金属载体强相互作用增强Au/TiO2催化剂在3-硝基苯乙烯选择性加氢反应的活性

自Haruta与Hutchings于上世纪八十年代末发现金纳米催化剂优异的反应活性以来,科研人员对金催化的应用领域进行了广泛而深入地研究.对金催化科学和应用领域的研究一直在进行.大量的研究表明,金催化剂在各种选择性氧化反应中具有优异的催化性能(高活性和高选择性).然而,在催化加氢反应中,尽管金催化剂相比于铂族金属显示出优越的选择性,但是由于金催化剂选择性加氢反应的活性较差,使其在选择性催化加氢反应中的应用受到了极大的限制.研究表明,金催化剂较弱的活化氢气能力是其催化加氢反应活性低的主要原因.研究发现,氢气活化的活性中心可能是界面、负价金、低配位的金原子等.金催化剂具有明显的载体效应,金属-载体之间的相互作用能够显著地改变金催化剂的催化性能.Tauster等研究发现,铂族金属与还原性载体之间存在强相互作用,能够引发载体包覆金属表面,并且使得电子从载体向金属迁移,导致金属带负电.受金属-载体强相互作用(SMSI)效应的启发,本文探究了Au/TiO2催化剂中SMSI对金催化剂加氢性能的影响.在H2或O2气氛下高温焙烧Au/TiO2,获得一系列金催化剂(Au/TiO2-TA,T为焙烧温度(oC):300、400、500和600;A为气氛:H2或O2).对比在3-硝基苯乙烯(3-NS)选择性加氢反应中的活性发现,Au/TiO2-500H的TOF值是Au/TiO2-500O的3.3倍;动力学测试表明,Au/TiO2-500H和Au/TiO2-500O的反应表观活化能分别为79.5和105.1 kJ/mol.这表明两类催化剂催化活性中心的结构存在差异.X射线光电子能谱测试结果表明,Au/TiO2-H样品中Au带部分负电,而Au/TiO2-O中Au显示为金属态.HAADF-STEM和EELS显示,Au/TiO2-H中Au NPs的表面有TiOx物种,增加了Au-TiO2的界面.EPR结果表明,Au/TiO2-H中存在表面Ti3+物种,而Au/TiO2-O样品中则没有.为确认加氢反应的活性中心到底是界面还是负价金物种,本文探究了不同温度下氢气处理的Au/TiO2的结构与性能的关系,发现Au/TiO2-300H/400H/500H催化剂都显示出较好的催化3-NS加氢活性,而Au/TiO2-600H虽然具有更多的负价金物种,但是3-NS选择性加氢反应的活性反而降低,因此,负价金不是活性中心.这是因为不同温度处理的Au/TiO2-H样品中,SMSI的强弱不同,在300、400、500 oC下,SMSI能够增加Au-TiO2的界面长度,从而增强了3-NS加氢反应的活性;而温度达到600 oC,SMSI效应太强,Au NPs被包覆更密实,导致Au/TiO2-600H的3-NS选择性加氢反应的活性下降.密度泛函理论计算表明,Au/TiO2-H样品具有更低的H2解离活化能以及氢转移活化能.氢氘交换反应也进一步验证了SMSI有利于H2的活化.     

Au-CuO／TiO2催化剂用于CO2中微量H2的脱除

用沉积沉淀法制备了Au-CuO/TiO2催化剂和Au/TiO2催化剂,考察了沉淀温度、沉淀pH、焙烧温度和Cu/Au摩尔比等制备工艺条件对Au-CuO/TiO2催化剂性能的影响,确定了适宜的催化剂制备工艺条件.结果表明,Au-CuO/TiO2催化剂对CO2中微量H2的脱除具有较好的活性和稳定性.还考察了还原和H2S中毒处理先后的顺序对催化剂H2脱除活性的影响.结果表明,Au/TiO2催化剂基本上不受处理顺序的影响,而H2S处理顺序对Au-CuO/TiO2催化剂的性能有较为明显的影响,这说明还原后的Au-CuO/TiO2催化剂形成了Au-Cu合金。     

