纳米二氧化铈催化制备亚胺

近年来,金属氧化物的晶面效应及其独特的催化性能引起研究者的广泛关注.其中,二氧化铈(CeO2)因具有储放氧性质、易于形成氧空位等特点,在诸多领域得到应用,尤其是作为催化剂,可用作活性相、载体、复合催化材料等. CeO2的晶面效应主要由于晶面上氧空位的性质引起的.目前,这方面的研究主要集中在高温条件下氧空位的动态转化过程,如水汽变换反应、有机物脱除等.但是高温下CeO2中氧空位的活泼性,增加了晶面效应的复杂性.因此,利用低温液相有机反应作为探针,研究晶面效应是一种可靠的解决方案.我们近些年的工作研究了CeO2不同晶面上的酸性及催化水解性能,在本研究中,我们提出在温和条件下, 采用有机探针反应,研究不同晶面的氧化还原性质.亚胺类化合物作为一类重要的含氮有机中间体,在生物、农药、医药等领域中具有重要应用.传统的亚胺合成方法是将醛类化合物或酮类化合物与胺类在酸催化剂的作用下直接缩合.近年来出现了新的亚胺合成方法,例如通过胺类氧化脱氢、炔烃的氢胺化、醇胺脱氢/氧化偶联等,其中醇胺脱氢/氧化偶联的方法因具有原料廉价易得、过程清洁等优点,而成为研究热点.最近, Masazumi Tamura等研究发现CeO2能够在温和条件下高效催化醇胺氧化偶联制亚胺,通过一系列表征发现CeO2的高活性主要由于其氧空位中存在丰富的活性氧物种.然而, CeO2的晶面效应及其在此反应中的催化性能,以及不同晶面上的氧化还原性质还有待进一步的研究.本文研究了CeO2的晶面效应及其在醇胺氧化偶联制亚胺反应中的催化性能.在温和的反应条件下(60 oC), CeO2能够高效催化苯甲醇与苯胺反应制备亚胺,并且对底物具有很好的普适性,在催化一系列醇与胺氧化偶联制亚胺的反应中,对于大部分底物,醇类化合物的转化率可达89%以上,亚胺类化合物的选择性可达90%以上.通过水热合成法分别制备了棒状CeO2、立方体CeO2和八面体CeO2,并通过X射线衍射、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜确证了其结构和形貌,结果表明三种形貌的CeO2均为纯相的CeO2,其中棒状CeO2暴露(110)和(100)晶面,立方体CeO2暴露(100)晶面,八面体CeO2暴露(111)晶面.并以苯甲醇氧化反应和苯甲醇与苯胺反应为探针研究了其催化性能.结果发现：不同形貌的CeO2具有显著不同的催化活性,其中棒状CeO2表现出最优异的催化性能,立方体CeO2和八面体CeO2次之.通过Raman光谱表征了不同形貌CeO2的氧空位性质并比较了它们的氧空位浓度.结果发现：棒状CeO2的氧空位浓度相对值(A595/A462)为0.077,高于立方体CeO2和八面体CeO2.通过比较分析计算可知,在CeO2(110),(100)和(111)三种晶面中,(110)晶面因其具有最多的氧空位而表现出最高的催化活性和优异的氧化还原性质,(110)晶面上亚胺的生成速率为4.618 mmol/(g·h),分别为(100)晶面和(111)晶面上的32倍和49倍.该研究有助于提高认识CeO2基催化材料的低温氧化还原性质.     

CO氧化反应中的二氧化铈晶面效应

二氧化铈(CeO2)因其具有较强的储放氧能力,被用作氧化还原反应的催化材料.自2005年,研究者制备出形貌可控的CeO2纳米棒、纳米立方块和纳米多面体,在CeO2形貌控制及构效关系研究方面取得长足发展.各种结构表征手段包括原位拉曼(in situ Raman)、原位傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFTS)、核磁共振(NMR)和电镜等被用来研究不同形貌CeO2的表面结构和在催化反应中的活性差异.一般的活性规律为CeO2纳米棒({110}/{100})>纳米立方块({100})>纳米多面体({111}/{100}).近年来,负载型CeO2催化剂因其能稳定分散金属,通过金属-载体相互作用调控界面电子结构并表现出优异的催化活性而引起广泛关注,其中晶面效应在负载型CeO2催化体系中显得较为复杂.铜铈催化剂被认为是非常经济有效的CO氧化催化剂,然而由于制备和测试条件差异导致的CeO2晶面对铜铈催化剂催化CO氧化活性的影响规律并不统一.我们之前的研究工作发现纳米棒CeO2-{110}晶面上的Cu-[Ox]-Ce结构不利于形成Cu((40)),而纳米颗粒CeO2-{111}晶面上的CuOx团簇很容易形成Cu((40)),从而对CO催化氧化极为有利,这与纯载体CeO2的规律并不一致.与此同时,对于铜负载的CeO2纳米棒(NR)及纳米立方体(NC)所体现的性质及活性差异缺少系统深入的研究.在上述工作基础上,我们采用沉积沉淀法在CeO2 NR及CeO2 NC上负载1%wt的铜分别得到1Cu CeNR和1Cu CeNC,并对所合成催化剂的结构和吸附性能进行了表征.高分辨透射电镜(HRTEM)照片显示,CeO2纳米棒主要暴露{110}晶面,而CeO2纳米立方体以{100}晶面为主.催化测试结果表明,1Cu CeNC在130℃时CO已完全转化为CO2,而相同温度下1Cu Ce NR只有50%转化.进一步通过氢气程序升温还原(H2-TPR)和一氧化碳程序升温脱附(CO-TPD)分析发现, 1Cu Ce NC催化剂具有较强的还原性且表面氧物种含量高.此外, X射线光电子能谱(XPS)和in situ DRIFTS研究表明, 1Cu Ce NC促进Cu((40))位点生成,导致活性Cu((40))-CO物种增多,这些优异的化学性质导致其具有较高的催化CO氧化活性.     

前驱体CeOHCO3的结构对CeO2催化性能的影响（英文）

以尿素替代水为溶剂,采用改良的尿素水解法制备不同结构的CeOHCO3和CeO2,并运用N2吸附-脱附、X射线衍射、H2程序升温还原、O2程序升温脱附、X射线光电子能谱、扫描电镜及甲烷燃烧反应对CeO2催化剂进行表征和催化性能测试.结果表明,CeO2催化性能和前驱体CeOHCO3的晶相结构(六方相或八面体相)存在直接关系.与以八面体为前驱体制得的颗粒状CeO2相比,以六方相为前驱体制得的棒状CeO2具有比表面积大、氧化还原能力强、表面氧空缺浓度高以及催化甲烷燃烧活性高的特点.     

钯纳米晶体在电催化甲酸氧化反应中的形貌效应

本文基于课题组前期工作,选用适当的金属前驱物、还原剂、稳定剂和保护剂,通过调控氧化刻蚀和反应动力学等,成功合成了形貌和尺寸均不相同的Pd纳米晶.经过认真的纳米粒子清洗和电极修饰组装,考察了它们在电催化甲酸氧化反应中的形貌与性能的关系.研究结果表明,Pd纳米晶样品的最大电流密度以纳米八面体（nanooctahedra）、纳米线（nanowires）、纳米立方体（nanocubes）、纳米瓜子（nanotapers）、凹面纳米立方体（concave nanocubes）的顺序递增,催化甲酸氧化反应的起始氧化电位均小于0.2V.研究结果印证了Pd纳米晶催化甲酸氧化反应的催化性能在尺寸效应上主要受活性表面积的影响,扣除表面积效应后的催化性能与其尺寸没有明确关系.该系列Pd纳米晶的催化性能主要取决于其表面结构,得出Pd纳米晶催化甲酸氧化反应遵循{111}晶面〈{100}晶面〈高指数晶面的性能活性顺序.综合最大电流密度和最小操作电位因素发现,Pd凹面纳米立方体和Pd纳米瓜子具有相对较好的商用价值.     

CeO2(100)极性面结构与活性的密度泛函理论研究

CeO2是一类使用非常广泛的稀土氧化物催化材料,在许多重要的催化反应过程,如机动车尾气净化、水汽转换、石油裂解等,表现出很高的活性.大量研究表明,CeO2的高活性来源于其表面晶格氧,正是由于这些晶格氧能够直接参与氧化反应,同时反应留下的氧空位又能够被气相氧分子吸附填补,因而体现出很好的储放氧催化性能.目前多数研究采用CO氧化为模型反应,研究了CeO2常见的(111)和(110)晶面的晶格氧活性,但对于其另外一种重要低指数晶面(100)的结构和活性研究却非常有限.需要指出的是,CeO2(100)是一种极性表面,这给该表面的模型构建和理论研究带来了困难.为了深入了解这种极性表面的结构稳定性和催化活性,本文运用在位库仑力校正的密度泛函理论(DFT+U)方法系统研究了CeO2(100)极性面的可能结构及相关稳定性,并且深入分析了CO在该表面上的吸附和反应.本文首先利用板层模型尝试构建稳定的CeO2(100)极性面结构,方法是在保证整个板层化学计量配比完整的前提下,在表层或体相去除氧原子,同时使得整个板层上下对称不存在极性以利于计算.通过计算发现,在CeO2(100)表层分布氧空位的结构比体相中分布氧空位的结构要稳定,同时,氧空位的分布越接近表面,CeO2(100)面的结构稳定性就会越高,其最稳定的结构是将表层满覆盖氧离子移除一半.对CeO2(100)面不同结构的稳定性及相关电子结构分析表明,CeO2(100)表层满覆盖的氧离子间存在很强的相互排斥作用,因此倾向于降低表面氧浓度来提高表面的稳定性.另外,这种相互作用会降低相邻氧离子的价态,并能引起体相铈离子在整体表面维持完整的化学计量比的情况下,仍能出现局域4?电子而被还原为三价铈.随后我们研究了CO在CeO2(100)最稳定和次稳定表面上的氧化反应.发现CO在不同CeO2(100)表面的氧空位处吸附较强,另外,CO在CeO2(100)最稳定结构上可与表面晶格氧反应形成吸附的CO2中间物种,中间物种可直接解离成气相CO2,也可以继续与表面晶格氧反应形成碳酸盐.而在CeO2(100)次稳定表面上,CO很难与表面晶格氧形成吸附的CO2中间态,而直接产生气态CO2.     

CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化

采用密度泛函理论计算了CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化反应行为. 结果表明, O2在洁净的CeO2(111)表面为弱物理吸附, 而在氧空位表面是强化学吸附, 且O2分子活化程度较大, O—O键长为0.143 nm. CO在CeO2(111)表面吸附行为的研究表明, CO在洁净表面及氧空位表面上为物理吸附, 吸附能均小于0.42 eV; 当表面氧空位吸附O2后, CO可吸附生成二齿碳酸盐中间体或直接生成CO2, 与原位红外光谱结果相一致. 表面碳酸盐物种脱附生成CO2的能垒仅为0.28 eV. 计算结果表明, 当CeO2表面存在氧空位时, Hubbard参数U对CO吸附能有一定的影响. CeO2载体在氧化反应中可能的催化作用为, 在氧气氛下, CeO2表面氧空位吸附O2分子, 形成活性氧物种, 参与CO催化氧化反应.     

氧化铈形貌对Pd纳米粒子分散的影响

氧化铈由于在氧化和还原气氛下具有快速Ce4+/Ce3+氧化还原循环作用,使其具有优异的储放氧能力,不仅可以分散和稳定金属粒子,还可在界面处与金属物种发生化学键合,并形成活性位点,因此已被广泛应用于多个催化反应体系,且表现出显著的形貌效应.通过对氧化铈形貌进行调控,使其暴露特定(111)、(110)和(100)晶面,已成为调节金属-氧化铈相互作用强度及金属物种电子、几何结构,提高催化性能的有效策略,但对其机制及活性位结构还没有清晰的认识.我们以氧化铈纳米粒子和纳米立方体为载体,其中氧化铈立方体平均尺寸为23 nm,主要暴露6个{100}晶面,边缘和截角暴露少量{110}及{111}晶面;球形氧化铈纳米粒子平均尺寸为11 nm,主要暴露{111}晶面;并进一步将2.0 wt％Pd物种分散在氧化铈立方体和球形纳米粒子上,通过扫描透射电子显微镜(STEM)和X射线光电子能谱(XPS)等研究了钯物种在氧化铈球形粒子和立方体上的原子结构和化学环境,进而分析了纳米结构氧化铈形貌对钯物种分散的影响.在球形氧化铈纳米粒子上主要形成了平均尺寸为2.0 nm的非晶态Pd纳米粒子以及极小的Pd物种,这主要是因为球形氧化铈纳米粒子上丰富的表面氧空位可通过Pd-CeO2强相互作用和Pd物种紧密键合.氧化铈立方体上的晶态Pd粒子尺寸为2.9 nm,金属与载体之间具有明显的界面,且Pd原子嵌入到氧化铈晶格中.同时,CO化学吸附测试也证明了氧化铈球形粒子上的钯分散度(70％)高于氧化铈立方体(52％).对于甲烷燃烧反应,主要涉及发生在金属粒子表面的PdO/Pd氧化还原循环,即Pd被O2氧化,PdO被CH4还原,富氧条件下决速步骤是PdO对CH4中C?H的活化,因此氧化铈立方体表面大尺寸的晶态Pd粒子被氧化后更容易被CH4还原,有利于PdO/Pd氧化还原循环,从而具有更高的活性和稳定性;然而在CO氧化反应中Pd/CeO2却呈现了相反的形貌效应,这是由于该反应遵循Mars-van Krevelen机理:CO吸附在金属Pd上,化学吸附的CO移动到钯-氧化铈界面,被氧化铈晶格氧氧化成CO2,产生的氧空位被表面氧补充,最后表面氧空位被气相氧补充;由于氧化铈球形粒子上的较小尺寸Pd具有更大的钯-氧化铈界面周长和更强的氧物种移动性,更易完成界面处的氧化还原循环,因此具有更高的CO氧化活性.     

从头开始理解形貌依赖的CuOx-CeO2相互作用

CuOx/CeO2催化剂在CO氧化反应中表现出高催化活性和显著结构敏感性.文献报道中CuOx/CeO2催化剂体系的合成条件差异较大,从而导致观察到的CuOx-CeO2相互作用存在较大争议.因此,系统研究并阐明CuOx/CeO2催化剂中CuOx-CeO2相互作用对于理解复杂的CuOx-CeO2界面催化作用具有重要的研究意义.近期发现,氧化物纳米晶的形貌可作为一种新的结构参数,在不改变氧化物催化剂组成的条件下实现其结构和性能的调控.本文以不同形貌CeO2纳米晶为载体,包括优先暴露{110}+{100}晶面的CeO2纳米棒、优先暴露{100}晶面的CeO2纳米立方体和优先暴露{111}晶面的CeO2纳米多面体,采用等体积浸渍方法合成了Cu担载量为0.025%~5%的CuOx/CeO2纳米晶催化剂,结合谱学和电镜表征方法,以及CO吸附原位红外光谱,系统研究了CuOx物种在不同形貌CeO2纳米晶上的结构演化及其催化CO氧化的构-效关系.结构表征结果表明, CuOx物种结构不仅依赖于Cu的担载量,也依赖于载体CeO2的形貌.随着Cu担载量的增加, CuOx物种优先沉积在CeO2的表面缺陷位,然后聚集和长大;同时伴随着CuOx物种从孤立Cu离子到与载体强/弱相互作用的CuOx团簇,高分散Cu O颗粒和大尺寸Cu O颗粒.孤立Cu^+离子和与载体弱相互作用CuOx团簇主要形成于CeO2纳米立方体的表面,这可能与CeO2纳米立方体暴露的氧终止CeO2{100}晶面相关.CO吸附原位红外结果表明, CuOx团簇与不同CeO2表面相互作用的强度顺序为:CeO2纳米棒暴露的{110}面>CeO2纳米多面体暴露的{111}面>CeO2纳米立方体暴露的{100}面.CeO2纳米立方体与Cu2+离子间相互作用弱于与Cu^+之间的,因此CeO2纳米立方体负载的CuOx物种在CO还原过程中容易停留在稳定的Cu^+中间物种;而CeO2纳米棒与Cu2+离子之间的相互作用强于与Cu^+之间的相互作用,因此CeO2纳米棒负载的CuOx物种在CO还原过程中容易形成金属铜.因此CO吸附原位红外光谱观察到CeO2纳米立方体负载CuOx催化剂中吸附在Cu^+的CO物种远远多于CeO2纳米棒负载CuOx催化剂.CO氧化反应结果表明, CuOx/CeO2催化剂表现出同时依赖于CuOx物种结构和CeO2形貌的结构敏感性.CuOx/CeO2催化剂活性表现出与CuOx/CeO2催化剂的CO还原性能的正相关性,说明中CuOx/CeO2催化CO氧化反应遵循Mv K反应机理.这些结果系统地关联了CeO2形貌, CuOx-CeO2相互作用, CuOx物种结构和CeO2还原性能, CuOx/CeO2催化CO氧化反应活性.     

蝴蝶型双核铜配合物催化氧化合成亚胺的研究（英文）

无论是在实验室还是工业生产中,通过胺的选择性氧化制备亚胺类化合物都具有重要的意义.秉承原子经济性、环境友好的理念,以蝴蝶型络合物Cu_2(ophen)_2为催化剂,实现了需氧型的胺的选择性氧化.值得注意的是,该催化体系对醇与胺的氧化交叉偶联、一级胺的氧化偶联和二级胺的氧化脱氢反应都是有效的.反应产率高达93%,亚胺的选择性高达99%.在反应体系中,避免了昂贵的氮氧自由基类化合物的使用,使得该体系更具有潜在的实际应用价值.     

过渡金属掺杂铈中晶格氧的活化

采用密度泛函理论计算研究了在铈表面掺杂的过渡金属(TM)离子对表面晶格氧原子活化的影响.为此,测定了经TM离子修饰的CeO2最稳定(111)表面终端的结构和稳定性.除了保持八面体氧配位的锆和铂掺杂剂外, TM掺杂剂在取代表面Ce离子时更倾向于正方形平面配位.除了Pt(1.14 eV)和Zr(正方形平面配位不稳定)外,所有TM掺杂剂的表面结构从八面体到正方形平面都很容易.通常,四价TM阳离子的离子半径比Ce^4+的小得多,从而导致了显著的拉伸应变晶格,并解释了氧空位形成能量的降低.除Zr外,当产生一个氧空位时,优先形成正方形平面结构.热力学分析表明, TM掺杂CeO2表面在典型环境催化条件下存在氧缺陷.一个具有实际意义的例子是锆掺杂CeO2(111)中的晶格氧容易活化,从而有利于CO氧化.研究结果强调了晶格氧活化的本质和TM掺杂剂在TM-铈固溶催化剂中的优选位置.     

Mg-V-O 催化剂在环己烷氧化脱氢反应中的双晶相间协同效应

 在机械混合的 MgO-Mg3(VO4)2, Mg3(VO4)2-Mg2V2O7 和 V2O5-MgV2O6 双晶相催化剂体系上, 研究了晶相间协同催化效应对环己烷氧化脱氢反应性能的影响. 催化剂表征和反应结果表明, 双晶相间协同效应或源于不同晶相间形成的内聚界面, 或遵从溢流氧的遥控机理, 或产生于其中一个晶相完全包覆整个催化剂表面. 当在 Mg3(VO4)2 上进行环己烷氧化脱氢反应时, 可加入适量 MgO 或 Mg2V2O7 以提高其催化性能. 在 80%Mg3(VO4)2-20%Mg2V2O7 催化剂上, 当环己烷转化率为 15.5% 时, 环己烯选择性达 44.9%.     

氧化镧表面反应性对甲烷和氧分子活化的影响

以氧化镧催化剂在甲烷氧化偶联(OCM)反应中的结构敏感性实验研究为基础, 采用周期性密度泛函理论(DFT)计算研究氧化镧(001), (110)和(100)3个晶面及OCM反应物分子甲烷和氧在其上的吸附、 活化和解离. 结果表明, 氧化镧(001), (110)和(100)3个晶面的表面能大小顺序为(110)>(100)>(001), 3个晶面的价带和导带间隙大小顺序为(110)<(100)<(001), 即(001)是3个晶面中最稳定的晶面, 而(110)则是最活泼的晶面. 甲烷分子在氧化镧(001), (110)和(100)晶面上的吸附很弱(0.03 eV), H—CH₃解离吸附能分别为2.16, 0.68和0.90 eV, 解离反应的难易性与晶面的活性顺序一致; 而氧分子在氧化镧(001), (110)和(100)晶面上的分子吸附能分别为-0.04, -0.31和-0.12 eV, 解离吸附能分别为1.22, 0.53和1.52 eV, 即氧化镧晶面结构对氧分子吸附具有明显的影响, 其中, (001)晶面上吸附最弱, (110)晶面上吸附最强, 以致O—O在(110)晶面上可以较低能垒(0.53 eV)解离, 形成亲电的过氧物种. 由于氧分子在氧化镧表面的吸附较甲烷分子强, 因此, 氧化镧在OCM反应中结构敏感性应与氧分子的吸附和活化密切相关. 甲烷和氧分子在氧化镧表面上活化的本质源自于电子自表面流向甲烷和氧分子的反键轨道, 且表面结构的改变会导致不同强度的电子流动驱动.     

Co3O4纳米晶表面晶格氧催化氧化CO的理论研究

近年来,纳米科学技术的迅速发展给催化领域,特别是多相催化带来了新的机遇和挑战.科学家们开始着眼于在纳米尺度上对催化剂结构和催化性能进行表征、控制和设计.Co3O4作为一种重要的半导体金属氧化物材料,由于其优异的氧化还原性质,在锂电池、气体传感器以及多相催化领域得到了十分广泛的应用.最近,研究者发现Co3O4纳米晶在催化CO低温氧化和CH4活化等一系列重要反应中表现出显著的反应活性和晶面效应,表明有效设计和合成特定的高活性、高选择性的纳米晶面,对催化领域的发展将具有十分重要的意义.因而,从原子层面对纳米晶所表现出的这种高活性和晶面效应进行深入解释,将为高效催化剂设计提供重要指导.低温CO氧化作为一种重要的催化反应在燃料电池、空气净化与汽车尾气处理中具有重要的应用价值.本文采用密度泛函理论对Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的机理、晶面效应以及结构敏感性进行了理论研究.首先,研究了CO在Co3O4(001)和(011)表面Co,CoOo和Co-Ot三种不同位点的吸附扩散行为,发现CO在Co位点表现出较强的吸附行为,但这种吸附构型需要克服很高的能垒(～1 eV)才能转变到Co-O离子对位点,在低温下这种转变将不可能发生,因此我们推断CO在Co位点的吸附对Co3O4催化CO氧化的晶面效应没有显著影响.接着,对CO在Co-O离子对位点抽提晶格氧生成CO2的反应机理进行了研究.我们发现,(011)表面Co-Ot位点可以较强地吸附CO(吸附能-1.15 eV),并十分容易夺取晶格氧离子(能垒0.26 eV),具有很低的势能面,因而其CO氧化活性明显大于(001)面.为了更清楚地理解这种晶面效应和结构敏感效应的本质,我们提出将CO2形成步的过渡态在反应路径上的能级作为反应活性指标.这种活性指标兼顾考虑了CO在Co-O氧位点的吸附覆盖度和CO2形成步的反应能垒,可以近似理解为反应的表观活化能.据此我们得出,Co3O4不同表面不同品格位点催化CO氧化的反应活性顺序为:(011)-Co-Ot＞＞(001)-Co-Oo＞(011)-Co-Oo＞(001)-Co-Ot.由于CO吸附和CO2形成步都涉及到表面被还原的过程,我们因此发现CO催化氧化活性的高低与表面晶格氧位点的可还原性具有正相关性.这种表面不同位点的还原性可以直接通过对空穴形成能的计算获得,降低表面氧空穴的生成能将有利于提高CO氧化的活性.催化设计的终极目标是在对催化活性位点的本质及反应机理深入认识的基础上在原子层面上对催化剂进行可控设计,从而实现催化剂材料的高效、经济的利用.本文研究表明离子对活性位点是Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的活性位点,其中阳离子负责对CO的吸附,阴离子则负责CO2的形成过程,这种协同作用实现了Co3O4纳米晶的高反应活性.我们相信,寻找有效的方法在催化剂表面增加离子对位点活性中心的数目是一种实现高性能催化剂设计的途径.     

Co_3O_4纳米晶表面晶格氧催化氧化CO的理论研究（英文）

近年来,纳米科学技术的迅速发展给催化领域,特别是多相催化带来了新的机遇和挑战.科学家们开始着眼于在纳米尺度上对催化剂结构和催化性能进行表征、控制和设计Co_3O_4作为一种重要的半导体金属氧化物材料,由于其优异的氧化还原性质、在锂电池、气体传感器以及多相催化领域得到了十分广泛的应用.最近,研究者发现Co_3O_4纳米晶在催化CO低温氧化和CH_4活化等一系列重要反应中表现出显著的反应活性和晶面效应,表明有效设计和合成特定的高活性、高选择性的纳米晶面,对催化领域的发展将具有十分重要的意义.因而,从原子层面对纳米晶所表现出的这种高活性和晶面效应进行深入解释,将为高效催化剂设计提供重要指导.低温CO氧化作为一种重要的催化反应在燃料电池、空气净化与汽车尾气处理中具有重要的应用价值,本文采用密度泛函理论对Co_3O_4纳米晶催化CO氧化反应的机理、晶面效应以及结构敏感性进行了理论研究.首先,研究了CO在Co_3O_4(001)和(011)表面Co,Co-O°和Co-O~t三种不同位点的吸附扩散行为,发现CO在Co位点表现出较强的吸附行为,但这种吸附构型需要克服很高的能垒(~1eV)才能转变到Co-O离子对位点,在低温下这种转变将不可能发生,因此我们推断CO在Co位点的吸附对Co_3O_4催化CO氧化的晶面效应没有显著影响.接着,对CO在Co-O离子对位点抽提晶格氧生成CO_2的反应机理进行了研究.我们发现(011)表面Co-O~t位点可以较强地吸附CO(吸附能-1.15 eV),并十分容易夺取晶格氧离子(能垒0.26eV),具有很低的势能面,因而其CO氧化活性明显大于(001)面.为了更清楚地理解这种晶面效应和结构敏感效应的本质,我们提出将CO_2形成步的过渡态在反应路径上的能级作为反应活性指标.这种活性指标兼顾考虑了CO在Co-O氧位点的吸附覆盖度和CO_2形成步的反应能垒,可以近似理解为反应的表观活化能.据此我们得出,Co_3O_4不同表面不同晶格位点催化CO氧化的反应活性顺序为:(011)-Co-O~t(001)-Co-O°(011)-Co-O°(001)-Co-O~t.由于CO吸附和CO_2形成步都涉及到表面被还原的过程,我们因此发现CO催化氧化活性的高低与表面晶格氧位点的可还原性具有正相关性.这种表面不同位点的还原性可以直接通过对空穴形成能的计算获得,降低表面氧空穴的生成能将有利于提高CO氧化的活性.催化设计的终极目标是在对催化活性位点的本质及反应机理深入认识的基础上在原子层面上对催化剂进行可控设计,从而实现催化剂材料的高效、经济的利用.本文研究表明离子对活性位点是Co_3O_4纳米晶催化CO氧化反应的活性位点,其中阳离子负责对CO的吸附,阴离子则负责CO_2的形成过程,这种协同作用实现了Co_3O_4纳米晶的高反应活性.我们相信,寻找有效的方法在催化剂表面增加离子对位点活性中心的数目是一种实现高性能催化剂设计的途径.     

CO氧化反应中的二氧化铈晶面效应（英文）

二氧化铈(CeO_2)因其具有较强的储放氧能力,被用作氧化还原反应的催化材料.自2005年,研究者制备出形貌可控的CeO_2纳米棒、纳米立方块和纳米多面体,在CeO_2形貌控制及构效关系研究方面取得长足发展.各种结构表征手段包括原位拉曼(in situ Raman)、原位傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFTS)、核磁共振(NMR)和电镜等被用来研究不同形貌CeO_2的表面结构和在催化反应中的活性差异.一般的活性规律为CeO_2纳米棒({110}/{100})纳米立方块({100})纳米多面体({111}/{100}).近年来,负载型CeO_2催化剂因其能稳定分散金属,通过金属-载体相互作用调控界面电子结构并表现出优异的催化活性而引起广泛关注,其中晶面效应在负载型CeO_2催化体系中显得较为复杂.铜铈催化剂被认为是非常经济有效的CO氧化催化剂,然而由于制备和测试条件差异导致的CeO_2晶面对铜铈催化剂催化CO氧化活性的影响规律并不统一.我们之前的研究工作发现纳米棒CeO_2-{110}晶面上的Cu-[O_x]-Ce结构不利于形成Cu((40)),而纳米颗粒CeO_2-{111}晶面上的CuO_x团簇很容易形成Cu((40)),从而对CO催化氧化极为有利,这与纯载体CeO_2的规律并不一致.与此同时,对于铜负载的CeO_2纳米棒(NR)及纳米立方体(NC)所体现的性质及活性差异缺少系统深入的研究.在上述工作基础上,我们采用沉积沉淀法在CeO_2 NR及CeO_2 NC上负载1%wt的铜分别得到1Cu CeNR和1Cu CeNC,并对所合成催化剂的结构和吸附性能进行了表征.高分辨透射电镜(HRTEM)照片显示,CeO_2纳米棒主要暴露{110}晶面,而CeO_2纳米立方体以{100}晶面为主.催化测试结果表明,1Cu CeNC在130°C时CO已完全转化为CO2,而相同温度下1Cu Ce NR只有50%转化.进一步通过氢气程序升温还原(H2-TPR)和一氧化碳程序升温脱附(CO-TPD)分析发现, 1Cu Ce NC催化剂具有较强的还原性且表面氧物种含量高.此外, X射线光电子能谱(XPS)和in situ DRIFTS研究表明, 1Cu Ce NC促进Cu((40))位点生成,导致活性Cu((40))-CO物种增多,这些优异的化学性质导致其具有较高的催化CO氧化活性.     

醇-胺直接脱氢及氧化脱氢偶联酰胺化反应

醇-胺(氨)直接脱氢及氧化脱氢偶联生成酰胺具有原子经济性高和对环境友好等优点,因而受到广泛关注。研究发现,一些过渡金属钌及铑配合物、负载金及银纳米粒子、氧化锰分子筛(OMS-2)以及基于铜、铁化合物的催化体系在醇-胺(氨)直接脱氢或氧化脱氢偶联生成酰胺反应中显示出优良的催化性能。本文首先介绍了PNN-钌、NHC-钌配合物、铑配合物以及负载银原子簇催化的醇-胺(氨)直接脱氢偶联生成酰胺反应的研究进展,然后对负载纳米金粒子、氧化锰分子筛(OMS-2)以及基于铜、铁化合物的催化体系催化的不同氧化剂,包括分子氧、叔丁基过氧化氢以及分子碘氧化的氧化酰胺化反应进行了总结。对各催化剂或催化体系的适用范围和优缺点进行了分析,阐述了主要催化剂或催化体系的催化机理。此外,还对无过渡金属参与的醇-胺氧化酰胺化反应体系进行概述。最后,在总结现有成果的基础上指出了该领域的发展方向。     

不同晶面Cu2O光催化还原Cr（VI）的性能

Cr(VI)具有高毒性和强诱变致癌性,且能稳定存在于自然界中,对人类和自然环境危害极大.而容易沉淀和吸附在固体上的Cr(III)毒性较小,约为Cr(VI)的千分之一.因此,将Cr(VI)还原为Cr(III)是处理含铬废水的有效途径.光催化还原是一种环境友好的新型技术,基于可见光的催化还原处理含Cr(VI)废水能够在常温常压下进行,具有经济、高效、清洁和无二次污染等特点而受到广泛关注.采用适宜的晶面生长控制剂,调变不同晶面的相对生长速率,可制得暴露不同晶面、具有多种形貌的Cu2O.将这些具有不同晶面的Cu2O用于光催化氧化降解有机污染物的研究表明, Cu2O的光催化氧化性能与其所暴露的晶面密切相关,其表面残留的用作晶面生长控制剂的表面活性剂对其催化性能有重要影响.相对而言,将Cu2O用于光催化还原Cr(VI)的研究较少,关于晶面导向剂油酸对其光催化还原Cr(VI)性能的影响尚未见报道.
　　本文采用液相法,首先合成了仅暴露Cu2O{100}晶面的立方体(Cub),进而通过控制晶面导向剂油酸的用量,制得仅外露Cu2O{111}晶面的八面体(OctO)和仅暴露Cu2O{110}晶面的十二面体(RhdO),继而再将OctO和RhdO在C3H6-O2等混合气中于215 oC处理30 min,通过此温和氧化除去表面油酸,获得了具有洁净表面的八面体(Oct)和十二面体(Rhd)的Cu2O.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其物性特征进行了表征.在LED可见光辐照下,对比评价了具有不同晶面的Cu2O光催化还原Cr(VI)的性能,研究了暴露晶面及晶面导向剂油酸等对Cu2O光催化还原Cr(VI)的影响.
　　XRD研究表明,采用液相法及温和氧化处理可制得纯相的Cu2O,其XRD图中无Cu及CuO等杂峰出现. SEM观测结果表明,所得Cu2O样品形貌均一性较好,采用丙烯选择氧化去除表面油酸后, Cu2O的形貌无明显改变,仅其外表面略有粗化. FT-IR分析进一步说明,去除表面油酸后,其物相仍为Cu2O,没有出现CuO的红外特征吸收.
　　动力学研究结果显示, Cu2O光催化还原Cr(VI)具有准一级反应动力学特征,晶面导向剂油酸的存在能够在一定程度上减缓光腐蚀和酸腐蚀,有助于较长时间内保持Cu2O光催化还原活性,而对Cu2O光催化速率没有影响.以单位比表面积速率常数为比活性指标,不同晶面Cu2O光催化还原Cr(VI)的活性次序为{111}>{110}>{100}. Cu2O不同晶面的原子配位情况差异明显,且{100}晶面的表面能较低,由此可较好解释具有不同晶面Cu2O光催化还原Cr(VI)活性的不同.八面体Cu2O的{111}面上同时存在配位饱和与配位不饱和Cu,而菱形十二面体Cu2O的{110}面上只有配位饱和Cu,立方体Cu2O的{100}面上只有配位不饱和O.相对于Cu2O的{100}晶面,具有更高表面自由能的{111}和{110}晶面易于产生光生电子-空穴对,从而表现出较{100}晶面更高的光催化活性.而Cu2O{111}晶面表现出更高光催化活性的原因可能是： Cu2O{111}晶面上存在的不饱和Cu可作为活性位点,在某种程度上有利于光生电子-空穴对分离,减少光生电子-空穴对复合,从而提高光催化还原速率.     

不同晶面Cu_2O光催化还原Cr(VI)的性能（英文）

Cr(VI)具有高毒性和强诱变致癌性,且能稳定存在于自然界中,对人类和自然环境危害极大.而容易沉淀和吸附在固体上的Cr(III)毒性较小,约为Cr(VI)的千分之一.因此,将Cr(VI)还原为Cr(III)是处理含铬废水的有效途径.光催化还原是一种环境友好的新型技术,基于可见光的催化还原处理含Cr(VI)废水能够在常温常压下进行,具有经济、高效、清洁和无二次污染等特点而受到广泛关注.采用适宜的晶面生长控制剂,调变不同晶面的相对生长速率,可制得暴露不同晶面、具有多种形貌的Cu2O.将这些具有不同晶面的Cu2O用于光催化氧化降解有机污染物的研究表明,Cu2O的光催化氧化性能与其所暴露的晶面密切相关,其表面残留的用作晶面生长控制剂的表面活性剂对其催化性能有重要影响.相对而言,将Cu2O用于光催化还原Cr(VI)的研究较少,关于晶面导向剂油酸对其光催化还原Cr(VI)性能的影响尚未见报道.本文采用液相法,首先合成了仅暴露Cu2O{100}晶面的立方体(Cub),进而通过控制晶面导向剂油酸的用量,制得仅外露Cu2O{111}晶面的八面体(OctO)和仅暴露Cu2O{110}晶面的十二面体(Rhd O),继而再将OctO和Rhd O在C3H6-O2等混合气中于215o C处理30 min,通过此温和氧化除去表面油酸,获得了具有洁净表面的八面体(Oct)和十二面体(Rhd)的Cu2O.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其物性特征进行了表征.在LED可见光辐照下,对比评价了具有不同晶面的Cu2O光催化还原Cr(VI)的性能,研究了暴露晶面及晶面导向剂油酸等对Cu2O光催化还原Cr(VI)的影响.XRD研究表明,采用液相法及温和氧化处理可制得纯相的Cu2O,其XRD图中无Cu及Cu O等杂峰出现.SEM观测结果表明,所得Cu2O样品形貌均一性较好,采用丙烯选择氧化去除表面油酸后,Cu2O的形貌无明显改变,仅其外表面略有粗化.FT-IR分析进一步说明,去除表面油酸后,其物相仍为Cu2O,没有出现CuO的红外特征吸收.动力学研究结果显示,Cu2O光催化还原Cr(VI)具有准一级反应动力学特征,晶面导向剂油酸的存在能够在一定程度上减缓光腐蚀和酸腐蚀,有助于较长时间内保持Cu2O光催化还原活性,而对Cu2O光催化速率没有影响.以单位比表面积速率常数为比活性指标,不同晶面Cu2O光催化还原Cr(VI)的活性次序为{111}{110}{100}.Cu2O不同晶面的原子配位情况差异明显,且{100}晶面的表面能较低,由此可较好解释具有不同晶面Cu2O光催化还原Cr(VI)活性的不同.八面体Cu2O的{111}面上同时存在配位饱和与配位不饱和Cu,而菱形十二面体Cu2O的{110}面上只有配位饱和Cu,立方体Cu2O的{100}面上只有配位不饱和O.相对于Cu2O的{100}晶面,具有更高表面自由能的{111}和{110}晶面易于产生光生电子-空穴对,从而表现出较{100}晶面更高的光催化活性.而Cu2O{111}晶面表现出更高光催化活性的原因可能是:Cu2O{111}晶面上存在的不饱和Cu可作为活性位点,在某种程度上有利于光生电子-空穴对分离,减少光生电子-空穴对复合,从而提高光催化还原速率.     

锐钛矿(001)与(101)晶面在光催化反应中的作用

采用水热法制备了(001)和(101)晶面暴露的单晶锐钛矿TiO₂颗粒. 利用光还原沉积贵金属(Au, Ag, Pt)和光氧化沉积金属氧化物(PbO₂, MnO_x)的方法研究了暴露的锐钛矿(001)和(101)晶面在光催化中的作用. 通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(STM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)和X射线光电子能谱(XPS)的表征, 发现发生光还原反应生成的贵金属粒子主要沉积在暴露的锐钛矿(101)晶面上, 而发生光氧化反应产生的金属氧化物颗粒主要沉积在暴露的锐钛矿(001)晶面上. 此结果表明光激发产生的电子与空穴主要并分别分布在单晶锐钛矿TiO₂的(101)与(001)晶面上, 并在其上参与光催化还原反应和氧化反应. 同时也表明暴露的不同晶面对光生电荷具有分离效应. 基于本研究可以认为同时暴露分别进行氧化和还原反应的晶面可以有效促进光催化反应.     

纳米多孔金催化有机反应研究进展

综述了金纳米多孔材料在催化CO和醇的氧化反应、含不饱和键化合物(炔烃、亚胺和α,β-不饱和醛)的加氢还原反应、炔基芳香醛与炔烃的成环反应、氧化脱氢偶联构筑新C—C键反应和C—X(X=B,Si)键形成反应中的应用研究结果.