Kinetics and CatalysisKinetics and CatalysisКинетика и катализ0453-88113034-5413The Russian Academy of Sciences66025810.31857/S0453881123010094KIWSESОБЗОРЫRoom Temperature Oxidation of Graphite by Nitrogen Dioxide with the Participation of Nanoparticles of Platinum Group MetalsОкисление графита диоксидом азота при комнатной температуре при участии наночастиц платиновых металловSmirnovM. Yu.СмирновМ. Ю.smirnov@catalysis.ruKalinkinA. V.КалинкинА. В.smirnov@catalysis.ruSorokinA. M.СорокинА. М.smirnov@catalysis.ruSalanovA. N.СалановА. Н.smirnov@catalysis.ruBukhtiyarovV. I.БухтияровВ. И.smirnov@catalysis.ruBoreskov Institute of Catalysis SB RASФГБУН Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН0101202364132022022025Copyright ©; 2023, М.Ю. Смирнов, А.В. Калинкин, А.М. Сорокин, А.Н. Саланов, В.И. БухтияровCopyright ©; 2023, М.Ю. Смирнов, А.В. Калинкин, А.М. Сорокин, А.Н. Саланов, В.И. Бухтияров2023М.Ю. Смирнов, А.В. Калинкин, А.М. Сорокин, А.Н. Саланов, В.И. БухтияровМ.Ю. Смирнов, А.В. Калинкин, А.М. Сорокин, А.Н. Саланов, В.И. Бухтияровhttps://journals.eco-vector.com/0453-8811/article/view/660258

This paper presents a review of the results obtained in studying the room temperature interaction of NO2 with model systems prepared by vacuum deposition of platinum group metals on the surface of highly oriented pyrolytic graphite (M/HOPG, M = Pt, Pd, Rh) at pressure of 10–6–10–4 mbar. Particular attention was focused on establishing the chemical state of the supported metal particles and carbon support using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Before treatment in NO2, M/HOPG samples were characterized by scanning tunneling and/or scanning electron microscopy (STM and SEM). Upon interaction with NO2, supported palladium and rhodium remained in the metallic state and, at the same time, exhibited catalytic activity in the oxidation of graphite. The process was accompanied by the destruction of ≥10–15 graphene layers with the penetration of metal particles deep into the carbon support. Rhodium was less active in the oxidation of graphite compared to palladium due to the filling of its surface with NO molecules arising from the dissociation of NO2. When the samples with deposited platinum were treated in NO2, the carbon support underwent minimal changes without disturbing its original structure. Platinum retained its metallic state when deposited on the surface of graphite annealed in vacuum and was oxidized to PtO and PtO2 oxides on the surface activated by etching with argon ions. Based on the results obtained, a mechanism was proposed for the room temperature interaction of M/HOPG systems with NO2.

В работе представлен обзор результатов, полученных при исследовании взаимодействии NO2 с модельными системами, приготовленными вакуумным напылением платиновых металлов на поверхность высоко ориентированного пиролитического графита (M/ВОПГ, M = Pt, Pd, Rh), при комнатной температуре и давлении 10–6–10–4 мбар. Особое внимание было сосредоточено на установлении химического состояния частиц нанесенного металла и углеродного носителя с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Перед обработкой в NO2 образцы M/ВОПГ были охарактеризованы методами сканирующей туннельной и/или растровой электронной микроскопии (СТМ и РЭМ). При взаимодействии с NO2 нанесенные палладий и родий оставались в металлическом состоянии и при этом проявляли каталитическую активность в окислении графита. Процесс сопровождался разрушением структуры ≥10–15 графеновых слоев с внедрением частиц металла вглубь углеродного носителя. Родий проявлял меньшую активность в окислении графита по сравнению с палладием по причине заполнения его поверхности молекулами NO, возникающими при диссоциации NO2. При обработке в NO2 образцов с нанесенной платиной углеродный носитель претерпевал минимальные изменения без нарушения своей исходной структуры. При этом платина сохраняла металлическое состояние в случае ее нанесения на поверхность графита, отожженного в вакууме, и окислялась до оксидов PtO и PtO2 на поверхности, активированной травлением ионами аргона. На основании полученных результатов был предложен механизм взаимодействия систем M/ВОПГ с NO2 при комнатной температуре.

