金属掺杂的CeO2体系电子结构和氧离子迁移能的DFT+U研究

使用DFT和DFT+U方法研究了Ca,Ba,Sm与Zr在CeO₂体系中的掺杂能及其掺杂对缺陷形成能和氧离子迁移能的影响规律. 计算结果表明,对未含有氧离子空位的掺杂体系,掺杂能随着掺杂离子半径的增大而增大;对含有氧离子空位的掺杂体系,掺杂能受到掺杂离子半径和价态的影响;对各种掺杂体系电子结构的研究发现,在还原CeO₂,Zr和Sm掺杂的CeO₂体系中,由于氧空位捕获电子使Fermi能级升高;在碱土金属掺杂的CeO₂体系中,由于Ca²⁺和Ba²⁺取代高价态Ce⁴⁺而产生的负电荷恰恰与氧离子空位产生的正电荷中和,因此Fermi能级几乎没有移动;还原CeO₂和Zr掺杂的CeO₂体系均含有Ce³⁺,其新态位于Ce4f和O2p之间,这将导致CeO₂体系具有离子和电子导电特性;Ca,Ba和Sm的掺杂均抑制了CeO₂体系中Ce⁴⁺的变价. 使用NEB方法对氧离子迁移能进行了研究,且结果表明,氧离子到空位的迁移路径几乎沿一条直线进行;当掺杂Ca,Ba,Sm与Zr时,氧离子迁移能均小于纯CeO₂体系的;在这些掺杂体系中,Ba掺杂的体系氧离子迁移能最小,掺杂能较大,这可能导致在实验中常通过加入第三类掺杂物来引入Ba.     

CeO2中氧空位形成、表征及其作用机制研究进展

Ce是一种用途十分广泛的稀土金属,其丰度也是稀土元素中最高的。其金属氧化物CeO₂由于具有优异的储放氧性能,其晶格中存在的大量氧空位可以直接作为活性位点,能够捕捉气相中的O₂,产生大量的活性氧物种,表现出良好的催化性能,在各催化体系中作为载体和活性组分被普遍使用。分别从CeO₂独特的氧空位性质,CeO₂氧空位的形成途径,氧空位的表征技术以及氧空位在催化反应中的作用等方面的最新研究进展进行了综述。最后对CeO₂氧空位在氧化还原、有机物污染降解等反应过程中的应用进行了总结和展望。     

CeO2的形貌构筑及其对1,2-二氯乙烷氧化过程的影响研究

采用一步水热法制备了不同形貌的CeO₂,通过控制CeO₂的表观形貌实现其表面特定晶面((200)或(110))的暴露,从而有效调控材料表面Ce³⁺, Ce⁴⁺和活性氧的浓度,提升材料中氧空位的浓度,增强CeO₂的低温可还原性能和表面晶格氧的移动能力。其中,暴露(111)晶面的球状CeO₂具有最快的低温反应速率和最佳的低温催化活性(T₉₀=368℃),加速1,2-二氯乙烷分子中C-Cl的活化转化,使1,2-二氯乙烷快速转化为碳酸盐和羧酸盐类物质,进而进一步深度氧化并完全转化为CO₂和H₂O等无害物质。     

Ca掺杂的CeO2模型催化剂的形貌和电子结构及其与CO2分子的相互作用

利用扫描隧道显微镜、X射线光电子能谱和同步辐射光电子能谱研究了CeO₂(111),部分还原的CeO_2-x(111) (0＜x＜0.5)以及Ca掺杂的CeO₂模型催化剂的形貌、电子结构以及它们与CO₂分子间的相互作用。CeO₂(111)和部分还原的CeO_2-x(111)薄膜外延生长于Cu(111)单晶表面。不同Ca掺杂的CeO₂薄膜是通过在CeO₂(111)薄膜表面室温物理沉积金属Ca及随后真空退火到不同温度而得到的。不同的制备过程导致样品具有不同的表面组成,化学态和结构。CO₂吸附到CeO₂和部分还原的CeO_2-x表面后导致表面羧酸盐的形成。此外,相比于CeO₂表面,羧酸盐物种更易在部分还原的CeO_2-x表面生成,而且更加稳定。而在Ca掺杂的氧化铈薄膜表面,Ca²⁺离子的存在有利于CO₂的吸附,且探测到碳酸盐物种的形成。     