TiO2晶型对Au/TiO2上光催化分解臭氧的影响

以不同晶型TiO2为载体,采用沉积-沉淀法制备了Au/TiO2光催化剂,并用紫外-可见漫反射光谱、X射线光电子能谱(XPS)和表面光电压谱(SPS)等手段进行了催化剂表征,详细考察了Ti O2晶型对Au/TiO2光催化分解臭氧活性的影响.结果表明,光催化分解臭氧的活性顺序为Au/P25>Au/Anatase>Au/Rutile,这与不同的单一Ti O2对光催化臭氧分解的活性顺序是一致的.但在TiO2上沉积金后,其对光催化臭氧的分解活性有了显著的提高.由催化剂的Au4fXPS分析发现,不同晶型Ti O2上的电荷向金簇迁移的能力有明显差异,加之载体本身对光催化臭氧分解活性不同,两者协同作用导致负载金催化剂光催化分解臭氧活性的不同.SPS信号强度与催化剂光催化活性有很好的对应关系,SPS信号越强,光生电子和空穴分离效率越高,光催化活性越好.     

La2O3助剂对Au/TiO2催化氧化CO性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了TiO2以及La2O3-TiO2载体, 再用沉积沉淀法制备Au/TiO2和Au/La2O3-TiO2催化剂, 并对催化剂的CO氧化反应活性进行测试. 结果表明, La2O3助剂可以显著提高催化剂催化氧化CO的活性. X射线衍射(XRD)、程序升温脱附(TPD)、N2吸附-脱附(BET)表征结果表明, La2O3助剂不仅提高了催化剂比表面积, 抑制了TiO2晶粒尺寸的长大, 并且增强了TiO2的晶格应变, 在O2气氛吸附过程中主要在TiO2表面形成O-物种. 原位傅立叶变换红外(FT-IR)结果进一步表明, La的掺杂不仅提高了吸附在Au活性位CO的氧化速率, 还使TiO2表面形成第二种活性位, 从而显著提高了催化活性.     

La2O3助剂对Au/TiO2催化氧化CO性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了TiO2以及La2O3-TiO2载体,再用沉积沉淀法制备Au/TiO2和Au/La2O3-TiO2催化剂,并对催化剂的CO氧化反应活性进行测试.结果表明,La2O3助剂可以显著提高催化剂催化氧化CO的活性.X射线衍射(XRD)、程序升温脱附(TPD)、N2吸附-脱附(BET)表征结果表明,La2O3助剂不仅提高了催化剂比表面积,抑制了TiO2晶粒尺寸的长大,并且增强了TiO2的晶格应变,在O2气氛吸附过程中主要在TiO2表面形成O-物种.原位傅立叶变换红外(FT-IR)结果进一步表明,La的掺杂不仅提高了吸附在Au活性位CO的氧化速率,还使TiO2表面形成第二种活性位,从而显著提高了催化活性.     

高热稳定性纳米Au/TiO2催化剂的制备与表征

 采用三嵌段共聚物聚乙醚-聚丙醚-聚乙醚EO20PO70EO20 (P123)为有机模板剂合成了介孔TiO2载体,用沉积-沉淀法制得Au/TiO2催化剂. 运用N2 吸附-脱附、 X射线衍射、 X射线光电子能谱和高分辨电镜技术对催化剂的结构与形貌进行了表征. 采用P123模板剂合成的TiO2具有较均匀的介孔结构,孔径集中在6.1 nm附近,负载金后,其介孔结构保持良好,但孔径下降至5.4 nm. 400 ℃焙烧后,介孔TiO2负载的Au催化剂中Au主要以金属态存在. 负载在三种TiO2载体(介孔TiO2、溶胶-凝胶法合成的TiO2和工业TiO2)上的Au晶粒大小和分散度差异较大,其中介孔TiO2载体更有利于金的分散,以该载体制备的催化剂400 ℃焙烧后金的晶粒尺寸在1～5 nm范围内,催化剂显示了很好的CO氧化活性和抗热稳定性,即使在420 ℃焙烧,其室温下CO的转化率也在90%以上. 而溶胶-凝胶法制备的TiO2和工业TiO2负载的纳米金催化剂中,金晶粒尺寸约为10 nm,催化剂的CO氧化活性和抗热稳定性较差.     

