ปฏิกิริยาออกซิเดชันของมีเทนบนตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดออกไซด์ผสม (ซีเรีย/เซอร์โคเนีย) เตรียมโดยวิธีโซล-เจล

Abstract

กระบวนการเผาไหม้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นแนวทางหนึ่งที่สำคัญในการกำจัดสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เหลือจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญประการหนึ่งที่ก่อให้เกิดมลพิษในปัจจุบัน การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสมจึงมีความจำเป็น ในงานวิจัยนี้ศึกษาผลของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ผสมระหว่างซีเรียกับเซอร์โคเนียเตรียมโดยวิธีโซล-เจลต่อปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนโดยใช้มีเทนเป็นตัวแทน จากการศึกษาพบว่าการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ผสมระหว่างซีเรียกับเซอร์โคเนียด้วยเทคนิคโซล-เจลให้ผลิตภัณฑ์ที่มีพื้นที่ผิวบีอีทีสูง ขนาดอนุภาคอยู่ในช่วงนาโนเมตรและมีความเป็นเอกพันธุ์สูง นอกจากนี้พบว่าแสดงสมบัติเป็นสารละลายของแข็งและมีการจัดโครงสร้างผลึกแบบฟลูออไรต์เมื่อปริมาณเซอร์โคเนียต่ำกว่าร้อยละ 50 การเติมเซอร์โคเนียลงในเซีเรียช่วยให้โลหะออกไซด์ผสมที่ได้เกิดการรีดิวซ์ที่อุณหภูมิต่ำกว่าและเพิ่มความเสถียรที่อุณหภูมิสูงเมื่อเปรียบเทียบกับซีเรีย เมื่อทดสอบกัมมันตภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ผสมที่เตรียมได้กับปฏิกิริยาออกซิเดชันของมีเทนพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ผสม Ce0.75Zr0.25O2 เวลาที่ใช้ในการเกิดเจล 50 ชั่วโมง แคลไซน์ที่ 500 องศาเซลเซียสแสดงกัมมันตภาพสูงสุด เมื่อนำมาศึกษาจลนพลศาสตร์พบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นกับความเข้มข้นของมีเทนแต่ไม่ขึ้นกับความเข้มข้นของออกซิเจน กลไกการเกิดปฏิกิริยาสามารถอธิบายได้ดีที่สุดโดยใช้ surface reaction model ของ Langmuir-Hinshelwood model โดยออกซิเจนเกิดการดูดซับบน active site แล้วแตกตัวขณะเกิดการดูดซับ ในขณะที่มีเทนเกิดการดูดซับบน active site โดยไม่แตกตัวแล้วจึงทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่ถูกดูดซับและเกิดเป็นผลิตภัณฑ์ โมเดลดังกล่าวมีขั้น surface reaction เป็นขั้นควบคุมอัตราเร็ว และสามารถทำนายอัตราในการเกิดปฏิกิริยาให้ผลสอดคล้องกับผลจากการทดลอง (R2 = 0.99) ค่าพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาที่ได้มีค่าเท่ากับ 24.0 กิโลแคลอรีต่อโมล