铈锆固溶体制备、表征及其催化分解甲硫醇(CH_3SH)研究

采用微波辅助柠檬酸络合法制备一系列不同铈锆比的铈锆固溶体,考察不同含量锆的掺杂对制备固溶体结构特性以及催化分解甲硫醇性能的影响。通过XRD,BET,Raman,XPS,H_2-TPR,CH_3SH-TPD等手段对其结构物化性能进行表征。表征结果显示:该制备方法成功合成铈锆固溶体且均保留立方萤石结构;锆的引入会导致合成固溶体的晶粒变小、晶格收缩,且晶格参数a随着锆引入量的增加而降低;同时,锆的添加仅仅导致物种缺陷的形成而不会产生更多的氧空位。此外,不同铈锆比固溶体催化分解甲硫醇活性实验结果表明:Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2氧复合物表现出最好的催化活性,之后随着锆的添加其催化性能呈现下降趋势。根据BET,XPS及H_2-TPR表征结果:在表面晶格氧相对含量相近的情况下,Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2因具有最大比表面积、最好的还原性能而表现出最佳的甲硫醇催化活性。最后,考察了Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2催化分解甲硫醇的产物分布情况,结合CH_3SH-TPD表征结果表明:铈锆固溶体催化分解甲硫醇的反应中,二甲基硫醚为中间产物且仅在低温区产生。     

一锅法合成Ce_xZr_(1-x)O_2固溶体催化剂用于热化学循环分解CO_2制CO

采用一锅蒸发诱导自组装法(EISA)制备了一系列不同铈锆物质的量比的铈锆固溶体催化剂,用TGA研究了其热化学循环分解CO_2制CO的催化性能,并采用XRD、Raman光谱、H2-TPR、XPS、SEM和N_2吸附-脱附等手段对催化剂的物相结构、还原性能和表面化学性质进行了表征分析,用热重分析(TGA)研究了铈锆固溶体对热化学循环分解CO_2制CO的催化性能。结果表明,随着Ce/Zr物质的量比增加,铈锆固溶体催化剂的CO_2高温分解活性先增大后减小。Ce/Zr物质的量比为1的Ce_(0.5)Zr_(0.5)O_2催化剂由于具有较多的晶格缺陷和氧空穴,氧迁移能力强,催化活性高,而Ce/Zr物质的量比为3的Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2催化剂具有相对稳定的氧空穴数,循环稳定性好。循环反应后,所有的催化剂均出现了一定程度的烧结,且富锆固溶体发生了相分离,这可能会影响催化剂的性能。     

Pr-Ce-Zr复合氧化物的结构与储氧性能研究

采用氨水共沉淀方法制备了PrxCe0.3－xZr0.7O2（x=0,0．1,0．2,0．3）复合氧化物,对样品进行了X光衍射、比表面积等表征及动态和静态储氧性能测试。结果表明,Pr进入铈锆的晶格,形成了良好的固溶体,并有效地阻止了水热老化处理造成铈锆的分相。在富锆复合氧化物中,Pr本身的氧化还原能力较弱,对固溶体的总储氧能力贡献不大;而适量Pr掺杂（10％,原子分数）可以对铈锆样品的表面改性,提高动态储放氧能力。     

制备方法对钯-铈锆固溶体催化剂的结构与性能的影响

采用溶胶凝胶法制备了Pd掺杂型铈锆固溶体粉末.XRD和XPS分析结果表明,有部分Pd进入了固溶体的晶格,主要以PdO和PdO2的形态存在;900 ℃ 50 h的老化条件并没有使Pd和Ce的价态发生明显的变化;其催化性能主要取决于氧空位的数量和活性,与Pd负载型铈锆催化剂相比,表现出较好的热稳定性能.     

