Ваш синтаксис правильный для преобразования серии в тип даты / времени в пандах, когда я пытался
>>>df[0] = pd.to_datetime(df[0])
>>>df
0
0 2018-01-01
1 2018-09-09
>>>type(df[0])
я получил
<class 'pandas.core.series.Series'>
попробуйте напечатать
dataframe.dtypes
тогда я получил
>>> df.dtypes
0 datetime64[ns]
dtype: object