负载型LaCoO3/MO2催化氧化甲苯与NO的性能研究

本研究采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了一系列不同载体负载的LaCoO₃/MO₂催化剂（M=Zr、Ti、Ce）,研究考察其催化氧化甲苯与NO的性能及关键机制。结果发现,以CeO₂为载体的LaCoO₃/CeO₂催化剂表现出最佳的催化氧化性能,其甲苯的t₉₀为245℃,同时在300℃时NO转化率可达68%。通过BET、XRD、H₂-TPR和XPS对各负载型钙钛矿催化剂的理化性质进行表征。结果表明,负载型钙钛矿催化剂拥有更大的比表面积,从而有效提供了更多的吸附位点,同时负载型钙钛矿催化剂具有更活跃的晶格氧和更好的氧化还原性能。其中,LaCoO₃与载体CeO₂在接触界面上观察到Co离子与Ce离子之间存在着相互作用,形成晶格缺陷,这有利于氧空位的形成。利用原位漫反射红外光谱进一步探寻了反应机理,LaCoO₃/CeO₂催化剂上NO氧化符合Langmuir-Hinsh...     

稀土掺杂对氯化氢氧化制氯气CuO-CeO2-SiO2催化剂结构和性能的影响

采用模板法制备了CuO-CeO₂-SiO₂和稀土掺杂的CuO-Ce_0.9M_0.1O₂-SiO₂ (M=La, Pr, Nd)催化剂. 运用X射线衍射(XRD), N₂吸附-脱附, 透射电镜(TEM), 拉曼(Raman)光谱, X射线光电子能谱(XPS)和氢气-程序升温还原(H₂-TPR)等手段对催化剂的结构进行表征, 并考察稀土掺杂对氯化氢催化氧化制氯气性能的影响. 结果表明, 稀土掺杂进入CeO₂晶格中形成良好的固溶体结构, 获得更小的晶粒尺寸和更高的比表面积, 并且显著提高了固溶体的表面氧空位浓度. 稀土掺杂显著影响了催化剂的氯化氢催化氧化活性, 活性顺序为: CuOCe_0.9La_0.1O₂-SiO₂>CuO-Ce_0.9Nd_0.1O₂-SiO₂>CuO-Ce_0.9Pr_0.1O₂-SiO₂>CuO-CeO₂-SiO₂, 固溶体氧空位浓度的高低与氯化氢氧化活性直接相关. 通过与Ce_0.9M_0.1O₂-SiO₂催化剂的结构和性能的对比, 发现氧空位浓度的提高并不能增强在固溶体表面发生的氯化氢氧化反应. 动力学测试显示, 稀土掺杂后, 氧分子的吸附成为反应过程的决速步骤. 但在V(O₂):V(HCl)=1 条件下, 更高的氧空位浓度导致了固溶体更低的氯化氢氧化反应速率. 结合机理分析认为, CuO-Ce_0.9M_0.1O₂-SiO₂催化剂更高的氧空位浓度增强了固溶体表面的“氧溢流”, 加快了氯化氢氧化的整体反应速率, 这是CuO-Ce_0.9M_0.1O₂-SiO₂具备高活性的关键.     

ZIF-67/CeO2催化CO2和甲醇直接合成碳酸二甲酯

采用沉淀法将ZIF-67负载到CeO₂上,制备了具有多重活性位点的非均相催化剂ZIF-67/CeO₂,并研究其催化CO₂和甲醇直接反应生成碳酸二甲酯(DMC)的性能。采用X射线衍射、N₂吸附-脱附、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱研究了ZIF-67/CeO₂的各种理化性质。结果表明,ZIF-67的引入使ZIF-67/CeO₂催化剂产生更多的氧空位。在考察的ZIF-67/CeO₂系列催化剂中,0.3-ZIF-67/CeO₂(0.3为Co、Ce物质的量之比)在具有高的比表面积的同时还能保持介孔结构,具有丰富的酸碱位点,并且具有较高的CO₂吸附容量,表现出最好的催化性能。在反应温度为140℃、压力为4.5 MPa的条件下反应4 h,DMC收率可达到3.79 mmol_DMC·g_cat^-1。     

