Towards an atomic level understanding of niobia based catalysts and catalysis by combining the science of catalysis with surface science

ABSTRACT

The science of catalysis and surface science have developed, independently, key information for understanding catalytic processes. One might argue is there anything fundamental to be discovered through the interplay between catalysis and surface science? Real catalysts of monometallic and bimetallic Co/Nb2O5 and Pd-Co/Nb2O5 catalysts showed interesting selectivity results on the Fischer-Tropsch synthesis (Noronha et al. 1996, Rosenir et al. 1993). The presence of a noble metal increased the C+5 selectivity and decreased the methane formation depending of the reduction temperature. Model catalyst of Co-Pd supported on niobia and alumina were prepared and characterized at the atomic level, thus forming the basis for a comparison with "real" support materials. Growth, morphology and structure of both pure metal and alloy particles were studied. It is possible to support the strong metal support interaction suggested by studies on real catalysts via the investigation of model systems for niobia in comparison to alumina support in which this effect does not occur. Formation of Co2+ penetration into the niobia lattice was suggested on the basis of powder studies and can be fully supported on the basis of model studies. It is shown for both real catalysts and model systems that oxidation state of Co plays a key role in controlling the reactivity in Fischer-Tropsch reactions systems and that the addition of Pd is a determining factor for the stability of the catalyst. It is demonstrated that the interaction with unsaturated hydrocarbons depends strongly on the state of oxidation.

RESUMO

As ciências da catálise e da superfície têm desenvolvido independentemente temas básicos para o entendimento de processos catalíticos. Pode-se até questionar se há ainda algo fundamental para ser descoberto através da interface entre catálise eciência da superfície? Catalisadores mono e bimetálicos de Co/Nb2O5 e Pd-Co/ Nb2O5 apresentaram resultados interessantes de seletividade na síntese de Fischer-Tropsch (Noronha et al. 1996, Roseniret al. 1993). A presença de metal nobre aumentou a seletividade de C+5 e diminuiu a formação de metano dependendo da temperatura de redução. Catalisadores modelo de Co-Pdsuportados em nióbia e alumina foram preparados e caracterizados a nível atômico, servindo de base para comparação do catalisador "real". Foram estudados o crescimento de partículas, bem como a morfologia e a estrutura de partículas de ambos, metal puro e ligas. É possível suportar as propostas que sugerem uma forte interação metal suporte em catalisadores reais através das pesquisas em sistemas modelos para nióbia quando comparadas com suportes de alumina onde estes efeitos não aparecem. A formação de Co2+ penetrando na rededa nióbia, sugerida para catalisadores em forma de pó, foi totalmente confirmada pelos estudos em catalisadores modelo. Mostrou-se ainda que para ambos os sistemas reais e modelos, que o estado oxidado do Co tem papel fundamental na reatividade das reações de Fischer-Tropsch e que a adição de Pd é um fator determinante para a estabilidade do catalisador. Demonstrou-se que a interação com hidrocarbonetos insaturados depende fortemente do estado oxidado do metal.