Nadir toprak elementleri, kimyasal ve termal kararlılıkları sayesinde katalizör endüstrisinde kritik öneme sahiptir. Lantan (La) bu elementler arasında, özellikle katalizör destek malzemelerinin ve aktif fazların termal stabilitesini ve yüzey alanını artırma yeteneğiyle öne çıkar. Lantan içeren katalitik malzemelerin üretiminde yaygın olarak kullanılan öncü (prekürsör) maddelerden biri de Lantan Karbonatlardır (La² (CO³)³).
Lantan karbonatı, genellikle Lantan Oksit (La²O³) veya Perovskit tipi katalizörler (LaCoO³, LaAlO³ gibi) sentezlenirken bir başlangıç malzemesi olarak kullanılır. Lantan karbonatın bir öncü olarak tercih edilmesinin ana nedenleri şunlardır:
Yüksek Saflık: Kimyasal çöktürme yöntemleriyle yüksek saflıkta Lantan Karbonat elde etmek nispeten kolaydır.
Kontrollü Ayrışma: Karbonat formu, ısıl işlem (kalsinasyon) sırasında kontrollü bir şekilde karbondioksit (CO²) kaybederek kademeli olarak daha aktif Lantan Oksit fazına dönüşür.
Homojen Karışım: Özellikle kobalt veya nikel gibi diğer metallerle birlikte çöktürüldüğünde, katalizör içinde homojen bir dağılım sağlayarak nihai ürünün performansını iyileştirir.
Uygulama Alanı: Amonyak Sentezi veya Metan Reformasyonu
Eş Çöktürme (Co-precipitation): Kobalt nitrat (Co(NO³)²) ve Lantan nitrat (La(NO³)³) çözeltileri hazırlanır. Bir çöktürme ajanı (örneğin Potasyum Karbonat, K²CO³) yavaşça eklenerek Kobalt ve Lantan bileşikleri birlikte çöktürülür. Bu, Kobalt ve Lantan'ın atomik düzeyde çok iyi karışmasını sağlar.
Karbonat Formunun Oluşumu: Lantan, bu aşamada Kobalt ile birlikte Lantan Karbonat veya Lantan Hidroksi Karbonat (La²O²CO³) formlarında bulunur.
Kalsinasyon ve Dönüşüm: Çöktürülen toz, kontrollü bir atmosferde yüksek sıcaklığa ısıtılır.
Yaklaşık 500 °C'de Kobalt bileşiği aktif Co³O4 fazına dönüşmeye başlar. Ancak Lantan, bu sıcaklıkta sadece kısmen ayrışarak Lantan Oksi Karbonat (La²O²CO³) gibi ara ürünler oluşturur.
Sıcaklık 800 °C - 1100 °C aralığına çıkarıldığında, Lantan Oksi Karbonat tamamen ayrışarak Lantan Oksit (La²O³) formunu alır.
Nihai Katalizör: Sonuç olarak, termal olarak kararlı Lantan Oksit destekli (veya onunla karışık) aktif Kobalt nanoparçacıkları içeren yüksek yüzey alanlı bir katalizör elde edilir.
Uygulama Alanı: Otomotiv Katalitik Konvertörleri (CO Oksidasyonu) veya Katı Oksit Yakıt Hücreleri (SOFC)
Çözelti Hazırlığı: Lantan kaynağı olarak Lantan nitrat (dolaylı olarak Lantan Karbonat öncülü) ve diğer B-sitesi metal kaynakları (örneğin Kobalt, Manganez veya Demir nitratlar) çözülür.
Jelleşme/Çöktürme: Sitrat Sol-Jel veya Eş Çöktürme gibi yöntemlerle, metal iyonlarının homojen bir karışımı sağlanır. Karbonat ajanı kullanılarak Lantan Karbonat yapısı oluşturulur.
Yüksek Sıcaklık Reaksiyonu: Malzeme 700 °C ile 1000 °C arasındaki yüksek sıcaklıklara ısıtılır. Bu işlem sırasında:
Lantan Karbonat bozunarak Lantan Oksit (La²O³) oluşturur.
Lantan Oksit ve B-sitesi oksidi (örneğin CoO) katı hal reaksiyonuna girerek düzenli bir kristal yapıya sahip olan Perovskit (LaCoO³) fazını oluşturur.
Katalizör Avantajı: Perovskit yapısı, genellikle yüksek sıcaklıkta bile üstün termal kararlılığa ve katalitik aktiviteye sahiptir. Bu sayede, katalizör uzun ömürlü ve verimli olur.
Lantan karbonatlarının katalitik malzeme üretimindeki rolü, kontrollü termal bozunmaları sayesinde yüksek derecede homojenlik ve kararlılık sağlamalarıdır. Karbonat öncüllerinin kullanılması, özellikle endüstriyel amonyak sentezi ve emisyon kontrolü gibi yüksek sıcaklık süreçleri için gereken karmaşık, çok bileşenli katalizörlerin tasarımında temel bir stratejidir.