rhodiumpalladiumplatinumhighly oriented pyrolytic graphite (HOPG)NO2X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)scanning tunneling microscopy (STM)scanning electron microscopy (SEM)родийпалладийплатинавысоко ориентированный пиролитический графит (ВОПГ)NO2рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)растровая электронная микроскопия (РЭМ)Авторы выражают благодарность Вовку Е.И. и Нартовой А.В. за выполнение исследований образцов Pt/C-A2 и Pt/C-A3 методами РФЭС (Вовк) и СТМ на приборе UHV 7000 VT (Нартова).Setiabudi A., Makkee M., Moulijn J.A. // Appl. Cat. B: Env. 2003. V. 42. P. 35.Dhal G.C., Dey S., Mohan D., Prasad R. // Cat. Rev. Sci. Eng. 2018. V. 60. P. 437.Khobragade R., Singh S.K., Shukla P.C., Gupta T., Al-Fatesh A.S., Agarwal A.K., Labhasetwar N.K. // Cat. Rev. Sci. Eng. 2019. V. 61. P. 447.Zheng Y., Kovarik L., Engelhard M.H., Wang Y., Wang Y., Gao F., Szanyi J. // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. P. 15793.Epling W.S., Campbell L.E., Yezerets A., Currier N.W., Parks J.E. // Catal. Rev. 2004. V. 46. P. 163.Olsson L., Fridell E. // J. Catal. 2002. V. 210. P. 340.Mulla S.S., Chen N., Delgass W.N., Epling W.S., Ribeiro F.H. // Catal. Lett. 2005. V. 100. P. 267.Bhatia D., McCabe R.W., Harold M.P., Balakotaiah V. // J. Catal. 2009. V. 266. P. 106.Mulla S.S., Chen N., Cumaranatunge L., Blau G.E., Zemlyanov D.Y., Delgass W.N., Epling W.S., Ribeiro F.H. // J. Catal. 2006. V. 241. P. 389.Boubnov A., Dahl S., Johnson E., Molina A.P., Simonsen S.B., Cano F.M., Helveg S., Lemus-Yegres L.J., Grunwaldt J.-D. // Appl. Cat. B: Env. 2012. V. 126. P. 315.Benard S., Retailleau L., Gaillard F., Vernoux P., Giroir-Fendler A. // Appl. Catal. B: Env. 2005. V. 55 P. 11.Mirkelamoglu B., Liu M., Ozkan U.S. // Catal. Today. 2010. V. 151. P. 386.Калинкин А.В., Сорокин А.М., Смирнов М.Ю., Бухтияров В.И. // Кинетика и катализ. 2014. Т. 55. С. 371.Смирнов М.Ю., Вовк Е.И., Нартова А.В., Калинкин А.В., Бухтияров В.И. // Кинетика и катализ. 2018. Т. 59. С. 631.Смирнов М.Ю., Калинкин А.В., Сорокин А.М., Бухтияров В.И. // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61. С. 893.Смирнов М.Ю., Калинкин А.В., Сорокин А.М., Бухтияров В.И. // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61. С. 568.Смирнов М.Ю., Калинкин А.В., Саланов А.Н., Сорокин А.М., Бухтияров В.И. // Кинетика и катализ. 2021. Т. 62. С. 619.Demidov D.V., Prosvirin I.P., Sorokin A.M., Bukhtiyarov V.I. // Catal. Sci. Technol. 2011. V. 1. P. 1432.Демидов Д.В., Просвирин И.П., Сорокин А.М., Роша Е., Кноп-Герике А., Бухтияров В.И. // Кинетика и катализ. 2011. Т. 52. С. 877.Lopez-Salido I., Lim D.C., Kim Y.D. // Surf. Sci. 2005. V. 588. P. 6.Stable A., Eichhorst-Gerner K., Rabe J.P., Gonzalez-Elipe A.R. // Langmuir. 