单层分散阈值和负载型催化剂的阈值效应

自发单层分散原理认为,许多负载型催化剂的活性组分可在载体表面自发分散。活性组分在载体表面的单层分散阈值可通过XRD相定量外推法等实验方法进行测定。通过单层分散阈值的测定可获取负载型催化剂表面结构、分散状态的有益信息,并为选择最佳的催化剂制备工艺条件提供依据。许多负载型催化剂活性组分的配比都可通过考察其单层分散阈值得以优化。负载型催化剂的许多物理化学性质突变值都与其单层分散阈值相联系,催化剂的阈值效应是明显的,阈值效应的提出为催化剂的研究提供了指导。     

分散阈值—催化剂研究中的一个重要参数

分散阈值是指催化剂活性组分在载体表面上分散量的最大值,其大小与活性组分和载体相互作用有关,是催化剂研究中的一个重要实验参数。分散阈值的测定不仅为单层分散原理广泛的应用奠定了实验基础,亦为催化剂的研制提供一种定量研究手段。     

CuCl/γ-Al_2O_3体系的XPS、SSIMS、ISS研究

用XPS,SSIMS,ISS研究了CuCl在γ-Al_2O_3上的分散状态。结果指出:CuCl在γ-Al_2O_3表面呈单层分散,用XPS得出的I_Cu/I_Al强度比与总CuCl含量曲线的转折点同XRD外推法得到的最大单层分散量相近。Cu 2p3/2光电子结合能随样品中CuCl浓度的增加而下降,分散后的CuCl与纯CuCl在价带谱上有明显不同。ISS研究表明,CuCl/γ-Al_2O_3上单层分散的Cu~+对He~+的散射峰比纯CuCl高11eV,这些结果说明CuCl与γ-Al_2O_3表面有较强的相互作用。分散后CuCl的Auger峰变宽可由γ-Al_2O_3表面的不均匀性解释。     

CuCl/γ-Al2O3体系的XPS、SSIMS、ISS研究

用XPS, SSIMS, ISS研究了CuCl在γ-Al_2O_3上的分散状态。结果指出: CuCl在γ-Al_2O_3表面呈单层分散, 用XPS得出的I_Cu/I_Al强度比与总CuCl含量曲线的转折点同XRD外推法得到的最大单层分散量相近。Cu 2p3/2光电子结合能随样品中CuCl浓度的增加而下降, 分散后的CuCl与纯CuCl在价带谱上有明显不同。ISS研究表明, CuCl/γ-Al_2O_3上单层分散的Cu~+对He~+的散射峰比纯CuCl高11 eV, 这些结果说明CuCl与γ-Al_2O_3表面有较强的相互作用。分散后CuCl的Auger峰变宽可由γ-Al_2O_3表面的不均匀性解释。     

构建稳定的CuO/La2Sn2O7催化剂用于碳烟颗粒燃烧:CuO在La2Sn2O7烧绿石复合氧化物载体上的单层分散行为

柴油车尾气排放的碳烟颗粒造成了日益严重的环境污染.目前催化燃烧是消除碳烟颗粒污染的有效技术.针对金属氧化物负载体系,20世纪70年代末谢有畅教授等人提出了单层分散理论,是指导设计高效负载催化剂的一个重要思想,已被科研工作者们普遍接受.当负载催化剂体系用于某个特定反应时,通常会表现出单层分散阈值效应,即负载的活性组分含量为单层分散阈值时,催化剂往往具有最好的活性和选择性.为探究金属氧化物在复合氧化物载体上的分散行为,并期望研制出性能优良的碳烟颗粒消除催化剂,本文制备了系列不同负载量的CuO/La₂Sn₂O₇催化剂,并把实验表征技术和DFT计算方法相结合,对其构效关系进行了研究.结果表明,CuO可自发分散在La₂Sn₂O₇烧绿石载体,其单层分散容量为1.90 mmol CuO/100 m²La₂Sn₂O₇.CuO负载量不高于该容量时,以亚单层或单层分散状态存在.XPS、Raman、Bader电荷和DOS分析证明,亚单层/单层CuO中的Cu2+离子可把其电荷选择性地传递给La₂Sn₂O₇烧绿石载体结构中B位的Sn4+离子,因而与载体产生强相互作用.反之,Cu²⁺离子与载体结构中A位的La³⁺离子之间无电荷转移,不产生作用.这表明在含多种金属离子的复合氧化物载体上,被负载的金属氧化物可优先与载体中的一种金属离子产生相互作用.Raman、原位DRIFTS和XPS结果表明,在界面上形成的O2^?和O2^2?亲电氧离子是CuO/La₂Sn₂O₇催化剂表面的活性中心,其含量决定了催化剂碳烟颗粒燃烧的活性.在CuO负载量低于单层分散容量时,这些表面活性亲电氧离子含量随着CuO的负载量升高而增加,直至单层分散容量时达到最大.在CuO负载量高于单层分散容量时,CuO微晶开始形成,并对表面活性亲电氧离子的生成产生负面影响.上述结果表明,CuO/La₂Sn₂O₇催化剂用于碳烟颗粒燃烧具有明显的单层分散阈值效应;并可通过在La₂Sn₂O₇载体表面负载单层分散量的CuO获得活性最佳的催化剂.     

