CH
Ceri Hammond
Author with expertise in Catalytic Nanomaterials
Achievements
Cited Author
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
7
(14% Open Access)
Cited by:
2,419
h-index:
40
/
i10-index:
66
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Glycerol Oxidation Using Gold-Containing Catalysts

Alberto Villa et al.Apr 17, 2015
Glycerol is an important byproduct of biodiesel production, and it is produced in significant amounts by transesterification of triglycerides with methanol. Due to the highly functionalized nature of glycerol, it is an important biochemical that can be utilized as a platform chemical for the production of high-added-value products. At present, research groups in academia and industry are exploring potential direct processes for the synthesis of useful potential chemicals using catalytic processes. Over the last 10 years, there has been huge development of potential catalytic processes using glycerol as the platform chemical. One of the most common processes investigated so far is the catalytic oxidation of glycerol at mild conditions for the formation of valuable oxygenated compounds used in the chemical and pharmaceutical industry. The major challenges associated with the selective oxidation of glycerol are (i) the control of selectivity to the desired products, (ii) high activity and resistance to poisoning, and (iii) minimizing the usage of alkaline conditions. To address these challenges, the most common catalysts used for the oxidation of glycerol are based on supported metal nanoparticles. The first significant breakthrough was the successful utilization of supported gold nanoparticles for improving the selectivity to specific products, and the second was the utilization of supported bimetallic nanoparticles based on gold, palladium, and platinum for improving activity and controlling the selectivity to the desired products. Moreover, the utilization of base-free reaction conditions for the catalytic oxidation of glycerol has unlocked new pathways for the production of free-base products, which facilitates potential industrial application. The advantages of using gold-based catalysts are the improvement of the catalyst lifetime, stability, and reusability, which are key factors for potential commercialization. In this Account, we discuss the advantages of the using supported gold-based nanoparticles, preparation methods for achieving highly active gold-based catalysts, and parameters such as particle size, morphology of the bimetallic particle, and metal-support interactions, which can influence activity and selectivity to the desired products.
0

Promotion of Phenol Photodecomposition over TiO2 Using Au, Pd, and Au–Pd Nanoparticles

Ren Su et al.Jun 4, 2012
Noble metal nanoparticles (Au, Pd, Au–Pd alloys) with a narrow size distribution supported on nanocrystalline TiO2 (M/TiO2) have been synthesized via a sol-immobilization route. The effect of metal identity and size on the photocatalytic performance of M/TiO2 has been systematically investigated using phenol as a probe molecule. A different phenol degradation pathway was observed when using M/TiO2 catalysts as compared to pristine TiO2. We propose a mechanism to illustrate how the noble metal nanoparticles enhance the efficiency of phenol decomposition based on photoreduction of p-benzoquinone under anaerobic conditions. Our results suggest that the metal nanoparticles not only play a role in capturing photogenerated electrons, but are strongly involved in the photocatalytic reaction mechanism. The analysis of the reaction intermediates allows us to conclude that on M/TiO2 undesired redox reactions that consume photogenerated radicals are effectively suppressed. The analysis of the final products shows that the reusability performance of the catalyst is largely dependent on the pretreatment of the catalyst and the identity of the metal nanoparticle. Interestingly, the as-prepared Pd and Au–Pd decorated TiO2 materials exhibit excellent long-term photoactivity, in which ∼90% of the phenol can be fully decomposed to CO2 in each cycle.
0

Selective Oxidation of Glycerol by Highly Active Bimetallic Catalysts at Ambient Temperature under Base‐Free Conditions