1998. V. 14. P. 7324.Yang D.-Q., Sacher E. // Surf. Sci. 2002. V. 504. P. 125.Rousseau B., Estrade-Szwarckopf H., Thomann A.-L., Brault P. // Appl. Phys. A. 2003. V. 77. P. 591.Utsumi S., Honda H., Hattori Y., Kanoh H., Takahashi K., Sakai H., Abe M., Yudasaka M., Iijima S., Kaneko K. // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. P. 5572.Paredes J.I., Martınez-Alonso A., Tascon J.M.D. // Langmuir. 2007. V. 23. P. 8932.Demoisson F., Raes M., Terryn H., Guillot J., Migeon H.-N., Reniers F. // Surf. Interface Anal. 2008. V. 40. P. 566.Sandhu J., Chauhan A.K.S., Govind // J. Nanopart. Res. 2011. V. 13. P. 3503.Blume R., Rosenthal D., Tessonnier J.-P., Li H., Knop-Gericke A., Schlogl R. // ChemCatChem. 2015. V. 7. P. 2871.http://xpspeak.software.informer.com/4.1/.Moulder J.F., Stickle W.F., Sobol P.E., Bomben K.D. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. Eden Prairie: Perkin-Elmer Co, 1992.Horcas I., Fernandez R., Gomez-Rodriquez J.M., Colchero J., Gomez-Herrero J., Baro A.M. // Rev. Sci. Instrum. 2007. V. 78. P. 013705_1.Figueiredo J.L., Pereira M.F.R. // Catal. Today. 2010. V. 150. P. 2.Aktary M., Lee C.E., Xing Y., Bergens S.H., McDermott M.T. // Langmuir. 2000. V. 16. P. 5837.Lu G., Zangari G. // Electrochimica Acta. 2006. V. 51. P. 2531.Gao J., Guo Q. // Appl. Surf. Sci. 2012. V. 258. P. 5412.Favaro M., Agnoli S., Perini L., Durante C., Gennaro A., Granozzi G. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. V. 15. P. 2923.Yuan Z., Hanf M.C., Stephan R., Dulot F., Denys E., Florentin A., Harbich W., Wetzel P. // Surf. Interface Anal. 2015. V. 47. P. 82.Kettner M., Stumm C., Schwarz M., Schuschke C., Libuda J. // Surf. Sci. 2019. V. 679. P. 64.Fiordaliso E.M., Murphy S., Nielsen R.M., Dahl S., Chorkendorff I. // Surf. Sci. 2012. V. 606. P. 263.Porsgaard S., Ono L.K., Zeuthen H., Knudsen J., Schnadt J., Merte L.R., Chevallier J., Helveg S., Salmeron M., Wendt S., Besenbacher F. // ChemPhysChem. 2013. V. 14. P. 1553.Smirnov M.Yu., Kalinkin A.V., Bukhtiyarov A.V., Prosvirin I.P., Bukhtiyarov V.I. // J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120. P. 10419.Schnyder B., Alliata D., Kotz R., Siegenthaler H. // Appl. Surf. Sci. 2001. V. 173. P. 221.Susi T., Pichler T., Ayala P. // Beilstein J. Nanotechnol. 2015. V. 6. P. 177.Paredes J.I., Martınez-Alonso A., Tascon J.M.D. // Langmuir. 2007. V. 23. P. 8932.Afanas’ev V.P., Bocharov G.S., Eletskii A.V., Ridzel O.Yu., Kaplya P.S., Koppen M. // J. Vac. Sci. Technol. B. 2017. V. 35. P. 041804.Zhu C., Hao X., Liu Y., Wu Y., Wang J. // Appl. Surf. Sci. 2018. V. 427. P. 1137.Wang Z.-M., Kanoh H., Kaneko K., Lu G.Q., Do D. // Carbon. 