Effects of preparation methods on the activity of CuO/CeO₂ catalysts for CO oxidation

Abstract

CO oxidation has been investigated on three CuO/CeO₂ catalysts prepared by impregnation, co-precipitation and mechanical mixing. The origin of active sites was explored by the multiple techniques. The catalyst prepared by impregnation has more highly dispersed CuO and stronger interactions between CuO and CeO₂ to promote the reduction of CuO to Cu⁺ species at the Cu-Ce interface, leading to its highest catalytic activity. For the catalyst prepared by co-precipitation, solid solution structures observed in Raman spectra suppress the formation of the Cu-Ce interface, where the adsorbed CO will react with active lattice oxygen to form CO₂, and thus it displays a lower catalytic performance. No Cu-Ce interface exists in the catalyst prepared by the mechanical mixing method due to the separate phases of CuO and CeO₂, resulting in its lowest activity among the three catalysts.

Graphical abstract

Keywords

CuO/CeO₂ / CO oxidation / interfaces / structure-performance relationship / active sites

References

[1] Royer S, Duprez D. Catalytic oxidation of carbon monoxide over transition metal oxides. ChemCatChem, 2011, 3(1): 24–65

[2] Prasad R, Singh P. A review on CO oxidation over copper chromite catalyst. Catalysis Reviews. Science and Engineering, 2012, 54(2): 224–279

[3] McClure S M, Goodman D W. New insights into catalytic CO oxidation on Pt-group metals at elevated pressures. Chemical Physics Letters, 2009, 469(1-3): 1–13

[4] Fernández-García M, Martínez-Arias A, Salamanca L N, Coronado J M, Anderson J A, Conesa J C, Soria J. Influence of ceria on Pd activity for the CO+ O₂ reaction. Journal of Catalysis, 1999, 187(2): 474–485

[5] Haruta M, Kobayashi T, Sano H, Yamada N. Novel gold catalysts for the oxidation of carbon monoxide at a temperature far below  0 °C. Chemistry Letters, 1987, 16(2): 405–408

[6] Avgouropoulos G, Ioannides T, Matralis H. Influence of the preparation method on the performance of CuO-CeO₂ catalysts for the selective oxidation of CO. Applied Catalysis B: Environmental, 2005, 56(1-2): 87–93

[7] Tang X, Zhang B, Li Y, Xu Y, Xin Q, Shen W. Carbon monoxide oxidation over CuO/CeO₂ catalysts. Catalysis Today, 2004, 93-95: 191–198

[8] Jia A P, Jiang S Y, Lu J Q, Luo M F. Study of catalytic activity at the CuO-CeO₂ interface for CO oxidation. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(49): 21605–21610

[9] Liu W, Flytzanistephanopoulos M. Total oxidation of carbon monoxide and methane over transition metal fluorite oxide composite catalysts: I. Catalyst composition and activity. Journal of Catalysis, 1995, 153(2): 304–316

[10] Kummer J T. Catalysts for automobile emission control. Progress in Energy and Combustion Science, 1980, 6(2): 177–199

[11] Schubert M M, Plzak V, Garche J, Behm R J. Activity, selectivity, and long-term stability of different metal oxide supported gold catalysts for the preferential CO oxidation in H₂-rich gas. Catalysis Letters, 2001, 76(3): 143–150

[12] Schubert M M, Hackenberg S, van Veen A C, Muhler M, Plzak V, Behm R J. CO oxidation over supported gold catalysts — “inert” and “active” support materials and their role for the oxygen supply during reaction. Journal of Catalysis, 2001, 197(1): 113–122

[13] Águila G, Gracia F, Araya P. CuO and CeO₂ catalysts supported on Al₂O₃, ZrO₂, and SiO₂ in the oxidation of CO at low temperature. Applied Catalysis A, General, 2008, 343(1-2): 16–24

[14] Swartz S L. Catalysis by ceria and related materials. Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(43): 12923–12924

[15] Konysheva E Y. Reduction of CeO₂ in composites with transition metal complex oxides under hydrogen containing atmosphere and its correlation with catalytic activity. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2013, 7(3): 249–261

[16] Trovarelli A. Catalytic properties of ceria and CeO₂-containing materials. Catalysis Reviews, 1996, 38(4): 439–520

[17] Avgouropoulos G, Ioannides T, Papadopoulou C, Batista J, Hocevar S, Matralis H K. A comparative study of Pt/gamma-Al₂O₃, Au/alpha-Fe₂O₃ and CuO-CeO₂ catalysts for the selective oxidation of carbon monoxide in excess hydrogen. Catalysis Today, 2002, 75(1-4): 157–167

