Simultaneous Production of CH₄ and H₂ from Photocatalytic Reforming of Glucose Aqueous Solution on Sulfated Pd-TiO₂ Catalysts

Production simultanée de CH₄ et H₂ par réformage photocatalytique d’une solution aqueuse de glucose sur un catalyseur Pd-TiO₂ sulfaté

¹ Department of Industrial Engineering, University of Salerno, via Giovanni Paolo II, 132, 84084 Fisciano (SA) – Italy
² Department of Civil Engineering, University of Salerno, via Giovanni Paolo II, 132, 84084 Fisciano (SA) – Italy
³ Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, Avenida Central del Norte, Tunja, Boyacá – Colombia
⁴ Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Universidad de Sevilla, Américo Vespucio 49, 41092 Sevilla – Spain
e-mail: dsannino@unisa.it

^* Corresponding author

Abstract

In this work, the simultaneous production of CH₄ and H₂ from photocatalytic reforming of glucose aqueous solution on Pd-TiO₂ catalysts under UV light irradiation by Light-Emitting Diodes (LED) was investigated. The Pd-TiO₂ catalysts were prepared by the photodeposition method. The Pd content was in the range 0.5-2 wt% and a photodeposition time in the range 15-120 min was used. Pd-TiO₂ powders were extensively characterized by X-Ray Diffraction (XRD), S_BET, X-Ray Fluorescence spectrometry (XRF), UV-Vis Diffuse Reflectance Spectra (UV-Vis DRS), TEM and X-Ray Photoelectron spectroscopy (XPS). It was found that the lower Pd loading (0.5 wt%) and 120 min of photodeposition time allowed us to obtain homogeneously distributed metal nanoparticles of small size; it was also observed that the increase in the metal loading and deposition time led to increasing the Pd⁰ species effectively deposited on the sulfated TiO₂ surface. Particle size and the oxidation state of the palladium were the main factors influencing the photocatalytic activity and selectivity. The presence of palladium on the sulfated titania surface enhanced the H₂ and CH₄ production. In fact, on the catalyst with 0.5 wt% Pd loading and 120 min of photodeposition time, H₂ production of about 26 μmol was obtained after 3 h of irradiation time, higher than that obtained with titania without Pd (about 8.5 μmol). The same result was obtained for the methane production. The initial pH of the solution strongly affected the selectivity of the system. In more acidic conditions, the production of H₂ was enhanced, while the CH₄ formation was higher under alkaline conditions.

Résumé

Dans cette recherche, la production simultanée de CH₄ et H₂ par le reformage photocatalytique de glucose sur les catalyseurs Pd-TiO₂ sous irradiation de lumière UV réalisée par des diodes électroluminescentes (LED) a été étudiée. Les échantillons de Pd-TiO₂ ont été préparés par la méthode de photodéposition. Le contenu de Pd était compris entre 0,5-2 % en poids et il a été utilisé un temps de photodéposition dans la gamme 15-20 minutes. Les poudres Pd-TiO₂ ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD), surface spécifique BET (S_BET), fluorescence X (XRF), spectrométrie UV visible (UV vis DRS), microscopie électronique à transmission (TEM) et spectrométrie photo électronique X (XPS). Il a été constaté que le chargement inférieur de Pd (0,5 % en poids) et 120 minutes de temps de photodéposition conduit à une répartition homogène des nanoparticules métalliques avec une faible dimension ; il a aussi été observé que l’augmentation de la charge de métal et celle de durée du dépôt conduisent à augmenter les espèces de Pd⁰ efficacement déposées sur la surface de TiO₂. La taille des particules et l’état d’oxydation du palladium ont été les principaux facteurs qui influent sur l’activité photocatalytique et sur la sélectivité. La présence de palladium sur la surface de l’oxyde de titane accroit la production de H₂ et CH₄. En fait, sur le catalyseur avec 0,5 % en poids du chargement de Pd et 120 min de temps de photodéposition, il a été obtenu une production de H₂ d’environ 26 μmol après 3 heures de temps d’irradiation, quantité supérieure à celle obtenue avec TiO₂ sans Pd (environ 8,5 μmol). Le même résultat a été obtenu pour la production de méthane. Le pH initial de la solution a fortement influencé la sélectivité du système. Dans des conditions plus acides, la production de H₂ a été améliorée, tandis que la formation de CH₄ a été plus élevée pour des conditions alcalines.