RESEARCH ARTICLE

Catalytic oxidation of carbon monoxide, toluene, and ethyl acetate over the xPd/OMS-2 catalysts: Effect of Pd loading

  • Zhidan Fu 1 ,
  • Lisha Liu 1 ,
  • Yong Song 1 ,
  • Qing Ye , 1 ,
  • Shuiyuan Cheng 1 ,
  • Tianfang Kang 1 ,
  • Hongxing Dai , 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, Department of Environmental Science, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
  • 2. Beijing Key Laboratory for Green Catalysis and Separation, Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, Department of Chemistry and Chemical Engineering, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

Received date: 17 Nov 2016

Accepted date: 23 Dec 2017

Published date: 12 May 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

Abstract

The Pd catalyst supported on cryptomelane-type manganese oxide octahedral molecular sieve (OMS-2) were prepared. The effect of Pd loading on the catalytic oxidation of carbon monoxide, toluene, and ethyl acetate over xPd/OMS-2 has been investigated. The results show that the Pd loading plays an important role on the physicochemical properties of the xPd/OMS-2 catalysts which outperform the Pd-free counterpart with the 0.5Pd/OMS-2 catalyst being the best. The temperature for 50% conversion was 25, 240 and 160 °C, and the temperature for 90% conversion was 55, 285 and 200 °C for oxidation of CO, toluene, and ethyl acetate, respectively. The low-temperature reducibility and high oxygen mobility of xPd/OMS-2 are the factors contributable to the excellent catalytic performance of 0.5Pd/OMS-2.

Cite this article

Zhidan Fu , Lisha Liu , Yong Song , Qing Ye , Shuiyuan Cheng , Tianfang Kang , Hongxing Dai . Catalytic oxidation of carbon monoxide, toluene, and ethyl acetate over the xPd/OMS-2 catalysts: Effect of Pd loading[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2017 , 11(2) : 185 -196 . DOI: 10.1007/s11705-017-1631-5

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21277008 and 20777005) and Natural Science Foundation of Beijing (Grant No. 8082008).
1
He C, Yu Y K, Shen Q, Chen J S, Qiao N L. Catalytic behavior and synergistic effect of nano-structured mesoporous CuO-MnOx-CeO2 catalysts for chlorobenzene destruction. Applied Surface Science, 2014, 297: 59–69

DOI

2
An N H, Wu P, Li S Y, Jia M J, Zhang W X. Catalytic oxidation of formaldehyde over Pt/Fe2O3 catalysts prepared by different method. Applied Surface Science, 2013, 285: 805–809

DOI

3
Shubert 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

DOI

4
Torres R M S, Udea S A, Tanaka K, Haruta M. Selective oxidation of CO in hydrogen over gold supported on manganese oxides. Journal of Catalysis, 1997, 168(1): 125–127

DOI

5
Gao T, Glerup M, Krumeich F, Nesper R, Fjellvag H, Norby P. Microstructures and spectroscopic properties of cryptomelane-type manganese dioxide nanofibers. Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112(34): 13134–13140

DOI

6
Shen Y F, Zerger R P, DeGuzman R N, Suib S L, McCurdy L, Potter D, O’Young C L. Manganese oxide octahedral molecular sieves: Preparation, characterization, and applications. Science, 1993, 260(5107): 511–515

DOI

7
Domínguez M I, Navarro P, Romero-Sarria F, Frias D, Cruz S A, Delgado J J, Centeno M A, Montes M, Odriozola J A, Nanosci J. Fibrous, MnO2 nanoparticles with (2 × 2) tunnel structures. Catalytic activity in the total oxidation of volatile organic compounds. Nanotechnology, 2009, 9: 3837–3842

8
Deng Y Q, Zhang T, Au C T, Yin S F. Liquid-phase catalytic oxidation of p-chlorotoluene to p-chlorobenzaldehyde over manganese oxide octahedral molecular sieves. Applied Catalysis A, General, 2013, 467: 117–123

DOI

9
Zhang T, Deng Y Q, Zhou W F, Au C T, Yin S F. Selective oxidation of p-chlorotoluene to p-chlorobenzaldehyde with molecular oxygen over zirconium-doped manganese oxide materials. Chemical Engineering Journal, 2014, 240: 509–515

DOI

10
Gac W. The influence of silver on the structural, redox and catalytic properties of the cryptomelane-type manganese oxides in the low-temperature CO oxidation reaction. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 75(1-2): 107–117

DOI

11
Lyer A, Galindo H, Sithambaram S, King’ondu C, Chen C, Suib S L. Nanoscale manganese oxide octahedral molecular sieves (OMS-2) as efficient photocatalysts in 2-propanol oxidation. Applied Catalysis A, General, 2010, 375(2): 295–302

DOI

12
Liu G L, Liao S J, Zhu D W, Hua Y M, Zhou W B. Innovative photocatalytic degradation of polyethylene film with boron-doped cryptomelane under UV and visible light irradiation. Chemical Engineering Journal, 2012, 213: 286–294

DOI

13
Yang Y, Huang J, Zhang S Z, Wang S W, Deng S B, Wang B, Yu G. Catalytic removal of gaseous HCBz on Cu doped OMS: Effect of Cu location on catalytic performance. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 150-151: 167–178

DOI

14
Schulz H, Stark W J, Maciejewski M, Pratsinis S E, Baiker A. Flame-made nanocrystalline ceria/zirconia doped with alumina or silica: Structural properties and enhanced oxygen exchange capacity. Journal of Materials Chemistry, 2003, 13(12): 2979–2984

DOI

15
Liu J, Makwana V, Cai J, Shen X F, Suib S L, Aindow M. Effects of alkali metal and ammonium cation templates on nanofibrous cryptomelane-type manganese oxide octahedral molecular sieves (OMS-2). Journal of Physical Chemistry B, 2003, 107(35): 9185–9194