2002. V. 40. P. 1231.Fu C., Zhao G., Zhang H., Li S. // Int. J. Electrochem. Sci. 2013. V. 8. P. 6269.Saravanan M., Girisun T.C.S., Rao S.V. // J. Mater. Chem. C. 2017. V. 5. P. 9929.Martínez M.T., Callejas M.A., Benito A.M., Cochet M., Seeger T., Anson A., Schreiber J., Gordon C., Marhic C., Chauvet O., Fierro J.L.G., Maser W.K. // Carbon. 2003. V. 41. P. 2247.Yang D., Velamakanni A., Bozoklu G., Park S., Stoller M., Piner R.D., Stankovich S., Jung I., Field D.A., Ventrice C.A., Ruoff R.S. // Carbon. 2009. V. 47. P. 145.Hou S., Su S., Kasner M.L., Shah P., Patel K., Madarang C.J. // Chem. Phys. Lett. 2010. V. 501. P. 68.Ganguly A., Sharma S., Papakonstantinou P., Hamilton J. // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. P. 17009.Stobinski L., Lesiak B., Malolepszy A., Mazurkiewicz M., Mierzwa B., Zemek J., Jiricek P., Bieloshapka I. // J. Electron Spectrosc. Related Phenom. 2014. V. 195. P. 145.Jena G., Vanithakumari S.C., Thinaharan C., George R.P., Mudali U.K. // J. Bio. Tribol. Corrosion. 2018. V. 4. P. 20.Shinotsuka H., Tanuma S., Powell C.J., Penn D.R. // Surf. Interf. Anal. 2015. V. 47. P. 871.Huizinga T., Van t’Blik H.F.J., Vis J.C., Prins R. // Surf. Sci. 1983. V. 135. P. 580Steinruck H.P., Pesty F., Zhang L., Madey T.E. // Phys. Rev. B. 1995. V. 51. P. 2427.Holl Y., Krill G., Amamou A., Legare P., Hilaire L., Maire G. // Solid State Commun. 1979. V. 32. P. 1189.Kaushik V.K. // Z. Phys. Chem. 1991. V. 173. P. 105.Zafeiratos S., Papakonstantinou G., Jacksic M.M., Neophytides S.G. // J. Catal. 2005. V. 232. P. 127.Huang C.H., Wang I.K., Lin Y.M., Tseng Y.H., Lu C.M. // J. Mol. Catal. A. 2010. V. 316. P. 163.Peuckert M., Bonzel H.P. // Surf. Sci. 1984. V. 145. P. 239.Abe Y., Yanagisawa H., Sasaki K. // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. V. 37. P. 4482.Pitchon V., Fritz A. // J. Catal. 1999. V. 186. P. 64.Despres J., Elsener M., Koebel M., Krocher O., Schnyder B., Wokaun A. // Appl. Catal. B: Env. 2004. V. 50. P. 73.Katrib A. // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1980. V. 18. P. 275.Kalinkin A.V., Smirnov M.Yu., Nizovskii A.I., Bukhtiyarov V.I. // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2010. V. 177. P. 15.Nosova L.V., Stenin M.V., Nogin Yu.N., Ryndin Yu.A. // Appl. Surf. Sci. 1992. V. 55. P. 43.Aiyer H.N., Vijayakrishnan V., Subbanna G.N., Rao C.N.R. // Surf. Sci. 1994. V. 313. P. 392.Oktar N., Mitome J., Holmgreen E.M., Ozkan U.S. // J. Mol. Catal. A. 2006. V. 259 P. 171.Смирнов М.Ю., Калинкин А.В., Клембовский И.О., Бухтияров В.И. // ЖСХ. 2019. Т. 60. С. 1846.Dementjev A.P., Ivanov K.E., Tsyvkunova E.A. // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 357. P. 1434.Sjovall P., So S.K., Kasemo B., Franchy R., Ho W. // Chem. Phys. Lett. 1990. V. 172. P. 125.Oh Y.J., Yoo J.J., Kim Y.I., Yoon J.K., Yoon H.N., Kim J.