SnO2基固溶体用于甲烷深度氧化：X射线衍射外推法测定 SnO2晶格容量

CH4和 CO是两种主要的温室效应气体和空气污染物,催化氧化是最有效的消除 CH4和 CO的方法.研发不含贵金属的金属氧化物催化剂或者减少催化剂中贵金属用量为该领域研究热点. SnO2是一种重要的宽禁带 n型半导体材料,广泛应用于气敏器件、锂离子电池以及光电设备. SnO2表面富含活泼的缺位氧且具有良好的热稳定性,因此其在催化方面的性能近年来逐渐受到人们关注.在过去的5年中,本团队深入研究了 SnO2材料在空气污染治理和绿色能源生产等领域的应用及其催化性质.发现通过其它阳离子如 Fe3+, Cr3+, Ta5+, Ce4+和Nb5+等的掺杂,替换晶格中部分 Sn4+,形成金红石型 SnO2固溶体结构,显著提高了催化剂氧物种的流动性、活性和催化剂本身的热稳定性.固溶体材料是一类重要的催化剂,受到广泛关注.一个典型的例子是铈锆固溶体,其作为储氧材料已广泛应用于汽车尾气净化器.形成固溶体结构后,氧化铈的储氧能力和热稳定性得到显著提高.为有效形成固溶体,两个阳离子需要具有相似的离子半径和电负性.以往,人们基于结构中金属阳离子和氧阴离子的离子半径提出了容忍因子的判别方法,以此来判断固溶体是否能有效形成及所生成固溶体的稳定性.我们在前期工作中,以 Sn-Nb固溶体为例,提出了简单的X射线衍射(XRD)外推法来计算固溶体晶格容量,即形成稳定固溶体时客体阳离子取代主体晶格阳离子的最大值.作为延续工作,本文采用共沉淀法制备了一系列 Sn/M (M = Mn, Zr, Ti, Pb)摩尔比为9/1的 SnO2基催化剂,并用于 CH4和 CO催化氧化.结果表明, Mn3+, Zr4+, Ti4+和 Pb4+均可以掺杂进四方金红石型 SnO2晶格中,形成稳定的固溶体结构.其中 Sn-Mn-O固溶体表现出最高活性.为了深入研究 Mn2O3在 SnO2中的晶格容量及最优催化剂配比,采用共沉淀法制备了一系列不同 Sn/Mn摩尔比的样品,采用 XRD, N2-BET, H2-TPR, SEM和XPS等手段对其物理化学性能进行了表征,并考察了对 CH4的催化氧化性能.通过 XRD外推法测定了 Mn3+离子在 SnO2中的晶格容量为0.135 g Mn2O3/g SnO2,相当于 Sn/Mn摩尔比为79/21.这表明形成稳定的固溶体后, SnO2晶格中最多只有21% Sn4+可以被 Mn3+替代;当 Mn3+含量超过晶格容量时,过量的 Mn3+在催化剂表面形成 Mn2O3,对催化剂活性不利.类似于 Sn-Nb-O固溶体,在 Sn-Mn-O催化剂体系中亦观察到明显的晶格容量效应.纯相的 Sn-Mn-O固溶体比含过量 Mn2O3晶相的 Sn-Mn-O催化剂具有更高活性.     