Au/TiO2光催化分解臭氧

 采用沉积-沉淀法制备了Au/TiO2催化剂,用透射电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱和X射线光电子能谱进行了表征,结果表明,样品在空气中于200 ℃处理后,金以金属态Au0的形式沉积在TiO2表面. 与TiO2相比,担载金的TiO2具有明显的光催化分解O3的活性. 黑光灯光照20 h后, 1%Au/TiO2催化剂对O3的分解率仍达98%以上. TiO2上的Au簇作为电子的捕获中心,能够促使电子与空穴的有效分离. 而Au簇和载体TiO2的周界处作为O3新的吸附活性中心,促进了O3的分解.     

金的化学状态对Au／CoCeOx催化剂CO氧化性能的影响

以CoCeOx复合氧化物为载体,采用沉积沉淀法制备了负载型的金催化剂,并通过不同温度的预处理控制Au的化学状态. 使用粉末X射线衍射、高分辨透射电子显微镜、程序升温还原和X射线光电子能谱对催化剂进行了表征,考察了在室温条件下该系列催化剂的一氧化碳氧化性能. 结果表明, Au/CoCeOx催化剂的CO氧化性能与催化剂表面Au 的含量成正比, Au 可能是反应的主要活性物种. 添加水汽对反应有一定的促进作用,但由于Au 不能稳定存在,特别是当催化剂表面Au 的含量过高时,在水汽的作用下Au 迅速发生歧化反应,使得催化剂的性能下降.     

水洗处理对Au/TiO2催化剂光催化活性的影响

以Au(S2O3)3-2为金前驱体, 分别采用水洗(W)和旋蒸(E)工艺制备了Au/TiO2催化剂. 用UV-Vis漫反射光谱(DRS)、X 射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和原子吸收光谱(AAS)对制备的催化剂样品进行了表征, 通过光催化降解甲基橙对催化剂光催化活性进行了评价. 结果表明, 通过水洗处理, 催化剂样品表面形成了具有较好分散性的金纳米粒子(2-5 nm), 而旋蒸工艺制备的样品表面形成一层金的包覆结构. Au/TiO2催化剂的光催化活性与制备工艺密切相关. 在相似的金负载量下, 水洗法制备的样品比旋蒸法制备的样品具有更高的光催化活性.     

不同载体稳定的纳米金催化剂室温催化氧化甲醛研究

甲醛是一种常见的室内空气污染物,人们针对其消除已经做了大量的研究工作.催化氧化法是脱除挥发性有机物的一种重要方法,能在较低温度下通过催化剂作用将甲醛完全氧化为无毒的CO2和H2O.所用催化剂主要为负载型贵金属催
　　化剂和非贵金属催化剂,但只有担载贵金属Pt或Pd的催化剂可在室温下将甲醛完全氧化,而非贵金属一般则需要较高的温度. Au催化剂是近年来催化领域的一个研究热点,但是关于纳米Au催化剂室温消除甲醛的研究较少.本课题组前期研究发现,以可还原性氧化物(CeO2, FeOx)为载体负载的Au催化剂具有优异的室温氧化甲醛活性;并且突破以可还原性载体负载金的传统思路,首次发现“惰性载体”γ-Al2O3,负载的金催化剂在室温、有水条件下具有优异的甲醛氧化活性.本文对比了还原性氧化物(CeO2, FeOx)和非还原性氧化物(Al2O3, SiO2和HSZM-5)载体负载金催化剂,研究了载体氧化还原性质对负载金催化剂在高空速(600000 ml/(g·s))条件下室温催化氧化甲醛的活性和稳定性影响.结果表明,在室温、高空速且相对湿度为50%的条件下, Au/Al2O3催化剂的初活性最高,且较为稳定. Au/SiO2和Au/HZSM-5催化剂的初活性虽然较高,但很快失活.而还原性氧化物载体(CeO2, FeOx)负载的金催化剂初活性较低,但是稳定性较好.通过电镜对负载金催化剂表面Au粒子大小的表征,并将粒子尺寸与负载金催化剂室温氧化甲醛初活性相关联,它与催化氧化甲醛反应速率成线性关系. Au粒子尺寸较小的催化剂(Au/Al2O3和Au/SiO2),在高空速条件下具有更高的氧化甲醛活性,而Au粒子尺寸较大的Au/FeOx催化剂活性较差.载体的氧化还原性质虽然不直接影响Au催化剂初活性,但直接影响催化剂稳定性.由于Au与SiO2或HZSM-5载体的相互作用较弱,导致反应过程中Au粒子聚集长大,使其失活较快;而Au/Al2O3催化剂表面则富含羟基物种,能够与Au形成配体或产生锚定作用,因此反应过程中金粒子没有明显长大.而表面中间物种的沉积并覆盖活性位是负载金催化剂缓慢失活的主要原因.     