-H., Park S.B. // Electrochimica Acta. 2014. V. 116. P. 118.Langley L.A., Villanueva D.E., Fairbrother D.H. // Chem. Mater. 2006. V. 18. P. 169.Zemlyanov D.Y., Hornung A., Weinberg G., Wild U., Schlogl R. // Langmuir. 1998. V. 14. P. 3242.Morrow B.A., McFarlane R.A., Moran L.E. // J. Phys. Chem. 1985. V. 89. P. 77.Huang W., Jiang Z., Jiao J., Tan D., Zhai R., Bao X. // Surf. Sci. 2002. V. 506. P. L287.Jiang Z., Huang W., Tan D., Zhai R., Bao X. // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 4860.Svintsitskiy D.A., Kibis L.S., Stadnichenko A.I., Koscheev S.V., Zaikovskii V.I., Boronin A.I. // ChemPhysChem. 2015. V. 16. P. 3318.Biniak S., Szymanski G., Siedlewski J., Swiatkowski A. // Carbon. 1997. V. 35. P. 1799.Stanczyk K., Dziembaj R., Piwowarsca Z., Witkowski S. // Carbon. 1995. V. 33. P. 1383.Pels J.R., Kapteijn F., Moulijn J.A., Zhu Q., Thomas K.M. // Carbon. 1995. V. 33. P. 1641.Ghosh B., Sarma S., Pontsho M., Ray S.C. // Diamond Relat. Mater. 2018. V. 89. P. 35.Miki H., Nagase H., Nagase T., Kioka T., Sugai S., Kawasaki K. // Appl. Surf. Sci. 1988. V. 33–34. P. 292.Sugai S., Watanabe H., Kioka T., Miki H., Kawasaki K. // Surf. Sci. 1991. V. 259. P. 109.Weststrate C.J., Bakker J.W., Rienks E.D.L., Vinod C.P., Matveev A.V., Gorodetskii V.V., Nieuwenhuys B.E. // J. Cat. 2006. V. 242. P. 184.Weststrate C.J., Bakker J.W., Rienks E.D.L., Vinod C.P., Lizzit S., Petaccia L., Baraldi A., Nieuwenhuys B.E. // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 1991.Shimada T., Mun B.S., Nakai I.F., Banno A., Abe H., Iwasawa Y., Ohta T., Kondoh H. // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. P. 17030.Toyoshima R., Yoshida M., Monya Y., Suzuki K., Amemiya K., Mase K., Mun B.S., Kondoh H. // Surf. Sci. 2013. V. 615. P. 33.Baird R.J., Ku R.C., Wynblatt P. // Surf. Sci. 1980. V. 97. P. 346.Baraldi A., Dhanak V.R., Kiskinova M., Rosei R. // Appl. Surf. Sci. 1994. V. 78. P. 445.Lizzit S., Baraldi A., Cocco D., Comelli G., Paolucci G., Rosei R., Kiskinova M. // Surf. Sci. 1998. V. 410. P. 228.Bondino F., Comelli G., Baraldi A., Vesselli E., Rosei R., Goldoni A., Lizzit S. // J. Chem. Phys. 2003. V. 119. P. 12534.Nakamura I., Kobayashi Y., Hamada H., Fujitani T. // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 3235.Saito T., Esaka F., Furuya K., Kikuchi T., Imamura M., Matsubayashi N., Shimada H. // J. Electron Spectrosc. Related Phenom. 1998. V. 88-91. P. 763.Requejo F.G., Hebenstreit E.L.D., Ogletree D.F., Salmeron M. // J. Catal. 2004. V. 226. P. 83.Kostecki R., Schnyder B., Alliata D., Song X., Kinoshita K., Kotz R. // Thin Solid Films. 