III.2. QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA CỦA MnO 2
III.2.3. Ảnh hưởng của cấu trúc đến tính chất oxi hóa khử của MnO 2
(a) δ-MnO2 (b) δ→α-MnO2
(c) α-MnO2 (d) Hỗn hợp δ-MnO2 và α-MnO2
Hình III.2.16. Giản đồ TPR-H2 của δ-MnO2, δ→α-MnO2 và α-MnO2
289.32
262.72
214.97
10 10.2 10.4 10.6 10.8 11 11.2 11.4 11.6 11.8 12
140 170 200 230 260 290 320 350
TCD concentration
Temperature (oC)
303.173 283.23 258.489
226.602
183.436
10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7
100 150 200 250 300 350 400
TCD concentration
Temperature (oC)
307.188 287.583
239.266
10 10.2 10.4 10.6 10.8 11 11.2
140 170 200 230 260 290 320 350
TCD concentration
Temperature (oC)
291.48
267.46 247.52 217.25
10 10.5 11 11.5 12 12.5 13
100 150 200 250 300 350 400
TCD concentration
Temperature (oC) α-MnO2+ δ-MnO2
Bảng III.2.5. Lượng hiđro tiêu thụ của δ-MnO2, δ→α-MnO2 và α-MnO2
(δ-MnO2 δ→α-MnO2 α-MnO2 Hỗn hợp δ-MnO2,
và α-MnO2
Nhiệt độ pic khử
(oC)
H2 tiêu thụ - mmol/g
Nhiệt độ pic khử
(oC)
H2 tiêu thụ - mmol/g
Nhiệt độ pic khử
(oC)
H2 tiêu thụ - mmol/g
Nhiệt độ pic khử
(oC)
H2 tiêu thụ - mmol/g 215,0 1,38 183,4 0,54
239,3 1,15 217,3 1,40
226,6 1,71 247,5 0,94
262,7 2,37 258,5 3,79 - - 267,5 0,38
289,3 3,19 283,2 2,06 287,6 9,15 291,5 5,39
303,2 0,30 307,2 0,13 Tổng
H2 tiêu thụ
6,94 8,40 10,43 8,11
Một trong các tính chất đặc biệt quan trọng của vật liệu xúc tác oxi hóa là tính chất oxi hóa khử của chúng. Tính chất oxi hóa khử của δ-MnO2 (6-1-MnO2), α-MnO2 (1-1-MnO2) và δ→α-MnO2 (3-1-MnO2) được nghiên cứu dựa vào phương pháp khử theo chương trình nhiệt độ TPR-H2. Kết quả được trình bày ở hình III.2.16 và bảng III.2.5.
Trên giản đồ TPR-H2 của δ-MnO2 và α-MnO2 quan sát thấy 3 vùng khử tương ứng với các Tmax ở 215oC, 263oC, và 289oC với δ-MnO2 và Tmax ở 239oC, 288oC và 307oC với α-MnO2. Trong các giai đoạn khử của MnO2: MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO [104, 132], giai đoạn khử MnO2 thành Mn2O3 xảy ra ở nhiệt độ thấp < 250oC; giai đoạn khử Mn2O3 thành Mn3O4 xảy ra ở khoảng nhiệt độ 250oC ÷ 270oC và giai đoạn khử Mn3O4 thành MnO xảy ra ở nhiệt độ 280oC ÷ 300oC [104, 148]. Vì thế khử của MnO quá âm nên quá trình khử MnO
thành Mn xảy ra ở nhiệt độ trên 750oC, do đó MnO là sản phẩm cuối cùng trong phép phân tích TPR-H2 [167]. Nhƣ vậy, có thể nhận thấy, quá trình khử δ-MnO2
diễn ra lần lƣợt theo cả 3 giai đoạn trên, trong khi đó α-MnO2 bị khử theo 2 giai đoạn: từ MnO2 thành Mn2O3 sau đó Mn2O3 bị khử trực tiếp thành MnO. Đáng chú ý, ở vùng nhiệt độ < 250oC, nhiệt độ các pic khử của δ-MnO2 thấp hơn nhiệt độ các pic khử tương ứng của α-MnO2. Ngoài ra, nhiệt độ khử của δ-MnO2 bắt đầu khoảng 150oC và kết thúc khoảng 330oC, trong khi nhiệt độ khử của α- MnO2 bắt đầu khoảng 200oC và kết thúc khoảng 320oC. Nhƣ vậy, δ-MnO2 dễ bị khử hơn α-MnO2, đặc biệt là ở vùng nhiệt độ thấp < 250oC. Điều này có thể giải thích dựa trên kết quả XPS nhƣ sau: δ-MnO2 dễ bị khử hơn α-MnO2 do δ-MnO2 có hàm lƣợng oxi linh động cao hơn. Bên cạnh đó, δ-MnO2 hoạt động hơn so với α-MnO2 cũng có thể đƣợc giải thích bởi cấu trúc kém bền hơn của δ-MnO2 (theo kết quả XRD).