[18] Sedmak G, Hočevar S, Levec J. Kinetics of selective CO oxidation in excess of H₂ over the nanostructured Cu_0.1Ce_0.9O_2-y catalyst. Journal of Catalysis, 2003, 213(2): 135–150

[19] Wang W W, Du P P, Zou S H, He H Y, Wang R X, Jin Z, Shi S, Huang Y Y, Si R, Song Q S, Jia C J, Yan C H. Highly dispersed copper oxide clusters as active species in copper-ceria catalyst for preferential oxidation of carbon monoxide. ACS Catalysis, 2015, 5(4): 2088–2099

[20] Cargnello M, Doan-Nguyen V V T, Gordon T R, Diaz R E, Stach E A, Gorte R J, Fornasiero P, Murray C B. Control of metal nanocrystal size reveals metal-support interface role for ceria catalysts. Science, 2013, 341(6147): 771–773

[21] Pue-On P, Meeyoo V, Rirksombooon T. Methane partial oxidation over NiO-MgO/Ce_0.75Zr_0.25O₂ catalysts. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2013, 7(3): 289–296

[22] Jia A P, Hu G S, Meng L, Xie Y L, Lu J Q, Luo M F. CO oxidation over CuO/Ce_1-xCuxO_2-δ and Ce_1-xCu_xO_2-δ catalysts: Synergetic effects and kinetic study. Journal of Catalysis, 2012, 289(0): 199–209

[23] Bera P, Priolkar K R, Sarode P R, Hegde M S, Emura S, Kumashiro R, Lalla N P. Structural investigation of combustion synthesized Cu/CeO₂ catalysts by EXAFS and other physical techniques: Formation of a Ce_1-xCu_xO_2-δ solid solution. Chemistry of Materials, 2002, 14(8): 3591–3601

[24] Weber W H, Hass K C, McBride J R. Raman study of CeO₂. Second-order scattering, lattice dynamics, and particle-size effects. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1993, 48(1): 178–185

[25] Li J, Han Y, Zhu Y, Zhou R. Purification of hydrogen from carbon monoxide for fuel cell application over modified mesoporous CuO-CeO₂ catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2011, 108-109: 72–80

[26] McBride J R, Hass K C, Poindexter B D, Weber W H. Raman and X-ray studies of Ce_1-xRE_xO_2-y, where RE= La, Pr, Nd, Eu, Gd, and Tb. Journal of Applied Physics, 1994, 76(4): 2435–2441

[27] Vidal H, Kašpar J, Pijolat M, Colon G, Bernal S, Cordón A, Perrichon V, Fally F. Redox behavior of CeO₂-ZrO₂ mixed oxides: I. Influence of redox treatments on high surface area catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2000, 27(1): 49–63

[28] Davó-Quiñonero A, Navlani-García M, Lozano-Castelló D, Bueno-López A, Anderson J A. Role of hydroxyl groups in the preferential oxidation of CO over copper oxide-cerium oxide catalysts. ACS Catalysis, 2016, 6(3): 1723–1731

[29] Sun S, Mao D, Yu J, Yang Z, Lu G, Ma Z. Low-temperature CO oxidation on CuO/CeO₂ catalysts: The significant effect of copper precursor and calcination temperature. Catalysis Science & Technology, 2015, 5(6): 3166–3181

[30] She Y, Zheng Q, Li L, Zhan Y, Chen C, Zheng Y, Lin X. Rare earth oxide modified CuO/CeO₂ catalysts for the water-gas shift reaction. International Journal of Hydrogen Energy, 2009, 34(21): 8929–8936

[31] Wang S Y, Li N, Luo L F, Huang W X, Pu Z Y, Wang Y J, Hu G S, Luo M F, Lu J Q. Probing different effects of surface MO_y and Mⁿ⁺ species (M= Cu, Ni, Co, Fe) for xMO_y/Ce_0.9M_0.1-xO_2-δ catalysts in CO oxidation. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 144: 325–332

[32] Pu Z Y, Lu J Q, Luo M F, Xie Y L. Study of oxygen vacancies in Ce_0.9Pr_0.1O_2-δ solid solution by in situ X-ray diffraction and in situ Raman spectroscopy. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(50): 18695–18702

[33] Liu Z, Wu Z, Peng X, Binder A, Chai S, Dai S. Origin of active oxygen in a ternary CuO_x/Co₃O₄-CeO₂ catalyst for CO oxidation. Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(48): 27870–27877

[34] Sasikala R, Varma S, Gupta N M, Kulshreshtha S K. Reduction behavior of Ce-Y mixed oxides. Journal of Materials Science Letters, 2001, 20(12): 1131–1133

[35] Yao H C, Yao Y F Y. Ceria in automotive exhaust catalysts: I. Oxygen storage. Journal of Catalysis, 1984, 86(2): 254–265