Ni/AC催化剂的分散阈值及阈值效应

 采用浸渍法制备了以活性炭为载体的镍催化剂,用X射线衍射(XRD)和热重(TG)手段分别考察了前驱体及浸渍液溶剂对活性组分Ni在载体上分散度的影响. XRD测试结果表明,以水为浸渍液溶剂制得的催化剂,经550 ℃焙烧后,前驱体为Ni(NO3)2时, Ni的分散阈值为0.065 g/g, 而前驱体为NiAc2时, Ni的分散阈值为0.058 g/g. 对于前驱体为Ni(NO3)2的催化剂,若浸渍液溶剂用甲醇, Ni的分散阈值则为0.082 g/g, 比水作溶剂时的阈值大. 说明前驱体镍盐中的阴离子和浸渍液溶剂均对活性物种与载体之间的相互作用有影响,从而导致镍的分散容量有差异. TG的阈值分析结果略小于XRD的测试值. 活性评价结果显示,负载Ni催化剂在甲醇气相羰基合成醋酸反应中存在较为明显的阈值效应.     

X光衍射相定量外推法测定活性组分在载体表面的分散阈值

活性组分与载体的相互作用,活性组分在载体表面分散的结构状态,以及活性组分在载体表面的最大分散量(分散阈值)是多相催化剂研究中的基本问题。活性组分在载体表面的分散状态和分散阈值取决于活性组分和载体本身的结构和性质。活性组分在载体表面的分散,总是在载体表面能量上和几何上有利的位置进     

表面分散过程的分形研究

盐类和氧化物等活性组分在一定条件下,可在高比表面载体上自发分散。研究这些过程对多相催化剂、吸附剂的制备过程理解和控制无疑是重要的。这类分散过程已被系统地研究,并提出了单层分散模型,对CuCl_2/γ-Al_2O_3、HgCl_2/活性炭等多种体系,测定了单层分散阈值。表面化学习惯上理解为就是二维的化学。早在1931年Tayor就指出表面是不均匀的,但这种不均匀性是作为对理想二维表面的修正而引入的,如TLK模型。表面科学的这些基本概念其数学基础是欧基里德几何学,其物理背景是晶体结构,不规则性就是指晶体结     

一氧化碳偶联制草酸二乙酯用Pd-Fe/α-Al2O3催化剂的表面结构

 应用XPS,XRD,TEM和TPR等表征技术研究了CO常压气相偶联合成草酸酯反应体系中Pd-Fe/α-Al2O3催化剂的表面结构. 结果表明,催化剂表面的活性组分钯以高度分散的Pd0形式存在,分散的钯微晶平均粒径约为8 nm; 助剂铁以Fe2+形式存在,其分散度极高. 根据表征实验结果,讨论了活性组分、助剂和载体三者之间的相互作用. 助剂可以优先高度分散在载体表面,而活性组分会自动落位在助剂层上达到均匀分散,即催化剂表面形成了类似于金属-金属氧化物-载体相间的结构.     