Ce1-xMnxO2表面性质对催化CO2和甲醇直接合成DMC反应活性的影响

通过共沉淀法制备了一系列Mn掺杂量不同的Ce_1-xMn_xO₂催化剂, 并将其用于催化CO₂和甲醇直接合成碳酸二甲酯(DMC). 通过X射线衍射(XRD)、 氮气吸附-脱附、 透射电子显微镜(TEM)、 X射线光电子能谱(XPS)和程序升温脱附(TPD)等手段研究了Ce_1-xMn_xO₂表面性质对催化CO₂和甲醇直接合成DMC反应活性的影响. 结果表明, Mn离子进入CeO₂晶格中形成固溶体, 随着Mn掺杂量增加, 催化剂表面弱酸碱位数量逐渐降低, 中强酸碱和强酸碱位数量增加, 催化剂表面氧空位含量呈先增加后减少的变化趋势, 当Mn掺杂量较少时, 催化剂表面Mn²⁺比例较高, 有利于Ce⁴⁺+Mn²⁺→Ce³⁺+Mn³⁺反应的进行, 促进催化剂表面氧空位生成; 进一步提高Mn掺杂量时, 催化剂表面Mn⁴⁺比例提高, 有利于Ce³⁺+Mn⁴⁺→Ce⁴⁺+Mn³⁺反应的进行, 导致催化剂表面氧空位含量减少. 研究发现Ce_1-xMn_xO₂催化剂活性与表面氧空位含量线性相关.     

载体形貌对Ni3Fe/CeO2催化剂甲烷干重整反应性能的影响

通过改变水热法条件合成了不同形貌CeO₂载体(棒状CeO₂-R、立方体CeO₂-C和多面体CeO₂-P),并用浸渍法制备了Ni₃Fe/CeO₂催化剂,继而研究了不同载体形貌Ni₃Fe/CeO₂催化剂对其甲烷干重整反应性能的影响。采用X射线衍射、N₂吸附-脱附、透射电镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱、热重等对反应前后催化剂结构进行表征。结果表明,Ni₃Fe/CeO₂-R具有较大比表面积和较高的氧空位浓度,在甲烷干重整反应中表现出了优异的催化反应活性。800℃时,CH₄和CO₂的转化率分别为82%和91%,且反应10 h性能稳定并且其积炭石墨化程度较低。同时,通过CeO₂-R载体氧空位对CO₂活化,有效抑制了对亲氧性Fe物种的过度氧化行为,反应前后催化剂Ni_...     

铈铁锆三元复合氧化物上碳烟的催化燃烧

采用水热法制备了纯CeO₂、Fe₂O₃和系列Ce₀.5Fe₀.5-xZr_{xO2复合氧化物催化剂,采用XRD、Raman、H2-TPR和BET等方法对其进行了表征,并利用程序升温氧化反应(TPO)技术研究了其碳烟燃烧催化性能。结果表明,Zr⁴+完全进入CeO2晶格中形成了固溶体,而Fe³+较难进入CeO2晶格中,部分Fe2O3分散在固溶体表面。固溶体形成产生的氧空位和表面高度分散的氧化铁协同作用是铈铁锆三元复合氧化物具有较高碳烟燃烧催化性能的关键。同时,与单纯的铈铁二元复合氧化物相比,Zr⁴+的掺杂明显提高了催化剂的抗老化能力,使Ce0.5Fe0.5-xZrxO2复合氧化物显示出更好的应用前景。在系列样品中,Ce0.5Fe0.30Zr0.20O2样品由于形成了最多的固溶体并具有良好分散性的表面Fe2O3,显示出最好的催化活性和稳定性。其催化碳烟的起燃温度(ti)和峰顶温度(tp)分别为251℃和310℃,长时间高温老化后其ti和tp仍较低,分别为273℃和361℃。}     

不同价态金属掺杂对La2O3(001)表面上甲烷活化影响的研究(英文)