Gemma Brett et al.Aug 24, 2011
Au–Pt alloy nanoparticles deposited on Mg(OH)2 (see STEM-HAADF image) show high activity in the selective oxidation of polyols using molecular oxygen as oxidant at mild and base-free conditions. Glycerol is a by-product of the manufacture of biodiesel and its supply as a sustainable raw material is anticipated to grow steadily due to a shift towards "greener" fuels. Since glycerol provides a precursor to various industrially valuable products, such as glyceric acid, tartronic acid and hydroxyacetone, this increasing glycerol supply represents an industrially important feedstock for synthesizing such chemicals by oxidative reaction. Heterogeneous catalysts play a key role in the promotion and control of such reactions, and can also lead to "greener" synthesis routes when compared with alternatives, such as the addition of stoichiometric reagents during synthesis. Nanoparticulate gold dispersed on a variety of oxide supports has been studied for a wide range of catalytic redox reactions,1–3 and the observation that supported gold catalysts are effective for glycerol oxidation is currently attracting considerable attention. In their initial seminal work Rossi and Prati were the first to demonstrate that supported gold nanoparticles are effective for alcohol oxidation in the presence of a base.5, 6 We subsequently extended this concept to show that glycerol could be converted into glyceric acid with a high yield using basic reaction conditions.7, 8 In contrast to palladium and platinum catalysts, gold has been shown to promote the reaction without causing over-oxidation.8 More recent studies of glycerol oxidation have concentrated on the role of the gold particle size,9 the catalyst pre-treatment,10 and the catalyst preparation method.11 While these previous studies have focused on monometallic nanoparticulate gold, we have since demonstrated that alloying gold with palladium can lead to a 25-fold enhancement in the activity of alcohol oxidation.12 Prati and co-workers13 have recently demonstrated the oxidation of glycerol under base-free conditions using a gold–platinum catalyst supported on carbon and mordenite. These previous studies have focused on the catalytic oxidation of glycerol at elevated temperatures. Here we show that high glycerol conversion and selectivity to specific C3 products (glyceric and tartronic acids) can be achieved at ambient temperatures without employing a base. We further report microstructural characterization of these bimetallic catalysts using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM), high-angle annular dark-field (HAADF) imaging, and energy-dispersive X-ray spectroscopy (XEDS). Bimetallic catalysts were synthesized by immobilizing colloidal metal particles on an MgO support. X-ray diffraction (XRD) analysis (Supporting Information, Figure S2) revealed that the support material is converted to Mg(OH)2 due to hydrolysis during the immobilization process, which is carried out in aqueous solution. Initial catalyst testing was performed at 60 °C (0.3 mol L−1 glycerol solution, glycerol/metal mole fraction 1000, 300 kPa, 4 h) with supported Au–Pt (1:3 mole fraction, 1 % by mass total metal loading). A substantially higher activity was observed (Table 1) than has previously been reported for Au–Pt catalysts,13 suggesting that the selection of the metal molar ratios and support material for this bimetallic catalyst has a strong influence on activity. The Au–Pt catalyst with 1:3 mol fraction retained significant activity when the temperature was decreased to 40 °C. By extending the reaction time to 24 h and further decreasing the reaction temperature to ambient (23 °C), high conversion was retained with a simultaneous increase in the C3 product selectivity (>88 % by mol). In contrast, Au–Pd catalyst prepared with a 1:3 mol fraction and similar metal loading demonstrated significantly lower activity under these conditions, and the selectivity to glyceric acid was lower than that displayed for the Au–Pt catalyst, despite the lower conversion observed. These results suggest that at similar conversion levels, the Au–Pd bimetallic catalysts are significantly less selective to the desired C3 products and data at iso-conversion shows this is the case (Table S1). Selectivity [mol % C] Catalyst T [°C] t [h] Conv. [mol %] Oxalic acid Tartronic acid Glyceric acid Glycolic acid Formic acid/CO2 AuPd(1:1)/MgO[a] 60 4 5.9 0.4 13.3 74.2 4.0 8.1 AuPt(1:1)/MgO[a] 60 4 29.2 0.4 12.3 78.4 3.9 5.0 AuPd(1:3)/MgO[a] 60 4 14.5 0.1 12.5 74.4 6.4 6.6 AuPt(1:3)/MgO[a] 60 4 42.9 0.4 14.9 72.2 3.3 9.2 AuPt(1:3)/MgO[a] 40 4 29.4 0.4 9.4 80.4 3.9 5.9 AuPt(1:3)/MgO[b] ambient (23) 24 42.5 0.2 3.8 85.1 4.8 6.1 AuPd(1:3)/MgO[b] ambient (23) 24 29.7 0.7 8.5 66.7 11.5 12.6 Time-on-line data for the reaction at ambient temperature is shown in Figure 1. It is apparent from the reaction profiles that the Pt-containing catalysts are considerably more active than the Pd-containing catalysts at all reaction times. Furthermore the rate exhibits no discernable reduction as the reaction proceeds; suggesting that with extended reaction times greater conversion levels could be achieved. The Au–Pt catalyst also displays significantly higher selectivity to glyceric acid, when compared with Au–Pd catalysts (Table S1). Specifically, for catalysts exhibiting 30 % conversion, Au–Pt gives 85 % selectivity to glyceric acid, while the selectivity of Au–Pd is 67 %. In the reaction with MgO alone less than 0.8 % conversion was observed after 4 h. Time-on-line data for selective oxidation of glycerol by Au–M/MgO catalysts, with M=Pt (⧫) or Pd (□). Reaction conditions: 1:3 molar fraction Au:M, total metal loading 1 % by mass, water (10 mL), 0.3 mol L−1 glycerol, mole fraction of glycerol/metal=500, T=ambient, 300 kPa. Data points represent the