CuO调配SnO2表面用于碳烟颗粒燃烧:单层分散阈值效应对催化性能的影响

柴油发动机由于具有良好的动力和经济性等优势而得到广泛的应用,但排放的尾气中碳烟颗粒物(PM)却给人类健康和环境带来了严重的危害.目前PM污染的治理引起了广大科研工作者的关注.催化燃烧成为PM污染消除技术中最有效的方法.金属氧化物负载到载体上时,通常会出现单层分散现象,其单层分散容量可以通过XRD, XPS和Raman等外推法测定.此外,当负载体系用作某种反应的催化剂时,往往会表现出单层分散阈值效应,即阈值附近的催化剂通常具有较高的活性和选择性等.目前单层分散理论已被广泛接受,成为设计高性能催化材料的重要指导思想.在过去八年本课题组将SnO_2基催化材料用于多种环保和能源反应,并系统地探究了其催化性能.结果表明, SnO_2含有丰富的表面活泼氧和晶格氧,且热稳定性高,是一种优良的催化剂载体.基于单层分散理论,为获得更实用的PM燃烧催化剂,我们利用浸渍法设计制备了系列不同Cu O负载量的Cu O/SnO_2催化剂,并使用XRD, XPS, Raman, TEM, STEM-mapping,H2-TPR, soot-TPR和O2-TPD等手段深入研究了其构效关系.利用XRD和XPS外推法测得的Cu O高度分散在SnO_2载体表面,其单层分散阈值为2.09 mmol100m~(-2),即相当于4.8%CuO负载量.低于该负载量时, CuO以亚单层分散态存在;而高于该负载量时,形成的Cu O微晶和单层分散态的Cu O共存.在单层分散阈值之前,催化剂的碳烟燃烧活性随Cu O负载量的升高而上升;进一步提高CuO负载量对其活性无明显的影响.Raman结果表明,在单层分散阈值之前, CuO负载到SnO_2载体上可有效形成表面活泼氧中心,且其含量随Cu O负载量升高而增加;进一步提高Cu O负载量则对其含量无明显改变.因此,Cu O/SnO_2催化剂用于碳烟颗粒燃烧具有明显的阈值效应.以上结果表明,表面活泼氧中心含量是决定该催化剂活性的主要因素.     

周期性密度泛函理论研究氯气在CuCl(111)表面上的吸附与解离

运用广义梯度密度泛函理论(Generalized Gradient Approximation，GGA)的PBE(Perdew-Burke-Ernzerh)方法结合周期性平板模型，研究了氯气分子和氯原子在CuCl(111)表面上的吸附。通过对不同吸附位和不同单层覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现：氯气分子在CuCl(111)表面的吸附为解离吸附；单层覆盖度为0.50时的吸附构型为稳定的吸附构型；氯气分子平行吸附在CuCl(111)表面时最稳定，吸附能最大，达364.5 kJ·mol^-1；伸缩振动频率的计算结果表明，吸附后的氯气分子的伸缩振动频率与自由氯气分子的伸缩振动频率相比，都发生了红移；布居分析结果表明整个吸附体系发生了由Cu原子向氯气分子的电荷转移。氯原子吸附的计算结果显示氯原子以穴位稳定的吸附在CuCl(111)表面。     

苯分子在Cu(100)面平板模型上吸附的密度泛函理论研究

使用量子化学中的密度泛函理论和平板周期模型方法，研究了苯在Cu(100)面上的吸附方式和相对稳定性. 计算结果表明，苯在Cu(100)表面的吸附属于较强的化学作用，稳定性穴位优于桥位，顶位吸附最不稳定. 在吸附过程中，C—C键有相对大的伸长，C—H键的键长变化较小，但是偏离苯环平面，并背离固体表面，顶位则是朝向表面. 吸附过程中，发生了电子从苯向铜原子的转移.     

甲氧基在Rh(111)表面吸附的密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,以原子簇Rh13(9,4)为模拟表面,在6-31G(d,p)与Lanl2dz基组水平上,对甲氧基在Rh(111)表面的四种吸附位置(fcc、hcp、top、bridge)的吸附模型进行了几何优化、能量计算、Mulliken电荷布局分析以及前线轨道的计算。结果表明,当甲氧基通过氧与金属表面相互作用时,在bridge位的吸附能最大,吸附体系最稳定,在top位转移的电子数最多;吸附于Rh(111)面的过程中C—O键被活化,C—O键的振动频率发生红移。     

周期性密度泛函理论研究NO在CuCl(111)表面上的吸附

运用广义梯度密度泛函理论(GGA)的RPBE方法结合周期平板模型,在DNP基组下,研究了NO以N端和O端两种吸附取向在CuCl(111)表面上的吸附.通过对不同吸附位和不同覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现:NO吸附在CuCl(111)表面Cu原子上的top位时为稳定的吸附;覆盖度为0.25 mL时吸附比较稳定;NO的N端吸附比O端吸附更有利,N端吸附时为化学吸附,O端吸附时为物理吸附.布居分析结果表明整个吸附体系发生了从Cu原子向NO分子的电荷转移,且O端吸附时电荷转移更多.N端吸附和O端吸附时,N-O键的伸缩振动频率均红移,同时O端吸附时红移更多.     