DOI

16
Zou Z Q, Meng M, Zha Y Q. Surfactant-assisted synthesis, characterizations, and catalytic oxidation mechanisms of the mesoporous MnOx-CeO2 and Pd/MnOx-CeO2 catalysts used for CO and C3H8 oxidation. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(1): 468–477

DOI

17
Gentry S J, Hurst N W, Jones A. Study of the promoting influence of transition metals on the reduction of cupric oxide by temperature programmed reduction. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions, 1981, 1977: 603–619

18
Lin R, Liu W P, Zhong Y J, Luo M F. Catalyst characterization and activity of Ag-Mn complex oxides. Applied Catalysis A, General, 2001, 220(1-2): 165–171

DOI

19
Machocki A, Ioannides T, Stasinska B, Gac W, Avgouropoulos G, Delimaris D, Grzegorczyk W, Pasieczna S. Manganese-lanthanum oxides modified with silver for the catalytic combustion of methane. Journal of Catalysis, 2004, 227(2): 282–296

DOI

20
Gandhe A R, Rebello J S, Figueiredo J L, Fernandes J B. Manganese oxide OMS-2 as an effective catalyst for total oxidation of ethyl acetate. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 72(1-2): 129–135

DOI

21
Seo M H, Lim E J, Choi S M, Nam S H, Kim H J, Kim W B. Synthesis, characterization, and electro-catalytic properties of a polypyrrole-composited Pd/C catalyst. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36(18): 11545–11553

DOI

22
Peluso M A, Gambaro L A, Pronsato E, Gazzoli D, Thomas H J, Sambeth J E. Synthesis and catalytic activity of manganese dioxide (type OMS-2) for the abatement of oxygenated VOCs. Catalysis Today, 2008, 133-135: 487–492

DOI

23
Wang F, Dai H X, Deng J G, Bai G M, Ji K M, Liu Y X. Manganese oxides with rod-, wire-, tube-, and flower-like morphologies: Highly effective catalysts for the removal of toluene. Environmental Science & Technology, 2012, 46(7): 4034–4041

DOI

24
Tejuca L G, Bell A T, Fierro J L G, Pena M A. Surface behaviour of reduced LaCoO3 as studied by TPD of CO, CO2 and H2 probes and by XPS. Applied Surface Science, 1988, 31(3): 301–316

DOI

25
Makwana V D, Garces L J, Liu J, Cai J, Son Y C, Steven L S. Selective oxidation of alcohols using octahedral molecular sieves: Influence of synthesis method and property-activity relations. Catalysis Today, 2003, 85(2-4): 225–233

DOI

26
Yin Y G, Xu W Q, Suib S L, Oyoung C L. Lattice oxygen mobility and structural stability of Ni and Cu octahedral molecular sieves having the cryptomelane structure. Inorganic Chemistry, 1995, 34(16): 4187–4193

DOI

27
Morales M, Barbero B, Cadus L. Total oxidation of ethanol and propane over Mn-Cu mixed oxide catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2006, 67(3-4): 229–236

DOI

28
Carabineiro A C, Bastos S S T, Orfao J J M, Pereira M F R, Delgado J J, Figueiredo J L. Carbon monoxide oxidation catalysed by exotemplated manganese oxides. Catalysis Letters, 2010, 134(3-4): 217–227

DOI

29
Wang L C, Liu Q, Huang X S, Liu Y M, Cao Y, Fan K N. Gold nanoparticles supported on manganese oxides for low-temperature CO oxidation. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 88(1-2): 204–212

DOI

30
Huang Q, Yan X K, Li B, Xu X L, Chen Y W, Zhu S M, Shen S B. Activity and stability of Pd/MMnOx (M= Co, Ni, Fe and Cu) supported on cordierite as CO oxidation catalysts. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2013, 19(2): 438–443

DOI

31
Jansson J. Low-temperature CO oxidation over Co3O4/Al2O3. Journal of Catalysis, 2000, 194(1): 55–60

DOI

32
Ye Q, Lu H, Zhao J, Cheng S Y, Kang T F, Wang D, Dai H X. A comparative investigation on catalytic oxidation of CO, benzene, and toluene over birnessites derived from different routes. Applied Surface Science, 2014, 317: 892–901

DOI

33
Bastos S S T, Carabineiro S A C, Orfao J J M, Pereira M F R, Delgado J J, Figueiredo J L. Total oxidation of ethyl acetate, ethanol and toluene catalyzed by exotemplated manganese and cerium oxides loaded with gold. Catalysis Today, 2012, 180(1): 148–154

DOI

34
Jin L Y, Ma R H, Lin J J, Wang Y J, Luo M F. Bifunctional Pd/Cr2O3-ZrO2 catalyst for the oxidation of volatile organic compounds. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(18): 10878–10882

DOI

35
Papaefthimiou P, Ioannides T, Verykios X E. VOC removal: Investigation of ethylacetate oxidation over supported Pt catalysts. Catalysis Today, 1999, 54(1): 81–92

DOI

36
Minico S, Scire S, Crisafulli C, Maggiore R, Galvagno S. Catalytic combustion of volatile organic compounds on gold/iron oxide catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 2000, 28(3-4): 245–251

DOI

37
Centeno M A, Paulis M, Montes M, Odriozola J A. Catalytic combustion of volatile organic compounds on Au/CeO2/Al2O3 and Au/Al2O3 catalysts. Applied Catalysis A, General, 2002, 234(1-2): 65–78

DOI

38
WangR, Li J. Effects of precursor and sulfation on OMS-2 catalyst for oxidation of ethanol and acetaldehyde at low temperatures. Environmental Science & Technology, 2010, 44: 4282–4287

Outlines

/