Au/TiO2薄膜的制备及其光催化氧化对硝基苯酚的性能

 采用溶胶-凝胶法制备了掺杂Au的TiO2薄膜,考察了其光催化氧化对硝基苯酚的活性,并采用原子力显微镜、 X射线光电子能谱、热重-差示量热扫描和X射线衍射技术对薄膜进行了表征. 结果表明, Au/TiO2薄膜主要含有Ti, O, Au和C元素,其中Au主要以0价形式存在. 经高温焙烧后薄膜中的Au向表面聚集,随着焙烧温度的升高,薄膜表面逐渐变得粗糙,颗粒逐渐变大,薄膜的光催化活性下降. 与纯TiO2薄膜相比,掺杂Au的TiO2薄膜的光催化活性有所提高, 在673 K下焙烧的Au/TiO2薄膜的光催化活性较好,反应1 h后对硝基苯酚的降解率可以达到51.4%.     

双金属核壳结构负载型Au@Ag/TiO2催化剂的制备及表征

利用溶胶法制备了Au核Ag壳(Au@Ag)结构复合纳米粒子,用粉末-溶胶法和水热合成法使其负载于TiO₂纳米粒子上,利用紫外-可见吸收光谱﹑X射线粉末衍射﹑透射电子显微镜对复合结构材料进行了结构表征,并对其光催化消除臭氧的性能进行了研究。结果表明,制备方法、Au/Ag化学计量比及金属负载量等对光催化消除臭氧的活性均有很大影响。采用粉末-溶胶法制备的1%-Au@Ag/TiO₂(n_Au/n_Ag=1∶3)催化剂,由于TiO₂表面沉积的Au@Ag金属颗粒尺寸小且分散度高,而且1%的金属担载量有利于光生电子空穴的有效分离,光催化消除臭氧的活性最高。     

Au/TiO2的制备及其光催化氧化丙烯的研究

采用浸渍法制备了Au/TiO2光催化剂,使用X射线能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)对样品进行了表征.结果表明,Au颗粒的尺度约为4—6nm;Au4f7/2的结合能为83.3eV,与Au0的标准峰位(84.0eV)相比,向低结合能方向移动了0.7eV,使其表现出俘获电子的特性.以丙烯的光催化氧化为指标反应,对制备的Au/TiO2的活性进行了评价,结果显示,Au/TiO2的光催化活性明显高于单一TiO2的,且当Au的担载量在0.1—5.0%范围内变化时,催化活性随着担载量的增加而显著增加.     

Effect of Cl− anions on photocatalytic decomposition of gaseous ozone over Au @ Ag/TiO2 catalyst

Au core Ag shell composite structure nanoparticles were prepared using a sol method. The Au core Ag shell composite nanoparticles were loaded on TiO₂ nanoparticles as support using a modified powder–sol method, enabling the generation of Au @ Ag/TiO₂ photocatalysts for photocatalytic decomposition and elimination of ozone. The sols were characterized by means of ultraviolet–visible light (UV–Vis) reflection spectrometry, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and transmission electron microscopy (TEM). The activity of the Au @ Ag/TiO₂ photocatalysts for photocatalytic decomposition and elimination of ozone was evaluated and the effect of Cl^? anions on the photocatalytic activity of the catalysts was highlighted. Results showed that Au @ Ag/TiO₂ prepared via the modified powder–sol route in the presence of an appropriate amount of NaCl solid as demulsifier had better activity in the photocatalytic decomposition and elimination of ozone. At the same time, Au @ Ag/TiO₂ catalysts had better ability to resist poisonous Cl^? anions than conventional Au/TiO₂ catalyst. The reasons could be, first, that NaCl was capable of reducing the concentration of free Ag⁺ by adsorption on the surface of Ag particles forming AgCl and enhancing the formation of Au core Ag shell particles, leading to a better resistance to Cl^? anions of the catalysts, and, second, AgCl took part in the photocatalytic decomposition of ozone together with Au @ Ag/TiO₂ catalysts and had a synergistic effect on the latter, resulting in better photocatalytic activity of Au @ Ag/TiO₂ catalysts.     