载铜活性炭吸附一氧化碳的密度泛函理论计算

应用密度泛函理论和相对论有效核势方法, 用C₁₆H₁₀, C₁₃H₉, C₁₂H₁₂原子簇模型模拟活性炭表面, 计算得到了CO在载铜活性炭上的吸附位、吸附构型和吸附能. 研究表明: 载铜活性炭吸附CO的过程, 本质上是Cu(I)通过σ-π配键与CO络合, 形成Cu—C键的过程. 载铜活性炭对CO的络合吸附能在50～60 kJ/mol之间, 远大于活性炭对CO的物理吸附能(9.15 kJ/mol), 因而络合吸附更稳定, 选择性也更高. Cu(I)选择吸附在活性炭表面的顶位和桥位, 一个Cu(I)至多可以吸附一个到两个CO分子, 但吸附一个CO比吸附两个CO稳定.     

CH3O和CO在Pd(111)表面偶联反应机理的理论研究

采用DMol³程序包中的GGA-PW91方法, 结合周期平板模型, 对CH₃O和CO在Pd(111)表面的反应进行了系统研究. 计算结果表明, 吸附在Pd(111)表面顶位上的CO分子中C原子所带正电荷最多, 容易与亲核试剂反应, 化学吸附能稍低, 有利于在表面上移动发生亲电插入反应; CH₃O 在Pd(111)表面fcc穴位吸附稳定, O原子上所带的负电荷较多, 易被亲电试剂进攻. 过渡态搜索表明, Pd(111)表面顶位上的CO与fcc穴位上CH₃O反应生成CH₃OOC的为放热反应, 反应能垒较低, 有利于偶联反应的进行.     

Density Functional Study of the C Atom Adsorption on the α-Fe2O3 （001） Surface

The adsorption of C atoms on the α-Fe2O3(001) surface was studied based on density function theory(DFT) ,in which the exchange-correlation potential was chosen as the PBE(Perdew,Burke and Ernzerhof) generalized gradient approximation(GGA) with a plane wave basis set. Upon the optimization on different adsorption sites with coverage of 1/20 and 1/5 ML,it was found that the adsorption of C atoms on the α-Fe2O3(001) surface was chemical adsorption. The coverage can affect the adsorption behavior greatly. Under low coverage,the most stable adsorption geometry lied on the bridged site with the adsorption energy of about 3.22 eV;however,under high coverage,it located at the top site with the energy change of 8.79 eV. Strong chemical reaction has occurred between the C and O atoms at this site. The density of states and population analysis showed that the s,p orbitals of C and p orbital of O give the most contribution to the adsorption bonding. During the adsorption process,O atom shares the electrons with C,and C can only affect the outermost and subsurface layers of α-Fe2O3;the third layer can not be affected obviously.     

CuCl改性Y型分子筛的CO吸附性能研究

利用自发单层分散原理,讨论了在NaY,NH4Y,CuY分子筛上CuCl分散改性情况,并对所得到的改性分子筛进行了CO吸附性能研究。实验结果表明,在低CuCl担载量时,CuCl可在这三种载体表面达到原子水平分散,其分散容量分别为0.58g/gNaY,0.68g/gNH4Y和0.41g/gCuY。由于CO与Cu^+可生配位化合物,经CuCl改性的Y型分子筛对CO显示出较高吸附性能。其中,0.6gCuCl/gNH4Y分子筛表现出最高的CO吸附容量,在室温、常压下可达123mL/gNH4Y.     

CuCl2/NaY体系表面分散态研究

铜负载分子筛作为催化剂或吸附剂，在石油化工、环境保护等方面有许多用途[1，2]．已有研究发现，铜交换的Y型分子筛对NO分解等反应具有较高活性及稳定性［3-5］．因此研究铜负载Y型分子筛对有关吸附剂和催化剂的制备有重要意义．我们实验室在研究活性组分在载体表面分散现象时     

Adsorption of H2O,OH, and O on CuCl(111) Surface: A Density Functional Theory Study

The adsorption of H2O molecule and its dissociation products, O and OH, on CuCl(111) surface was studied with periodic slab model by PW91 approach of GGA within the framework of density functional theory. The results of geometry optimization indicate that the top site is stable energetically for H2O adsorbed over the CuCl(111) surface. The threefold hollow site is found to be the most stable adsorption site for OH and O, and the calculated adsorption energies are 309.5 and 416.5 kJ/mol, respectively. Adsorption of H2O on oxygen-precovered CuCl(111) surface to form surface hydroxyl groups is predicted to be exothermic by 180.1 kJ/mol. The stretching vibrational frequencies, Mulliken population analysis and density of states analysis are employed to interpret the possible mechanism for the computed results.