mean value obtained from 10 reaction runs, and the error bars are defined by the range of these measurements. It is possible that MgO may be acting as a sacrificial base during the reaction and hence we investigated possible leaching of Mg2+ during reaction but found it to be negligible (77 ppm Mg2+). Indeed, the [Mg2+] is 2–3 orders of magnitude lower in amount than the products observed. Furthermore addition of this minimal level of base did not significantly affect the conversion and there was no reaction in the presence of Mg2+. Transmission electron microscopy (TEM) measurements demonstrate that the Au–Pd catalysts have a broader particle-size distribution than the Au–Pt catalysts (Figure S3). The microstructure of the bimetallic catalysts was also investigated using aberration-corrected STEM. The binary phase diagrams of the Au–Pt and Au–Pd systems indicate that, whereas Au–Pd exhibits a complete solid solution at all temperatures below the melting point, Au–Pt exhibits a large miscibility gap with limited solubility between the two face-centered cubic (fcc) end member phases at ambient temperatures.15 However, it is well known that bulk phase relations can be substantially altered for nanoscale particles.15 In order to determine if the ca. 2 nm particles are homogenous or phase-separated, aberration-corrected STEM-XEDS spectrum imaging was performed. The results for the 1:1 mol fraction AuPt/MgO catalyst (Figure 2) show that there is a good spatial correspondence of the Au and Pt elemental maps formed with the intensities of the Lα lines. These results suggest that the individual metal particles do contain both elements. However, this analysis is complicated by the inherently low XEDS signal collected from such small particles, pathological overlaps between the Au-Mα and Pt-Mα peaks, and the degradation of the underlying Mg(OH2) support under the electron beam. Whether the metal particles are homogeneous or phase-separated within each particle (e.g. a core–shell morphology similar to that observed for Au–Pd) could not be resolved due to the extremely small size of the particles and the difficulty in obtaining spatially resolved XEDS data from such small particles at near atomic resolution. HAADF image of the AuPt(1:1)/MgO catalyst (dried at 120 °C), along with the corresponding Au-Lα, Pt-Lα, Mg-Kα, and (Au-Mα+Pt-Mα) elemental maps from the same area. A representative selection of STEM-HAADF images of the Au–Pd and Au–Pt (both 1:3 mole fraction) particles supported on MgO are presented in Figure 3. The sol-immobilized Au–Pd particles (Figure 3 a,b) were found to have a mixture of characteristic cuboctahedral, decahedral and icosahedral particle morphologies. The latter two particle morphologies, which are multiply twinned crystals that preferentially expose {111}-type surface facets, were dominant. By virtue of the large difference in atomic number (Z) between Pd (Z=46) and Au (Z=79), the Au–Pd particles were determined to be homogeneous. If these particles experienced substantial core–shell segregation, it would have been clearly visible because the HAADF cross-sections of the two elements differ by more than a factor of 2.16–18 In contrast, STEM-HAADF is insensitive to such segregation in the Au–Pt particles, since Pt and Au have consecutive atomic numbers. The vast majority of Au–Pt particles exhibited a simple cuboctahedral structure, as illustrated in Figure 3 c,d, exposing a mixture of {111} and {200} facets. XEDS point spectrum was acquired by scanning the beam over one particle and therefore the averaged composition information of individual particle can be obtained. As shown in Figure S4 and S5, particles from both sides of the size distribution are all alloyed. However in the Au–Pd system there is a size-dependant composition variation, which we have reported previously:19 the relative ratio of Au-Mα line and Pd-Lα line showed that Pd tends to agglomerate on bigger particles. Interestingly, Au–Pt system seemed to not have such an obvious segregation trend, with the two metals distributed more evenly. High-magnification STEM-HAADF image and corresponding particle-size distribution of a,b) AuPd(1:3)/MgO and c,d) AuPt(1:3)/MgO. Finally, we explored the reusability of the 1:3 molar ratio AuPt/Mg(OH)2 catalyst both for reactions at ambient temperature and at 60 °C (Figure S6 and Table S2). After recovering the used catalyst by filtration, the activity for glycerol oxidation was found to be unchanged within experimental error and reusable under these conditions. Furthermore, we have demonstrated the more general use of AuPt/MgO as a catalyst for alcohol oxidation under base-free conditions by reacting ethylene glycol, 1,2-propanediol and 1,4-butanediol and the catalyst is shown to be effective (Tables S3–S5). In addition we have successfully shown that the catalyst remains highly effective at a higher concentration of glycerol of 1.2 M (Table S6). In summary, Au–Pt and Au–Pd nanoparticles supported on Mg(OH)2 are highly active for the selective oxidation of glycerol under base-free conditions at ambient temperature. This reactivity at ambient temperature under base-free conditions emphasises the activity of these AuPt/MgO catalysts. Within an appropriately chosen compositional range, catalysts with a narrow particle size distribution can be produced. When alloyed with Au, Pt leads to both enhanced glycerol conversion and selectivity towards C3 products relative to Pd. These Au–Pt catalysts may permit bench-top reaction procedures for alcohol oxidation to be more commonly practiced in synthetic methodology. Dedicated to the Fritz Haber Institute, Berlin, on the occasion of its 100th anniversary Detailed facts of importance to specialist readers are published as "Supporting Information". Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.