La₂O₃因具有优异的稳定性和较高的C₂烃选择性,因此,常被用于催化甲烷氧化偶联反应,而较差的甲烷解离活性却限制了其广泛应用。为了提高镧基催化剂活化甲烷的性能,将不同价态的金属掺杂在La₂O₃(001)表面,并采用密度泛函理论方法对CH₄在催化剂表面的活化行为进行了研究。结果表明,低价态金属(Li、Na、K、Mg、Ca、Sr和Ba)和等价态金属(Al、Ga、In)的掺杂可以显著提高La₂O₃(001)表面的CH₄解离活性。其中,CH₄在Li-La₂O₃(001)表面解离的活化能最低,仅为13.0 kJ/mol。而高价态金属(Zr、Nb、Re和W)掺杂不能提高La₂O₃(001)表面的CH₄解离活性。此外,通过研究催化剂表面氧空位形成能、酸碱性与CH_4<...     

以橘子皮为碳源合成的CeO2@C及其对酸性染料去除性能

以Ce(NO₃)₃·6H₂O、橘子皮为原料,利用共沉积法制备氧化铈水合物与橘子皮混合物(CeO₂·xH₂O@OPP),通过在N₂中煅烧CeO₂·xH₂O@OPP获得CeO₂@C复合材料。利用FT-IR、X射线衍射、扫描电镜、拉曼光谱、UV-Vis、X射线光电子能谱、光电流测试方法对合成材料进行了表征。结果表明,CeO₂@C保留了较多的有机官能团,材料内具有较丰富的氧空穴及碳键,Ce、C、O元素均匀分布于材料内。光催化实验结果表明,在CeO₂中引入碳有利于光生电子与空穴分离,提高光电流强度及光催化效率,且CeO₂@C中碳含量对有机染料吸附及光催化效率影响较大。     

Ce/Co比对Ag/CeO2-Co3O4催化剂低温氧化降解甲醛性能的影响

采用共沉淀法制备了一系列具有不同Ce/Co比的Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂,对其在甲醛低温氧化降解中的催化性能进行了研究。结果发现,Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂具有较好的甲醛低温降解活性,而Ce/Co比是影响其催化性能的一个重要因素。XRD、氮吸附-脱附、Raman光谱、H₂-TPR和in-situ DRIFTS等表征结果表明,随着Co含量的增加,Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂的孔体积随之增大,而比表面积减小。CeO₂有利于Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂的氧化还原性能提高,促进氧空位增加,提升Co²⁺的含量,从而有利于氧分子的活化,促进甲醛降解。同时,in-situ DRIFTS结果表明,甲酸盐物种的分解是甲醛在Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂表面催化氧化降解的速控步骤。     

载体焙烧气氛对甲醇水蒸气重整制氢CuO/CeO2催化剂的影响

采用沉淀法和浸渍法制备了具有氧空位的CeO₂纳米材料和甲醇水蒸气重整制氢CuO/CeO₂催化剂,探索不同焙烧气氛对CeO₂纳米材料结构、性质和甲醇水蒸气重整制氢性能的影响。采用SEM、XRD、BET、H₂-TPR、N₂O滴定和XPS等手段对催化剂进行了表征。结果表明,CuO/CeO₂催化剂的催化活性与催化剂的Cu比表面积大小、Cu-Ce的相互作用强弱、表面缺陷和表面氧空位的多少有关。其中,在氢气气氛下焙烧所得的CeO₂负载CuO后的CuO/CeO₂-H催化剂催化活性最佳。在反应温度为250℃,水醇物质的量比为1.2时,甲醇气体空速为800 h^-1,甲醇转化率达到了100%,重整尾气中CO含量为0.87%。     

铈基与钴基Co3O4-CeO2氧载体上甲烷化学链转化特性: 产物选择性控制

采用水热法制备了Co₃O₄/CeO₂(x)[x为钴铈原子摩尔比n(Co):n(Ce)=6:49:1]和Ce_1-yCo_yO_2-δ(y=0.10.4)2个系列复合氧化物, 并表征了材料的物理化学性质, 考察了这些氧化物作为氧载体参与甲烷化学链转化(化学链燃烧和化学链部分氧化)的反应性能. 结果表明, 2类复合氧化物的甲烷反应活性均明显优于单一氧化物CeO₂或Co₃O₄, 但2类氧载体上的甲烷反应产物的选择性具有明显差异. Ce_1-yCo_yO_2-δ氧载体形成了Ce-Co-O固溶体, 储氧能力明显增强, 体相晶格氧迁移速率与甲烷活化速率匹配较好, 甲烷反应产物以CO和H₂的合成气为主, 有利于甲烷的化学链部分氧化. Co₃O₄/CeO₂(x)氧载体中CeO₂与Co₃O₄之间的相互作用改善了材料的储氧能力和氧化活性, 其与甲烷反应时主要生成CO₂, 有利于甲烷化学链燃烧. 连续性化学链循环实验表明, 2类氧载体均具有较好的再生性能和循环稳定性.     