Cu^2+离子掺杂SnO2固溶体催化剂的晶格容量效应:NH3选择性还原NOx反应性能提高的本质原因

NOx排放给人类健康和环境带来了严重的危害,目前已发展了多种消除其污染的方法.其中氨选择性催化还原(NH3-SCR)技术是固定源和移动源柴油机排放NOx的有效消除方法之一.非贵金属氧化物催化剂由于廉价、且原料来源丰富,用于NH3-SCR反应在过去几十年一直备受人们关注.由于晶格畸变和不等价取代等原因,与单组分氧化物催化剂相比,替代型金属氧化物固溶体催化剂通常具有更优异的物理化学性能.其中典型的例子是已被广泛用作汽车尾气净化转化器储氧材料的铈锆固溶体.与纯CeO2相比, Zr^4+离子溶入立方萤石CeO2晶格形成固溶体结构后,显著提高了其稳定性和储氧能力.近八年来,我们以四方金红石型SnO2为溶剂,系统地研究了系列金属阳离子在其晶格中的溶解行为,并考察了其催化反应性能.为深入理解固溶体催化剂的结构与反应性能之间的关系,我们首次创建了简单易行的XRD外推法定量金属氧化物固溶体中溶质阳离子的晶格容量.结果表明,其它离子掺杂形成SnO2基固溶体可显著增加其表面缺位氧和Lewis酸性位点的数量,且可使缺位氧在较高温度下保持稳定,显著提高了所得催化剂的反应性能.另外我们还发现,当溶质离子含量为晶格容量时可得到最大量的纯相固溶体,此时催化剂通常具有最优的性能,具有明显的阈值效应.很多研究表明,含CuO的一些催化材料通常对NOx选择还原具有良好的低温活性和选择性,但把Cu^2+离子溶入SnO2晶格构建固溶体催化剂用于NH3-SCR反应迄今未见报道.因此,为获得性能优良的催化剂,本文采用共沉淀法制备了系列不同Cu^2+离子含量的Sn-Cu复合氧化物固溶体催化剂,并采用XRD外推法测定了Cu^2+离子在SnO2中的晶格容量,为0.10 g CuO/gSnO2,相当于Sn/Cu摩尔比为84/16.Raman结果表明, Cu^2+离子含量低于晶格容量时,随其含量增加,表面氧缺位数量增加,且在晶格容量时达到最大.H2-TPR, O2-TPD和NH3-TPD结果表明,随着Cu^2+离子含量增加,催化剂表面活性氧物种和表面酸中心的数量均增加;在Cu^2+离子含量接近晶格容量时,催化剂中形成最大量的纯固溶体相,上述活性中心均可达到最大量.此时,催化剂具有最佳的NH3-SCR反应性能.因此, Cu^2+离子溶入SnO2晶格形成固溶体催化剂,在结构和反应性能上均具有明显的晶格容量阈值效应.通过将Cu^2+离子含量调控在晶格容量,可获得反应性能最好的Sn-Cu复合氧化物固溶体催化剂.     

Pd/Ce0.8Zr0.15La0.05Oδ整体催化剂甲苯催化燃烧性能的研究

采用一次浸渍法分别制备了 Pd/Ce0.8Zr0.15La0.05Oδ及Pd/Ce0.8Zr0.2O2整体式蜂窝陶瓷催化剂,考察了不同温度焙烧的两类整体催化剂甲苯催化燃烧性能.通过X射线粉末衍射(XRD)、比表面积、拉曼光谱(Raman)、程序升温还原(H2-TPR)、PdO分散度等表征结果与催化活性进行关联.结果表明,随着焙烧温度升高,催化剂比表面积下降,Raman图谱CeO2及PdO峰强度增加,H2-TPR中Ce4+还原峰向高温方向移动,同时PdO分散度下降,相应甲苯催化氧化活性下降.与CeO0.8Zr0.2O2涂层催化剂相比,La3+掺杂催化剂在高温焙烧时,其比表面积下降较小,Raman光谱表明其氧缺位比铈锆涂层催化剂多,H2TPR谱图中Ce4+还原峰低约60～80℃,PdO分散度亦比末掺杂催化剂高.1000℃焙烧下的甲苯氧化反应活性远高于未掺杂催化剂,说明镧的掺杂提高了铈锆涂层催化剂的高温反应活性及热稳定性.     