2001. V. 396. P. 36.Wickham D.T., Banse B.A., Koel B.E. // Surf. Sci. 1991. V. 243. P. 83.Jirsak T., Dvorak J., Rodriguez J.A. // Surf. Sci. 1999. V. 436. P. L683.Desikusumastuti A., Happel M., Qin Z., Staudt T., Lykhach Y., Laurin M., Shaikhutdinov S., Rohr F., Libuda J. // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 9755.Uy D., O’Neill A.E., Weber W.H. // Appl. Catal. B: Env. 2002. V. 35. P. 219.Parker D.H., Koel B.E. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1990. V. 8. P. 2585.Banse B.A., Koel B.E. // Surf. Sci. 1990. V. 232. P. 275.Zheng G., Altman E.I. // Surf. Sci. 2000. V. 462. P. 151.Peterlinz K.A., Sibener S.J. // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. P. 2817.Conrad H., Ertl G., Kuppers J., Latta E. // Surf. Sci. 1977. V. 65. P. 245.Heras J.M., Estiu G., Viscido L. // Thin Solid Films. 1990. V. 188. P. 165.Stara I., Nehasil V., Matolin V. // Surf. Sci. 1995. V. 331–333. P. 173.Leisenberger F.P., Koller G., Sock M., Surnev S., Ramsey M.G., Netzer F.P., Klotzer B., Hayek K. // Surf. Sci. 2000. V. 445. P. 380.Zemlyanov D., Azalos-Kiss B., Kleimenov E., Teschner D., Zafeiratos S., Havecker M., Knop-Gericke A., Schlogl R., Gabasch H., Unterberger W., Hayek K., Klotzer B. // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 983.Gabasch H., Unterberger W., Hayek K., Klotzer B., Kleimenov E., Teschner D., Zafeiratos S., Havecker M., Knop-Gericke A., Schlogl R., Han J., Ribeiro F.H., Aszalos-Kiss B., Curtin T., Zemlyanov D. // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 2980.Han J., Zemlyanov D.Y., Ribeiro F.H. // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 2752.Nagarajan S., Thirunavukkarasu K., Gopinath C.S. // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 7385.Супрун Е.А., Саланов А.Н. // Кинетика и катализ. 2017. Т. 58. С. 98.Titkov A.I., Salanov A.N., Koscheev S.V., Boronin A.I. // React. Kinet. Catal. Lett. 2005. V. 86. P. 371.Titkov A.I., Salanov A.N., Koscheev S.V., Boronin A.I. // Surf. Sci. 2006. V. 600. P. 4119.Wider J., Greber T., Wetli E., Kreutz T.J., Schwaller P., Osterwalder J. // Surf. Sci. 1998. V. 417. P. 301.Monine M.I., Schaak A., Rubinstein B.Y., Imbihl R., Pismen L.M. // Catal. Today. 2001. V. 70. P. 321.Gibson K.D., Killelea D.R., Sibener S.J. // J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. P. 14977.Farber R.G., Turano M.E., Oskorep E.C.N., Wands N.T., Juurlink L.B.F., Killelea D.R. // J. Phys.: Condens. Matter. 2017. V. 29. P. 164002.German E.D., Sheintuch M., Kuznetsov A.M. // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 15326.Campbell C.T., White J.M. // Appl. Surf. Sci. 1978. V. 1. P. 347.Root T.W., Schmidt L.D., Fisher G.B. // Surf. Sci. 1983. V. 134. P. 30Schmatloch V., Kruse N. // Surf. Sci. 1992. V. 269/270. P. 488.Morales C., Diaz-Fernandez D., Mossanek R.J.O., Abbate M., Mendez J., Perez-Dieste V., Escudero C., Rubio-Zuazo J., Prieto P., Soriano L. // Appl. Surf. Sci. 2020. V. 509. P. 145118.