[36] Avgouropoulos G, Ioannides T. Selective CO oxidation over CuO-CeO₂ catalysts prepared via the urea-nitrate combustion method. Applied Catalysis A, General, 2003, 244(1): 155–167

[37] Luo M F, Ma J M, Lu J Q, Song Y P, Wang Y J. High-surface area CuO-CeO₂ catalysts prepared by a surfactant-templated method for low-temperature CO oxidation. Journal of Catalysis, 2007, 246(1): 52–59

[38] Dong Y, Yuan F, Zhu Y, Zhao L, Cai Z. Characterization and catalytic properties of mesoporous CuO/SBA-16 prepared by different impregnation methods. Frontiers of Chemical Engineering in China, 2008, 2(2): 150–154

[39] Bin F, Wei X, Li B, Hui K S. Self-sustained combustion of carbon monoxide promoted by the Cu-Ce/ZSM-5 catalyst in CO/O₂/N₂ atmosphere. Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 162(0): 282–288

[40] Elmhamdi A, Castañeda R, Kubacka A, Pascual L, Nahdi K, Martínez-Arias A. Characterization and catalytic properties of CuO/CeO₂/MgAl₂O₄ for preferential oxidation of CO in H₂-rich streams. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 188: 292–304

[41] Martínez-Arias A, Hungría A B, Munuera G, Gamarra D. Preferential oxidation of CO in rich H₂ over CuO/CeO₂: Details of selectivity and deactivation under the reactant stream. Applied Catalysis B: Environmental, 2006, 65(3-4): 207–216

[42] Gamarra D, Fernández-García M, Belver C, Martínez-Arias A. Operando DRIFTS and XANES study of deactivating effect of CO₂ on a Ce_0.8Cu_0.2O₂ CO-PROX catalyst. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(43): 18576–18582

[43] Chen S, Zou H, Liu Z, Lin W. DRIFTS study of different gas adsorption for CO selective oxidation on Cu-Zr-Ce-O catalysts. Applied Surface Science, 2009, 255(15): 6963–6967

[44] Martínez-Arias A, Gamarra D, Fernández-García M, Hornés A, Bera P, Koppány Z, Schay Z. Redox-catalytic correlations in oxidised copper-ceria CO-PROX catalysts. Catalysis Today, 2009, 143(3-4): 211–217

[45] Scarano D, Bordiga S, Lamberti C, Spoto G, Ricchiardi G, Zecchina A, Otero Areán C. FTIR study of the interaction of CO with pure and silica-supported copper(I) oxide. Surface Science, 1998, 411(3): 272–285

[46] Hadjiivanov K I, Kantcheva M M, Klissurski D G. IR study of CO adsorption on Cu-ZSM-5 and CuO/SiO₂ catalysts: s and p components of the Cu⁺-CO bond. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 1996, 92(22): 4595–4600

[47] Liu P, Hensen E J M. Highly efficient and robust Au/MgCuCr₂O₄ catalyst for gas-phase oxidation of ethanol to acetaldehyde. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(38): 14032–14035

[48] Wen B, He M. Study of the Cu-Ce synergism for NO reduction with CO in the presence of O₂, H₂O and SO₂ in FCC operation. Applied Catalysis B: Environmental, 2002, 37(1): 75–82

[49] Avgouropoulos G, Ioannides T. Effect of synthesis parameters on catalytic properties of CuO-CeO₂. Applied Catalysis B: Environmental, 2006, 67(1-2): 1–11

[50] Gao Y, Xie K, Wang W, Mi S, Liu N, Pan G, Huang W. Structural features and catalytic performance in CO preferential oxidation of CuO-CeO₂ supported on multi-walled carbon nanotubes. Catalysis Science & Technology, 2015, 5(3): 1568–1579

[51] Fan J, Wu X, Wu X, Liang Q, Ran R, Weng D. Thermal ageing of Pt on low-surface-area CeO₂-ZrO₂-La₂O₃ mixed oxides: Effect on the OSC performance. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 81(1-2): 38–48

[52] Dutta P, Pal S, Seehra M S, Shi Y, Eyring E M, Ernst R D. Concentration of Ce³⁺ and oxygen vacancies in cerium oxide nanoparticles. Chemistry of Materials, 2006, 18(21): 5144–5146

[53] Zhang X M, Deng Y Q, Tian P F, Shang H H, Xu J, Han Y F. Dynamic active sites over binary oxide catalysts: In situ/operando spectroscopic study of low-temperature CO oxidation over MnOx-CeO₂ catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 191: 179–191

Acknowledgements

The authors are grateful to the support from the National Natural Science Foundation of China (21576084, U1463205 and 91534127), and the Chinese Education Ministry 111 project (B08021).

Electronic Supplementary Material

Supplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11705-017-1661-z and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany