CeO_2/Pt(111)反向催化剂结构和活性的密度泛函理论研究（英文）

铈基材料因其独特的Ce~(4+)/Ce~(3+)转化性质而广泛运用于非均相催化反应中.尽管在实验和理论上对纯净二氧化铈表面的物理和/或化学性质进行了深入研究,但是与二氧化铈有关的界面结构和反应性能引起了人们的极大兴趣.其中,已有报道表明,氧化铈/金属反向催化剂相较于氧化铈、金属或者金属/氧化铈负载材料能明显提高CO催化氧化和水汽转化等反应活性.然而多数前期研究并没有从理论上给出合理解释,同时也并未说明反向催化剂中氧化铈结构(层数)和性质的关系.可以预见,因受到金属基板的影响,二氧化铈表面的物化性质,如氧空位形成能、电子分布、催化活性等必然会发生变化.本文通过库伦作用校正的密度泛函理论(DFT+U)计算,系统地研究了不同厚度的Ce O_2/Pt(111)反向催化剂几何结构和电子性质,催化CO氧化的性能.本文首先在Pt(111)载体上明确了单层Ce O_2(111)的最佳结构,然后研究随着二氧化铈厚度增加,各复合结构界面热力学稳定性、几何结构和电荷性质的变化.计算结果表明:首先,单层Ce O_2/Pt(111)比双层和三层Ce O_2/Pt(111)复合结构在界面处表现出更强的相互作用,并且其强度与界面结合结构密切相关,如界面O–Pt键的数量及其长度等;其次,氧化铈板层和Pt基板之间的接触会显著影响界面处一个氧化铈层和两个金属层内的电子分布,使氧化铈外暴露表面的氧空位形成能降低～0.3 e V,而界面氧空位形成能则显著降低1.3?1.8 e V,并且当表面上沉积≥2个氧化铈层时,氧化铈/铂复合材料的物理性能会趋向收敛;最后,通过计算单层Ce O_2/Pt(111),单层Ce O_2和模拟体相结构的三层Ce O_2(111)表面上的CO氧化过程,结果表明三者均遵循Mvk机理,并且关键步骤OC…O_s偶联的反应能垒分别是0.45,0.33和0.61 e V,表明三者的活性趋势为ML Ce O_2ML Ce O_2/Pt(111)TL Ce O_2(111).综合考虑到单层Ce O_2/Pt(111)界面处适度的二氧化铈-铂相互作用,一方面可以极大提高复合材料热力学稳定性,另一方面还成功保留了单层二氧化铈的优异催化活性,因此单层Ce O_2/Pt(111)复合材料从理论上认为是一种优异的CO氧化催化剂.     

氧化锌有序结构在Au(111)和Cu(111)上的生长

利用NO₂或O₂作为氧化剂,研究了氧化锌在Au(111)和Cu(111)上的生长和结构。NO₂表现了更好的氧化性能,有利于有序氧化锌纳米结构或薄膜的生长。在Au(111)和Cu(111)这两个表面上,化学计量比氧化锌都形成非极性的平面化ZnO(0001)的表面结构。在Au(111)上,NO₂气氛下室温沉积锌倾向于形成双层氧化锌纳米结构;而在更高的沉积温度下,在NO₂气氛中沉积锌则可同时观测到单层和双层氧化锌纳米结构。O₂作为氧化剂时可导致形成亚化学计量比的ZnO_x结构。由于铜和锌之间的强相互作用会促进锌的体相扩散,并且铜表面可以被氧化形成表面氧化物,整层氧化锌在Cu(111)上的生长相当困难。我们通过使用NO₂作为氧化剂解决了这个问题,生长出了覆盖Cu(111)表面的满层有序氧化锌薄膜。这些有序氧化锌薄膜表面显示出莫尔条纹,表明存在一个ZnO和Cu(111)之间的莫尔超晶格。实验上观察到的超晶格结构与最近理论计算提出的Cu(111)上的氧化锌薄膜结构相符,具有最小应力。我们的研究表明,氧化锌薄膜的表界面结构可能会随氧化程度或氧化剂的不同而变化,而Cu(111)的表面氧化也可能影响氧化锌的生长。当Cu(111)表面被预氧化成铜表面氧化物时,ZnO_x的生长模式会发生变化,锌原子会受到铜氧化物晶格的限域形成单位点锌。我们的研究表明了氧化锌的生长需要抑制锌向金属基底的扩散,并阻止亚化学计量比ZnO_x的形成。因此,使用原子氧源有利于在Au(111)和Cu(111)表面上生长有序氧化锌薄膜。     

铜-氧化铈界面:几何及电子结构

纳米催化材料的性能主要由粒子尺寸、形貌和界面决定,即活性位点的电子及几何结构.尺寸、形貌可控的纳米催化材料的合成及其反应性能的研究,即催化剂的构效关系,一直是催化领域的研究热点.氧化物负载的金属催化剂广泛应用于多相催化反应过程.基于氧化铈优异的氧化还原性能, Cu/CeO2催化剂在CO氧化、N2O消除、水气变换、甲醇合成等反应中表现出优异性能.其中,通过铜物种与氧化铈表面化学键合形成的金属-载体界面通常被认为是催化活性中心.铜物种和氧化铈的相互作用主要体现在氧化铈固定铜物种,而铜物种促进氧化铈的氧化还原能力,涉及Cu^2+/Cu^+/Cu^0和Ce^3+/Ce^4+之间电子的传输和转移.Cu/CeO2催化剂活性位的原子结构与金属-载体相互作用程度密切相关.氧化铈形貌和铜负载量是决定界面电子和几何结构的重要因素.常见的纳米氧化铈形貌包括纳米粒子(多面体)、纳米棒和纳米立方体,可分别选择性暴露(111)、(110)和(100)晶面;这些晶面上原子配位环境和化学性能决定了铜-氧化铈的键合方式和界面结构.与暴露{100}晶面的纳米立方体相比,主要暴露{100}/{110}镜面的氧化铈纳米棒、暴露{111}/{100}晶面的纳米粒子与铜物种具有更强的金属-载体相互作用程度,也更有利于铜物种的分散.铜的负载量也显著影响铜物种在特定氧化铈表面的分散度和化学状态;随着铜负载量的增加,可在氧化铈表面形成层状铜、铜团簇和铜纳米粒子.通常情况下,低负载量有利于单层、双层铜物种的形成,高负载量时则出现多层铜和铜纳米粒子.催化活性位通常是由铜原子与氧化铈上的氧空穴相互作用产生,与氧化铈表面氧空穴的数量和密度密切相关,即氧化铈形貌.本文总结了Cu/CeO2催化剂的研究进展,讨论了氧化铈形貌和铜负载量对铜物种分散度和化学状态的影响规律,总结了铜氧化铈界面结构的多维度表征结果,比较了Cu/CeO2催化剂在CO氧化、水气变换及甲醇合成中的活性位结构和反应机制.     

铈基模型催化剂的纳米结构:有序CeO_2(111)薄膜上的Pt-Co纳米颗粒（英文）

制备并表征了原子分散的模型体系:氧化铈负载的Pt-Co核壳催化剂.采用超高真空物理气相沉积法制备了有序CeO_2(111)膜上的Pt@Co和Co@Pt核壳纳米结构,并用同步辐射光电子能谱和共振光发射光谱对其进行了研究.在低Co覆盖率(0.5 ML)下Co在CeO_2(111)上沉积生成Co-CeO_2(111)固溶体,然后在更高Co覆盖率下生长为金属Co纳米粒子.Pt@Co和Co@Pt两种模型结构在300-500 K温度范围内都能稳定地抗烧结.在500 K退火后, Pt@Co纳米结构含有接近纯的钴壳,而Co@Pt中的铂壳部分被金属钴覆盖.在550 K以上,在Pt@Co和Co@Pt纳米结构中近表面区域的重新排序中产生了次表层的Pt Co合金和富铂外壳.对于Co@Pt纳米粒子,近表面区域的化学有序性取决于沉积铂壳的初始厚度.无论初始铂壳的厚度如何,在有氧存在下对Co@Pt纳米结构进行退火,都会导致Pt-Co合金的分解以及Co的氧化.Co的逐步氧化与吸附质诱导的Co偏析共同导致在负载的Co@Pt纳米结构表面形成厚的Co O层.这一过程伴随着CeO_2(111)薄膜的裂解,以及在550K以上氧气中退火后CeO_2包裹氧化的Co@Pt纳米结构.很明显,于不同温度下在氧气和氢气的氧化-还原循环过程中,无论铂的初始厚度是多少,负载的Co@Pt纳米颗粒的结构和化学成分的变化主要是由氧化所致,而还原处理的影响则很小.     

CeO2及Pt/CeO2催化剂上H2、O2的作用特性

采用TPD、TPR、FT-IR和TPEC等方法研究了CeO_2及Pt/CeO_2上H_2、O_2作用特性。结果表明, Pt促进CeO_2还原, 并形成高活动性氢物种。Pt的存在使吸H_2和放氢温度下阵达300 ℃。部分还原的CeO_2常温下吸附氧形成分子离子氧物种(O_2~-, O_2~(2-)), Pt的存在改变氧化铈催化剂在常温下氧吸附物种的形态, 以解离态存在。氧化铈上吸附的氧物种在升温时可部分脱附, 高于170 ℃时则转化为晶格氧。     

铜-氧化铈界面:几何及电子结构（英文）

纳米催化材料的性能主要由粒子尺寸、形貌和界面决定,即活性位点的电子及几何结构.尺寸、形貌可控的纳米催化材料的合成及其反应性能的研究,即催化剂的构效关系,一直是催化领域的研究热点.氧化物负载的金属催化剂广泛应用于多相催化反应过程.基于氧化铈优异的氧化还原性能, Cu/CeO_2催化剂在CO氧化、N_2O消除、水气变换、甲醇合成等反应中表现出优异性能.其中,通过铜物种与氧化铈表面化学键合形成的金属-载体界面通常被认为是催化活性中心.铜物种和氧化铈的相互作用主要体现在氧化铈固定铜物种,而铜物种促进氧化铈的氧化还原能力,涉及Cu~(2+)/Cu~+/Cu~0和Ce~(3+)/Ce~(4+)之间电子的传输和转移.Cu/CeO_2催化剂活性位的原子结构与金属-载体相互作用程度密切相关.氧化铈形貌和铜负载量是决定界面电子和几何结构的重要因素.常见的纳米氧化铈形貌包括纳米粒子(多面体)、纳米棒和纳米立方体,可分别选择性暴露(111)、(110)和(100)晶面;这些晶面上原子配位环境和化学性能决定了铜-氧化铈的键合方式和界面结构.与暴露{100}晶面的纳米立方体相比,主要暴露{100}/{110}镜面的氧化铈纳米棒、暴露{111}/{100}晶面的纳米粒子与铜物种具有更强的金属-载体相互作用程度,也更有利于铜物种的分散.铜的负载量也显著影响铜物种在特定氧化铈表面的分散度和化学状态;随着铜负载量的增加,可在氧化铈表面形成层状铜、铜团簇和铜纳米粒子.通常情况下,低负载量有利于单层、双层铜物种的形成,高负载量时则出现多层铜和铜纳米粒子.催化活性位通常是由铜原子与氧化铈上的氧空穴相互作用产生,与氧化铈表面氧空穴的数量和密度密切相关,即氧化铈形貌.本文总结了Cu/CeO_2催化剂的研究进展,讨论了氧化铈形貌和铜负载量对铜物种分散度和化学状态的影响规律,总结了铜氧化铈界面结构的多维度表征结果,比较了Cu/CeO_2催化剂在CO氧化、水气变换及甲醇合成中的活性位结构和反应机制.     

CeO2的形貌特征对Ni/CeO2催化剂CO甲烷化性能的影响

通过改变制备方法合成了不同形貌的CeO_2载体(包括球状CeO_2-S、花苞状CeO_2-F和多面体状CeO_2-P),并用氨水配位浸渍法制备了Ni/CeO_2催化剂。研究了CeO_2载体结构与Ni/CeO_2催化剂上CO甲烷化反应性能的关系。结果表明,CeO_2-S、CeO_2-F和CeO_2-P载体暴露的晶面和氧空位不同,对Ni/CeO_2催化剂催化活性影响也不相同。CeO_2-S氧空位最多,Ni/CeO_2-S在350℃下CO转化率和CH4选择性分别达到99.19%和88.88%。10 h热稳定性测试结果表明,Ni/CeO_2-S催化剂上的积炭量最少(2.5%),CH4选择性一直保持在80%左右,分别是Ni/CeO_2-F的1.3倍和Ni/CeO_2-P的17.6倍。这主要归因于CeO_2-S载体比表面积较大,主要暴露[111]晶面,且表面氧空位含量较多,使Ni/CeO_2-S催化剂的载体与活性中心的相互作用增强,从而呈现出优异的抗积炭性能。     

Cu在ZrO_2(111)薄膜载体上的生长与界面相互作用

采用分子束外延法在Pt(111)单晶表面上制备有序的ZrO2(111)薄膜,利用低能电子衍射谱、同步辐射光电子能谱和X射线光电子能谱研究了Cu纳米颗粒在ZrO2(111)薄膜表面的生长模式和界面相互作用.结果表明,室温下Cu先以二维模式生长到0.15单层(ML),接着以三维模式生长.随着Cu覆盖度的减小,Cu2p3/2峰逐渐向高结合能位移,可归因于初态效应和终态效应共同作用的结果.Cu最初沉积到ZrO2表面时,两者间存在较强的相互作用,Cu向ZrO2衬底传递电荷,以Cu(Ⅰ)形式出现.当Cu覆盖度增加到1ML以后,Cu开始表现出金属特征.     

Ni在ZrO2(111)薄膜表面的生长、电子结构及热稳定性

利用X射线光电子能谱、紫外光电子能谱和低能电子衍射研究了Ni纳米颗粒在ZrO₂(111)薄膜表面的生长模式、电子结构及热稳定性. ZrO₂(111)薄膜外延生长于Pt(111)单晶表面,厚度约为3 nm.结果表明,当Ni气相沉积到ZrO₂(111)薄膜表面上时,遵循Stranski-Krastanov生长模式,即先二维生长至0.5 ML(monolayer),然后呈三维岛状生长.随着覆盖度的减小, Ni 2p_3/2峰逐渐向高结合能位移.利用俄歇参数法分析发现,引起该峰向高结合能位移的主要原因来源于终态效应的贡献,但在低的Ni覆盖度时,也有部分初态效应的贡献,说明Ni在ZrO₂表面初始生长时,两者存在较强的界面相互作用, Ni向ZrO₂衬底传递电荷,形成带部分正电荷的Ni_δ+.两种不同覆盖度(0.05和0.5 ML)的Ni/ZrO₂(111)模型催化剂热稳定性研究表明,当温度升高时, Ni逐渐被氧化成Ni₂₊,并伴随着向ZrO₂衬底的扩散.本文从原子水平上认识了Ni与ZrO₂表面的相互作用和界面结构,为理解实际ZrO₂担载的Ni催化剂结构提供了重要的依据.     

棒状CeO_2负载Pt催化剂的合成及其电化学性能研究

通过水热法合成棒状纳米Ce O2(Ce O2-R),并将Pt纳米颗粒负载于Ce O2表面,制得甲醇燃料电池的阳极催化剂Pt/Ce O2-R.通过结构与形貌表征,结果表明,Pt/Ce O2-R中Ce O2的暴露晶面为(111)和(002)晶面,改变了Pt周围的电子结构,进而降低了Pt-COads的键能,释放出更多的活性位.另外,Pt纳米颗粒在Ce O2-R表面分散更均匀.利用电化学工作站测试阳极催化剂Pt/Ce O2-R在酸性溶液中的电化学性能,证明Pt/Ce O2-R催化剂的甲醇电氧化性能与抗CO毒害能力较颗粒状Ce O2负载Pt催化剂(Pt/Ce O2-P)都有很大的提高,证明Ce O2-R作为Pt纳米颗粒的载体用于直接甲醇燃料电池的阳极反应具有发展潜力.     

氧化锌有序结构在Au(111)和Cu(111)上的生长（英文）

利用NO_2或O_2作为氧化剂,研究了氧化锌在Au(111)和Cu(111)上的生长和结构。NO_2表现了更好的氧化性能,有利于有序氧化锌纳米结构或薄膜的生长。在Au(111)和Cu(111)这两个表面上,化学计量比氧化锌都形成非极性的平面化ZnO(0001)的表面结构。在Au(111)上,NO_2气氛下室温沉积锌倾向于形成双层氧化锌纳米结构;而在更高的沉积温度下,在NO_2气氛中沉积锌则可同时观测到单层和双层氧化锌纳米结构。O_2作为氧化剂时可导致形成亚化学计量比的ZnOx结构。由于铜和锌之间的强相互作用会促进锌的体相扩散,并且铜表面可以被氧化形成表面氧化物,整层氧化锌在Cu(111)上的生长相当困难。我们通过使用NO_2作为氧化剂解决了这个问题,生长出了覆盖Cu(111)表面的满层有序氧化锌薄膜。这些有序氧化锌薄膜表面显示出莫尔条纹,表明存在一个ZnO和Cu(111)之间的莫尔超晶格。实验上观察到的超晶格结构与最近理论计算提出的Cu(111)上的氧化锌薄膜结构相符,具有最小应力。我们的研究表明,氧化锌薄膜的表界面结构可能会随氧化程度或氧化剂的不同而变化,而Cu(111)的表面氧化也可能影响氧化锌的生长。当Cu(111)表面被预氧化成铜表面氧化物时,ZnOx的生长模式会发生变化,锌原子会受到铜氧化物晶格的限域形成单位点锌。我们的研究表明了氧化锌的生长需要抑制锌向金属基底的扩散,并阻止亚化学计量比ZnOx的形成。因此,使用原子氧源有利于在Au(111)和Cu(111)表面上生长有序氧化锌薄膜。     

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.     

暴露CeO2不同晶面的VOx-MnOx/CeO2催化剂低温NH3-SCR脱硝的原位红外研究

为实现低温(200-250℃) NH_3-SCR烟气脱硝,开发出了一种高分散暴露CeO_2不同晶面的VO_x-MnO_x/CeO_2低温脱硝催化剂。脱硝性能评价实验结果表明,暴露{110}晶面的VO_x-MnO_x/CeO_2-R催化剂在很宽的温度范围内(220-330℃)都保持了95%的脱硝效率。原位漫反射红外分析结果可知,暴露{110}晶面的VO_x-MnO_x/CeO_2-R催化剂表面更易发生NH_3和NO吸附,进而提高NO的转化效率。气态NH_3在VO_x-MnO_x/CeO_2-R催化剂上吸附生成NH_3(L)和NH_4~+(B),该中间体与NO吸附的中间体桥联硝酸盐和双齿硝酸盐反应生成N_2和H_2O,并遵循Langmuir-Hinshelwood机理。     

Ca掺杂的CeO_2模型催化剂的形貌和电子结构及其与CO_2分子的相互作用（英文）

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CeO_2(111),部分还原的CeO_(2-x)(111)(0 x 0.5)以及Ca掺杂的CeO_2模型催化剂的形貌、电子结构以及它们与CO_2分子间的相互作用。CeO_2(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CeO_2薄膜是通过在CeO_2(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。CO_2吸附到CeO_2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CeO_2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,Ca~(2+)离子的存在有利于CO_2的吸附,且探测到碳酸盐物种的形成。     

离子液体中Au(111)和Pt(111)表面Ge欠电位沉积的现场STM研究

本文研究BMIPF₆离子液体中Au(111)和Pt(111)表面Ge的电沉积行为. 循环伏安法测试结果表明,在含0.1 mol·L^-1 GeCl₄的BMIPF₆溶液Au(111)和Pt(111)表面均有两个与Ge沉积过程相关的还原峰. 第一个还原峰包含了Ge⁴⁺还原成Ge²⁺及Ge的欠电位沉积,第二个还原峰对应Ge的本体沉积. 现场扫描隧道显微镜研究结果表明,Ge在Au(111)和Pt(111)表面均有两层欠电位沉积. 第一层欠电位沉积厚度约为0.25 nm、形貌平整、带有缝隙的亚单层结构. 第二层欠电位沉积形貌相对粗糙的点状团簇结构. 该欠电位沉积过程伴随表面合金化.     

Cux (x=1-4)团簇在CeO2(111)表面的吸附

用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Cu团簇(Cu_x, x=1-4)在CeO₂(111)表面的吸附. 研究发现当团簇比较小时(x=2, 3), 倾向于平铺表面; 当x=4时, Cu团簇在CeO₂(111)表面以三维的四面体结构吸附较为稳定, 从Cu 3d到Ce 4f的电荷转移使Cu团簇带正电荷. 由二维的菱形结构到三维的四面体结构的转变势垒为1.05 eV, 并且其中一个Cu原子直接迁移到另外三个Cu原子的空位顶部的转变路径比较有利. 在Cu团簇与CeO₂的相互作用过程中, Cu-O和Cu-Cu相互作用的竞争最终决定了Cu团簇在CeO₂上的形貌. 这种CeO₂(111)负载的带正电的三维Cu团簇将对水分解, 进而对水煤气反应具有高的催化活性.     

Pt(111) 表面上表层 Fe (FeO) 结构和次表层 Fe 结构的可控转变

 利用扫描隧道显微镜 (STM) 和 X 射线光电子能谱 (XPS) 对 Pt(111) 表面制备的 Fe 单层薄膜及其在不同环境气氛条件下的多种结构进行了研究. 在温度为 487 K 的 Pt(111) 表面制备出了完整的 Fe 单层薄膜Fe/Pt(111). 对 Fe/Pt(111) 依次升高温度进行超高真空退火, STM 和 XPS 结果表明退火温度高于 800 K 时, 表面 Fe 原子扩散到次表层区域, 形成次表层 Fe 结构Pt/Fe/Pt(111). Pt/Fe/Pt(111) 在 O2 氧化气氛中经 850 K 退火可转变成表面 FeO 薄膜FeO/Pt(111). FeO/Pt(111) 结构在温和的 H2 还原气氛中 (600 K) 转变成表面 Fe 结构, 进一步的还原处理 (800 K) 则可以重新生成 Pt/Fe/Pt(111). 控制样品的环境气氛在 O2 和 H2 之间切换, 使得表面 Fe (FeO) 和次表面 Fe 可以重复地转变. 本研究实现了多种 Fe-Pt 表面结构的可控制备, 可为合理地设计高效、价廉的催化剂提供借鉴.     

铈基模型催化剂的纳米结构:有序CeO2(111)薄膜上的Pt-Co纳米颗粒

制备并表征了原子分散的模型体系:氧化铈负载的Pt-Co核壳催化剂.采用超高真空物理气相沉积法制备了有序CeO2(111)膜上的Pt@Co和Co@Pt核壳纳米结构,并用同步辐射光电子能谱和共振光发射光谱对其进行了研究.在低Co覆盖率(0.5 ML)下Co在CeO2(111)上沉积生成Co-CeO2(111)固溶体,然后在更高Co覆盖率下生长为金属Co纳米粒子.Pt@Co和Co@Pt两种模型结构在300-500 K温度范围内都能稳定地抗烧结.在500 K退火后, Pt@Co纳米结构含有接近纯的钴壳,而Co@Pt中的铂壳部分被金属钴覆盖.在550 K以上,在Pt@Co和Co@Pt纳米结构中近表面区域的重新排序中产生了次表层的Pt Co合金和富铂外壳.对于Co@Pt纳米粒子,近表面区域的化学有序性取决于沉积铂壳的初始厚度.无论初始铂壳的厚度如何,在有氧存在下对Co@Pt纳米结构进行退火,都会导致Pt-Co合金的分解以及Co的氧化.Co的逐步氧化与吸附质诱导的Co偏析共同导致在负载的Co@Pt纳米结构表面形成厚的Co O层.这一过程伴随着CeO2(111)薄膜的裂解,以及在550K以上氧气中退火后CeO2包裹氧化的Co@Pt纳米结构.很明显,于不同温度下在氧气和氢气的氧化-还原循环过程中,无论铂的初始厚度是多少,负载的Co@Pt纳米颗粒的结构和化学成分的变化主要是由氧化所致,而还原处理的影响则很小.     

电化学去合金化Pt(Pd)-Cu对氧的电催化还原活性的研究

应用电化学去合金法制备了表面覆盖有Pt(Pd)原子层的Pt(Pd)-Cu合金催化剂.研究该催化剂在0.1mol.L-1HClO4酸性溶液中对氧气电化学还原的催化活性,并采用同步辐射反常X-射线衍射法(Anomalous X-ray Diffraction,AXRD)和表面X-射线散射法(Surface X-ray Scattering,SXS)从原子尺度研究了去合金化后催化剂的结构.分析对比纳米颗粒、薄膜和单晶3种不同形式的去合金化Pt-Cu的结构和催化活性以及Pt-Cu和Pd-Cu两种不同合金薄膜的结构和催化活性.结果表明,表面应力是影响催化剂催化活性的关键因素,而应力大小则与去合金化后所形成的表面Pt(Pd)层的厚度相关,材料尺寸和组成元素等都影响表面Pt(Pd)层的厚度.提出可利用调控材料表面的应力来设计高催化活性的催化剂.     

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.