки, а для зразків на основі MgO також виявили часткову гідратацію поверхневих Mg–O груп з утворенням Mg(OH)₂ та гідроксидно-графенового міжфазного шару, який покращує закріплення та стабілізує структуру. За допомогою Раманівської спектроскопії було підтверджено формування графенвмісної фази на обох оксидах і показано, що рівень дефектності осадженого графену залишається постійним при зміні вмісту ВОГ. Аналіз зображень СЕМ виявив, що на ВОГ/MgO утворює тонкі плівкоподібні структури та нерегулярні складки, які формують частково покриті ділянки, тоді як на γ-Al₂O₃ він утворює безперервні плівки в одних зонах і ізольовані складки в інших. Модифікація γ-Al₂O₃ та MgO відновленим оксидом графену підвищила каталітичну активність зразківу гідруванні ацетилену, причому найвищі швидкості спостерігалися для зразків із низьким вмістом ВОГ. Обидва каталізатори – ВОГ/Al₂O₃ та ВОГ/MgO – продемонстрували повну (100 %) селективність за етиленом в діапазоні 250-400 °C. Підвищення активності пояснюється наявністю поверхневих структур, утворених ВОГ, які забезпечують ефективний контакт між вуглецевою та оксидною фазами й сприяють активації ацетилену та водню. Загалом каталітична активність оксидів, модифікованих ВОГ, визначається кислотно-основними властивостями носія та структурними особливостями нанесеного графенового шару, які задають температуру активації та термічну стабільність системи.
Посилання
Studt F., Calle-Vallejo F., Luo J., Hansen H.A., Nørskov J.K., Bligaard T. On the role of surface structure for catalyst selectivity by first-principles theory. ChemCatChem, 2012, 4(11), 1809–1815.
Borodziński A., Bond G.C. Selective hydrogenation of ethyne in ethene-rich streams on palladium catalysts. Part 1: Oxide supports. Catal. Rev., 2006, 48(1), 91–144.
Liu Y., Wang Z., Zhang X. Review on graphene-based metal-free catalysts: Synthesis and applications. Chem. Eng. J., 2015, 270, 1–25.
Chen X., Park J., Ruoff R.S. Chemical functionalization of graphene and its applications. Chem. Rev., 2016, 116(14), 704–711.
Dreyer D.R., Park S., Bielawski C.W., Ruoff R.S. The chemistry of graphene oxide. Chem. Soc. Rev., 2010, 39(1), 228–240.
Loh K.P., Bao Q., Eda G., Chhowalla M. Graphene oxide as a chemically tunable platform for optical applications. Nat. Chem., 2010, 2(12), 1015–1024.
Stankovich S., Dikin D.A., Piner R.D., et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon, 2007, 45(7), 1558–1565.
Abakumov A., Bychko I.B., Selyshchev O.V., Zahn D.R.T., Qi X., Tang J., Stryzhak P.Ye. Highly selective hydrogenation of acetylene over reduced graphene oxide carbocatalyst. Materialia, 2021, 18, 101163.
Zhu C., Sheng J., Lu R. Metal-free hydrogenation of alkynes using nitrogen-doped graphene as a catalyst. ACS Catal., 2018, 8(10), 10081–10088.
Primo A., Neatu F., Florea M., Parvulescu V., Garcia H. Graphenes in the absence of metals as carbocatalysts for selective acetylene hydrogenation and alkene hydrogenation. Nat. Commun., 2014, 5, 5291.
Nosach V.V., Bychko I.B., Stryzhak P.Ye. Catalytic properties of reduced graphene oxide deposited on aluminum oxide in ethane dehydrogenation. Theor. Exp. Chem., 2025, 61(2), 121–126. [in Ukranian].
Kheirandish E., Taherzadeh M. Quasi-2D crystalline γ-alumina grown by graphene-templated method. Adv. Mater. Interfaces, 2020, 7(3), 2000561.