三维有序大孔SnO2基固溶体用于有效燃烧碳烟颗粒

柴油车尾气排放的碳烟颗粒对人类的生存环境和身体健康带来了严重危害.催化燃烧是消除碳烟颗粒污染的有效途径.碳烟颗粒催化燃烧是固-固-气相反应,因此催化剂本身具有活泼的氧中心且其能与碳烟颗粒有效接触是提高反应效率的关键因素.为改善碳烟颗粒与催化剂的接触,设计制备三维有序大孔(3DOM)催化剂,使碳烟颗粒可以进入催化剂孔道内部,增加其与催化剂的有效接触,是提高反应活性的有效途径.此外,在催化剂晶格中掺杂其它金属离子形成固溶体结构,可提高其氧化还原性能,也可有效提高其碳烟燃烧活性.SnO2富含活泼的表面缺位氧和可还原的晶格氧,且其熔点高达1630 oC,具有良好的热稳定性,被广泛用于制备气体传感、电化学和催化等材料.在过去的6年中,本课题组在SnO2催化化学领域做了大量系统的工作,将SnO2基催化材料用于多种环保和能源反应.发现通过其它阳离子Fe3+,Cr3+,Ta5+,Ce4+和Nb5+等的掺杂,替换晶格中部分Sn4+形成金红石型SnO2固溶体结构,可显著提高催化剂氧物种的流动性、活性和本身的热稳定性.本文采用胶体晶体模板法制备出了Ce4+,Mn3+和Cu2+离子掺杂的SnO2三维有序大孔固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟催化燃烧.采用SEM,TEM,XRD,STEM-mapping,O2-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征,研究其碳烟催化燃烧性能.SEM和TEM结果表明已成功合成三维有序大孔结构样品.XRD,Raman和STEM-mapping结果表明,Ce4+,Mn3+和Cu2+离子均进入四方金红石型SnO2晶格形成固溶体结构.另外,Raman,H2-TPR,XPS和O2-TPD等结果发现上述离子掺杂三维大孔SnO2后,催化剂表面形成了更活泼、丰富的氧物种,有利于碳烟颗粒燃烧.其中3DOM-Cu1Sn9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性.     

镍促进CuO-CeO2催化剂的结构表征及低温CO氧化活性（英文）

制备了一系列CO低温氧化的Ce20Cu5NiyOx催化剂,并采用氮气低温物理吸附、X射线衍射、程序升温还原、X射线光电子能谱以及拉曼光谱等手段对催化剂进行表征.结果表明,Ce20Cu5Ni0.4Ox催化剂活性最高.NiO的添加可以使得较多的Cu物种掺杂到CeO2晶格中,通过形成铈镍固溶体产生更多的氧空位.表征结果显示,Ce20Cu5Ni0.4Ox催化剂中存在大量的Cu+,Ce3+及晶格氧,催化剂中的Cu+很容易进入到氧化铈晶格,形成Cu-O-Ce固溶体,从而增强了在还原气氛下晶格氧的释放能力.Ce20Cu5Ni0.4Ox催化剂高的催化活性主要归因于大量Cu+以及形成的Cu-O-Ce和Ni-O-Ce固溶体.     

La_(1-x)Ca_xMnO_(3+δ)钙钛矿催化剂制备及其甲烷催化燃烧性能研究

采用柠檬酸配合法制备了系列La1-xCaxMn O3+δ(x=0,0.03,0.05,0.07,0.1,0.15,0.2)催化剂,采用低温N2物理吸附,氢程序升温还原(H2-TPR)、氧程序升温脱附(O2-TPD),X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)研究了其物理化学性质,并考察了甲烷催化燃烧活性.结果表明,当Ca摩尔掺杂量为0.1时,催化活性最好.XRD和BET表征结果表明Ca可以进入钙钛矿结构中,Ca掺杂对催化剂的比表面积无显著影响.H2-TPR和XPS表征结果表明Ca掺杂增加了Mn4+的含量.O2-TPD表征结果表明适量Ca掺杂可以降低晶格氧脱出温度.Mn4+具有较强氧化性,因此提高了催化活性,但随着Ca掺杂量增加,催化剂表面吸附氧含量有所减少,表明气相中氧难以迅速补充消耗的晶格氧,Ca掺杂量继续增加又会使催化活性有所下降.依据反应机理,Ca掺杂一方面可以促进Mn4+含量增加,有利于催化活性;另一方面会使催化剂表面吸附氧含量有所下降,降低了催化活性.