Đặc biệt, trên giản đồ TPR-H2 của mẫu δ→α-MnO2 quan sát thấy 5 vùng khử với các Tmax ở 183oC, 227oC, 259oC, 283oC và 303oC. Kết quả này chứng tỏ mẫu hỗn hợp trung gian δ→α-MnO2 chứa nhiều loại tâm hoạt động hơn các các mẫu đơn pha, δ-MnO2 và α-MnO2. Sự đa dạng về loại tâm hoạt động của δ→α-MnO2 có thể đƣợc giải thích bởi sự đa dạng trong cấu trúc pha của mẫu δ→α-MnO2 nhƣ đã phân tích trong kết quả HRTEM. Mẫu δ→α-MnO2 không những chứa tất cả các pha tồn tại trong các mẫu đơn pha δ -MnO2 và α-MnO2
mà còn chứa pha trung gian trong quá trình chuyển pha từ δ-MnO2 thành α- MnO2. Pha trung gian này thường kém bền hơn, nên hoạt động hơn và dễ dàng tham gia vào quá trình oxi hóa khử. Chính vì vậy, mẫu δ→α-MnO2 chứa hàm lƣợng oxi hoạt động lớn nhất (theo kết quả XPS). Điều này giải thích tại sao trên giản đồ TPR-H2 của mẫu δ→α-MnO2 lại xuất hiện nhiều vùng khử hơn trong đó một vùng khử ứng với Tmax ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể (183oC) so với các mẫu δ-MnO2 và α-MnO2. Kết quả là quá trình khử δ→α-MnO2 đƣợc bắt đầu
từ nhiệt độ rất thấp (< 150oC) và kết thúc ở nhiệt độ dưới 320oC. Như vậy, mẫu trung gian δ→α-MnO2 dễ bị khử hơn cả hai dạng δ-MnO2 và α-MnO2.
Để làm sáng tỏ hơn điều này, hai mẫu δ-MnO2 và α-MnO2 đƣợc trộn một cách cơ học và sau đó đem đặc trưng bằng phương pháp TPR-H2. Trên giản đồ TPR-H2 của mẫu hỗn hợp (hình III.2.16d) có thể quan sát đƣợc các pic khử đặc trưng cho cả hai mẫu δ-MnO2 và α-MnO2 với nhiệt độ khử tương ứng thay đổi không đáng kể, thường cao hơn nhiệt độ các pic thành phần khoảng 2÷5oC. Tuy nhiên, trên giản đồ TPR-H2 của hỗn hợp hai mẫu không xuất hiện pic khử mới ở vùng nhiệt độ thấp, dưới 200oC. Kết quả này cho thấy, sự xuất hiện pic khử vùng nhiệt độ 183oC cũng nhƣ khả năng dễ bị khử hơn của δ→α-MnO2 có thể là kết quả của sự tồn tại pha trung gian hoạt động trong δ→α-MnO2.
Dựa vào nhiệt độ của các pic khử đầu tiên của vật liệu có thể dự đoán, hoạt tính xúc tác của vật liệu sẽ tăng theo thứ tự: α-MnO2 (239,3oC) < δ-MnO2 (215,3oC) < δ→α-MnO2 (183,4oC), đặc biệt là ở vùng nhiệt độ thấp.
Quá trình khử MnOx được mô tả khái quát bằng phương trình:
MnOx + (x-1)H2 MnO + (x-1)H2O
Lƣợng hiđro tiêu thụ ở các mẫu MnO2 tăng dần từ δ-MnO2 (6,94 mmol/g), đến δ→α-MnO2 (8,40 mmol/g) và α-MnO2 (10,43 mmol/g). Nhƣ vậy, việc chuyển pha từ δ-MnO2 sang α-MnO2 sẽ làm tăng số oxi hóa trung bình của mangan trong vật liệu. Công thức của δ-MnO2, δ→α-MnO2, và α-MnO2 có thể xác định gần đúng lần lƣợt là MnO1,55; MnO1,69 và MnO1,89. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với những phân tích EDX và XPS đã phân tích ở trên.