Gómez-Navarro C., Burghard M., Kern K. Atomic structure of reduced graphene oxide. Nano Lett., 2010, 10(4), 1144–1148.
Long Y., Zhang Z., Zhao X., Wang D. Field emission of MgO-coated graphene sheets prepared by atomic layer deposition. J. Vac. Sci. Technol. B, 2015, 33(1), 012204.
Busca G. Acid-base properties of metal oxide surfaces and their characterization by IR spectroscopic methods. Adv. Catal., 2014, 57, 319–404.
Navalon S., Dhakshinamoorthy A., Alvaro M., García H. Carbocatalysis by graphene-based materials. Chem. Rev., 2014, 114(12), 6179–6212.
Acik M., Lee G., Mattevi C., Chhowalla M., Cho K., Chabal Y.J. Unusual infrared-absorption mechanism in thermally reduced graphene oxide. Nat. Mater., 2010, 9(10), 840–845.
Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid State Commun., 2007, 143(1–2), 47–57.
Eckmann A., Felten A., Mishchenko A., Britnell L., Krupke R., Novoselov K.S., Casiraghi C. Probing the nature of defects in graphene by Raman spectroscopy. Nano Lett., 2012, 12(8), 3925–3930.
Mohiuddin T.M.G., Lombardo A., Nair R.R., Bonetti A., Savini G., Jalil R., Ferrari A.C. Uniaxial strain in graphene by Raman spectroscopy. Phys. Rev. B, 2009, 79(20), 205433.
Busca G. The surface of transitional aluminas: A critical review. Catal. Today, 2014, 226, 2–13.
Gotić M., Ivanda M., Sekulić A., Musić S., Matthews A., Popović S. Raman spectroscopic study of MgO and Mg(OH)₂ under high pressure. J. Mol. Struct., 2000, 555(1–3), 353–360.
Frost R.L., Kloprogge J.T. Vibrational spectroscopy of hydroxyl groups in MgO-H₂O system. Spectrochim. Acta A, 1999, 55(12), 2195–2205.
Liu P., Yan Y. Preparation and characterization of reduced graphene oxide and its composite with TiO₂ by FTIR and Raman spectroscopy. Appl. Surf. Sci., 2010, 256(9), 2810–2814.
Reddy B.M., Khan A. Promoted MgO catalysts for organic transformations: FTIR characterization of carbonate and carboxylate species on MgO. J. Mol. Catal. A, 2005, 230(1–2), 33–39.
Hu Y., Shen J., Li N., Ma H., Shi M., Ye M. Microwave-assisted reduction and functionalization of graphene oxide on MgO surfaces. J. Phys. Chem. C, 2010, 114(20), 9308–9313.
Gao J., Chen S., Wang H. Effect of support acidity on catalytic performance of Pt-based catalysts for selective hydrogenation of acetylene. Catal. Today, 2017, 295, 110–118.
Santos A.L.R., et al. Quantification of hydroxyl groups on alumina supports and their role in catalytic activity. Braz. J. Anal. Chem., 2018, 5(20), 48–59.
Kwon O., Park J., Kim J., Song I. Acid-base properties of metal oxides and their influence on catalytic hydrogenation reactions. J. Mol. Catal. A, 2015, 398, 156–164.
Busca G. Bases and basic materials in heterogeneous catalysis: MgO, CaO, hydrotalcites and related materials. Catal. Today, 2009, 143, 2–8.
Torshizi H.O., Nakhaei Pour A., Mohammadi A., Zamani Y., Shahri S.M.K., Kamali Shahri S.M. Fischer-Tropsch synthesis by reduced graphene oxide nanosheets supported cobalt catalysts. Front. Chem. Sci. Eng., 2021, 15, 299–309.
Grigoriev S.A., et al. Reduced graphene oxide (RGO) and its modifications as catalyst supports: Effects of loading and layer thickness. Materials, 2018, 11(8), 1405.