AgBr/TiO2复合催化剂:双注法制备及其可见光催化性能

以TiO₂为载体,采用双注法合成了AgBr/TiO₂复合光催化剂.利用X射线衍射仪(XRD)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)和扫描电子显微镜(SEM)对AgBr/TiO₂的结构、光吸收、形貌进行了表征.研究了AgBr/TiO₂在可见光下对甲基橙和丁基罗丹明B的光催化活性.结果表明,与TiO₂相比,AgBr/TiO₂的光吸收范围拓展到400—600nm波段,并且随着AgBr负载量的增加,AgBr/TiO₂的可见光吸收强度增强;当AgBr与TiO₂的摩尔比为0.25时,AgBr/TiO₂具有最大催化活性;在相同条件下,AgBr/TiO₂对丁基罗丹明B的降解效果优于甲基橙.     

TiO2/海泡石负载型催化剂的制备及其光催化活性

采用混合焙烧方法,制得TiO2/海泡石负载型催化剂,研究了在该催化剂催化作用下,水溶液中邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的光催化降解行为.结果表明:催化剂的用量和TiO2的负载量对光催化降解速率都有影响.对于负载型催化剂,TiO2的负载量对其催化活性及DEP的降解速率有较大影响.当使用A101/海泡石催化剂,用量为2 g/L和4 g/L时,TiO2负载量的较佳值均为5%.并对负载型催化剂的形貌及晶型进行了X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析.     

金属离子掺杂的TiO2薄膜的制备及其光催化降解甲苯的性能

 采用溶胶-凝胶法制备了负载于铝板上掺杂金属离子的TiO2薄膜光催化剂,并通过空气中甲苯光催化降解实验评价了其光催化活性. 结果表明,Pt和Fe的掺杂对TiO2薄膜的光催化活性起促进作用,甲苯降解率分别提高了17%和6%; Ag的掺杂引起催化剂失活; Mn的掺杂未对TiO2薄膜的光催化活性起明显促进作用. XRD结果表明,掺杂金属离子前后TiO2均为锐钛矿相; TEM观察到薄膜催化剂微观结构为球形颗粒,粒径分布均匀,平均粒径为19 nm; 紫外漫反射光谱表明,Pt-TiO2薄膜催化剂的反射率几乎为0,表明其对光的吸收能力很强,因而Pt掺杂的TiO2薄膜光催化降解甲苯的活性最高.     

Improved photocatalytic activity of TiO_2 produced by an alcohothermal approach through in-situ decomposition of NH_4HCO_3

High crystallinity of TiO_2 was prepared by a modified alcohothermal method, in which titanium isopropoxide was used as the titania precursor, absolute ethanol as the reaction medium, and NH_4HCO_3 as the raw materials for release of water, ammonia and carbon dioxides via in-situ decomposition. The X-ray powder diffraction(XRD) and transmission electron microscope(TEM) measurements showed that water and ammonia from the in-situ decomposition of NH_4HCO_3 played an important role in conducting the size, shape, crystallinity and microstructure of TiO_2. The photoluminescence spectroscopy and photocurrent measurements indicated that enhanced crystallinity could hinder the recombination and promote the separation of electron-hole pairs in TiO_2, which contribute to the improvement of photocatalytic activity.Methyl orange photodegradation under UV light confirmed that high crystallinity of TiO_2 did present a high photocatalytic activity due to the effective separation of photoinduced charges.     

Ag/TiO2聚丙烯负载膜的制备及其光催化与抗菌特性研究

以聚丙烯负载二氧化钛膜为载体,在一定浓度的AgNO3水溶液中,利用光还原在氧化钛膜表面还原Ag,制备载银二氧化钛负载膜,在室光和太阳光下,分别选择Ag/TiO2聚丙烯膜、TiO2聚丙烯膜和活性炭聚丙烯膜,研究膜的抗菌特性和光催化特性.结果表明:Ag/TiO2负载膜由于同时具有Ag和TiO2的双重效用,显示了良好的杀菌特性,无论是在室内还是太阳光下,都没有检测到活的微生物;在水溶液中检测Ag/TiO2负载膜和TiO2负载膜的光催化特性,发现由于银离子的催化活性中心的作用,光催化降解甲基橙的能力与TiO2负载膜相比,能够提高10%左右,显示了良好的光化学特性.