具有独特电子结构的锌掺杂SnO2介导形成氧空位实现高效稳定的光催化降解甲苯

室内家具和工业生产排放的挥发性有机化合物(VOCs)是典型的空气污染物,对环境和人类健康造成严重威胁.然而,目前广泛应用的二氧化钛(P25)光催化剂在降解VOCs,尤其是降解芳香烃的过程中,存在光催化转化率低,失活快等问题.因此,开发具有高效和稳定性的新型光催化剂来降解VOCs,并将其实际应用是重要的科学问题.SnO₂是一种稳定无毒的半导体光催化剂,但电子和空穴的复合率较高.掺杂过渡金属离子后可以提供缺陷态来抑制催化剂电子空穴对的快速复合,促进界面电荷转移.相比其他金属离子,Zn²⁺与Sn⁴⁺的离子半径非常相近,因此Zn²⁺会很容易掺杂到SnO₂晶格中.并且用Zn²⁺取代Sn⁴⁺会形成表面修饰,即形成更多的氧空位(SOVs)来补偿正电荷.氧空位的存在不仅会产生缺陷能级,而且还可以促进大量局域电子的累积.SnO₂上氧空位和Zn掺杂结构的协同作用可以弥补单一的外源离子掺杂或产生氧空位的不足.因此,本文采用一种简便的一步法合成催化剂Zn-SnO₂,即在SnO₂上同时实现Zn掺杂和形成SOVs,利用两者对SnO₂的协同作用提高电荷转移和分离效率,使其在低或高相对湿度条件下均表现出高效、稳定的光催化降解甲苯性能.采用低温固态电子顺磁共振(EPR)检测了催化剂中的氧空位,在纯SnO₂中仅检测到弱的EPR信号,而Zn-SnO₂上的EPR信号非常强,表明Zn²⁺的掺杂诱导产生了大量的氧空位.扫描电镜和透射电镜结果表明,掺杂Zn²⁺可以有效抑制SnO₂纳米粒子的晶体生长和相变,使得掺杂Zn²⁺的SnO₂粒子的粒径显著减小,从而导致SOVs含量增加,此外粒径的减小有利于增大其比表面积,增加活性吸附位点.紫外可见漫反射结果表明,Zn-SnO₂拓宽了光吸收范围,这归因于锌掺杂和氧空位的协同作用.在紫外光照射下,Zn-SnO₂的光催化降解甲苯性能优于纯SnO₂和P25,降解率达到77.5%.ESR光谱结果表明,Zn-SnO₂上的电子自旋共振信号强度均强于纯SnO₂和P25,说明Zn-SnO₂具有较好的氧化能力,也与DFT计算O₂和H₂O的吸附能结果相吻合,表明了锌掺杂和SOVs对SnO₂的协同作用可以显著提高电荷转移和分离效率.最后,通过原位红外光谱和DFT计算方法对甲苯降解的机理进行了研究.结果表明,甲苯的苯环在纯SnO₂表面倾向于在苯甲酸阶段打开,在Zn-SnO₂表面更倾向于在苯甲醛阶段选择性地开环.可见,Zn-SnO₂光催化剂缩短了甲苯的降解路径,并能显著抑制中间毒副产物产生.综上,本工作提供了一种安全,高效和可持续的降解VOCs的光催化剂.     

氟掺杂对可逆固体氧化物电池性能的影响及相关动力学研究

可逆固体氧化物电池(RSOC)表现出优异的热力学和动力学性质,被认为是一种很有前途的能量转换装置.制备了两种RSOC电极材料La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Co_0.2O₃ (LSFC)和La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Co_0.2F_0.1O_2.9 (F_0.1-LSFC),对比了F掺杂对电池放电和电解性能的影响并对电极表面动力学反应进行探究.研究表明F掺杂可降低B位元素价态、提高材料氧空位浓度,进而提高电池性能.700℃,30%H₂O/H₂燃料下,由F_0.1-LSFC组成的RSOC的最大功率密度为234.3 m W·cm^-2,约为LSFC组成的RSOC的1.7倍.并且在1.3 V下,由LSFC和F_0.1-LSFC组成的RSOC...     

CeO2-MnOx催化剂形貌对低浓度甲烷催化燃烧反应性能的影响

采用水热合成法制备了船形、扁球形及纳米片CeO₂-MnO_x复合氧化物。并运用低温N₂吸脱附、XRD、SEM、TEM、H₂-TPR、拉曼光谱、XPS等表征技术对不同形貌CeO₂-MnO_x复合氧化物的结构与其低浓度CH₄催化燃烧反应性能之间的关系进行了关联。结果表明,CeO₂-MnO_x复合氧化物的形貌与其催化性能密切相关。其中,扁球形CeO₂-MnO_x复合氧化物的氧空位、Ce³⁺含量及表面吸附活性氧物种最多,其CH₄催化燃烧反应活性最高,540℃时,可将CH₄完全转化;其次是船形CeO₂-MnO_x复合氧化物催化剂,540℃时其CH₄转化率为94.05%;与前两者相比,纳米片CeO₂-MnO_x复合氧化物催化剂的氧空位及表面吸附活性氧物种较少,活性较差,相同反应温度下,其CH₄转化率仅为89.68%。     

五氧化二钒/铈改性二氧化钛催化甲醇高选择性氧化制备二甲氧基甲烷

通过溶剂热法制备Ce掺杂的TiO₂,利用等体积浸渍法制得一系列V₂O₅/Ce-TiO₂催化剂,并用于甲醇选择性氧化制二甲氧基甲烷(DMM)。 采用XRD、UV-Vis、 H₂-TPR、NH₃-TPD等技术手段对催化剂进行了表征。 结果表明,Ce掺杂改性后的TiO₂负载V₂O₅更有利于催化剂表面钒氧物种的分散,且钒氧物种主要以孤立的和聚合态的形式存在,没有形成V₂O₅晶相结构。 Ce掺杂改性后,改变了TiO₂载体与钒氧物种间的作用力,Ce掺杂量越大,钒氧物种的还原温度逐渐向高温移动,使得催化剂的氧化还原能力减弱。 Ce改性的TiO₂负载V₂O₅,Ce的改性量对催化剂的酸性质几乎没有影响,但是催化剂的酸性却随着V₂O₅负载量的增大而逐渐减弱。 当Ce和Ti的摩尔比为0.01,V₂O₅的负载量为10%所得催化剂10V/1Ce-TiO₂具有较为适宜的氧化还原性和酸性,在反应温度160 ℃时,甲醇的转化率为39.6%,DMM的选择性高达99.9%。     

基于氧化铈双重纳米酶活性的比率型比色传感器检测对氧磷

基于氧化铈(CeO₂)的类有机磷水解酶和类氧化酶活性发展了一种比率型比色传感方法，实现了对氧磷的灵敏、准确检测。具有类有机磷水解酶活性的CeO₂纳米粒子(CeO₂ NPs)可催化对氧磷水解为对硝基苯酚，其在400 nm处有明显吸收峰，溶液体系由无色变为黄色；Ce O₂还具有类氧化酶活性，催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)氧化为氧化态TMB，在653 nm处有明显吸收峰，溶液由无色变为蓝色。当目标物对氧磷存在时，400 nm处吸光度(A₄₀₀)增高；同时对氧磷抑制其类氧化酶活性，653 nm处吸光度(A653)降低。基于对氧磷加入前后体系A₄₀₀/A653比值的变化，实现了对氧磷的灵敏、准确检测，检出限为0.03μmol/L(S/N=3)。利用本方法检测了韭菜样品中对氧磷的含量，加标回收率在92.0%～99.2%之间。本研究发展了一种基于CeO₂纳米酶双重活性的比率型比色传感检测方法，为食品中对氧磷残留的灵敏检测提供了新策略...