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.     

Ca掺杂的CeO2模型催化剂的形貌和电子结构及其与CO2分子的相互作用

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CeO₂(111),部分还原的CeO_2-x(111) (0＜x＜0.5)以及Ca掺杂的CeO₂模型催化剂的形貌、电子结构以及它们与CO₂分子间的相互作用。CeO₂(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CeO₂薄膜是通过在CeO₂(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。CO₂吸附到CeO₂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CeO₂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,Ca²⁺离子的存在有利于CO₂的吸附,且探测到碳酸盐物种的形成。     

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。     

CO2在Fe3O4(111)表面的吸附结构及能量研究

利用密度泛函理论研究了CO₂在Fe₃O₄（111）表面Fe_tet1和Fe_oct2两种终结的吸附行为。在Fe_tet1终结表面,当覆盖度为1/5 ML时,CO₂倾向于线性吸附;而在高覆盖度下,弯曲的CO₂与表面O作用形成CO₃^2-结构。在Fe_oct2终结表面,CO₂倾向于弯曲吸附,在1/6 ML和1/3 ML覆盖度时都可以形成CO₃^2-和-COO结构。覆盖度对Fe_tet1终结的表面影响很弱,但是对Fe_oct2终结的表面影响很大。从热力学上来说,CO₂在Fe_oct2终结表面的吸附要比Fe_tet1终结表面更有利。     

第一性原理研究C在Fe(111)表面和次表面的积炭机理

使用密度泛函方法对C原子在Fe(111)表面吸附团聚和次表层的吸附扩散进行了研究。在炭覆盖度θ_C <1 ML时,C主要以孤立的原子态存在并导致表面重构;1 ML≤θ_C ≤2 ML,"mC₂+nC"为主要的吸附形式;θ_C≥2 ML时,复杂的吸附形态比如碳链和岛状碳团簇开始生成。这些复杂岛状碳团簇是Fe(111)表面石墨沉积或碳纳米管生长的成核中心。在次表层,C原子在八面体位稳定存在。C在表面的迁移能垒为0.45 eV,由表面迁移到次表面的的能垒为0.73 eV。虽然C₂团簇的生成是热力学有利的,但是C向次表层的迁移动力学上占优。     

CO2重整CH4纳米ZrO2负载Ni催化剂的研究(Ⅰ)——与常规载体上Ni催化剂的比较

在Ni负载量相近(约5%)时,比较了由超临界干燥得到的纳米ZrO₂-AS为载体制备的Ni/ZrO₂-AS与几种常规载体(γ-Al₂O₃,TiO₂,SiO₂和ZrO₂-CP)负载的Ni催化剂对CO₂重整CH₄制合成气反应的催化性能.研究结果表明,γ-Al₂O₃,TiO₂,SiO₂和ZrO₂-CP负载Ni催化剂表现出明显的失活过程,而Ni/ZrO₂-AS催化剂在反应200h后活性未下降.“纯ZrO₂-AS”载体本身不仅能催化生成合成气的反应,而且活性稳定.TPO测定结果表明,负载在这种活性ZrO₂-AS载体上的Ni催化剂具有良好的抗积炭能力.     

载体ZrO2的d带电子对Ni13催化CH4脱氢过程的影响（英文）

C-H键活化是甲烷转化的关键，分散于ZrO₂（111）表面的活性Ni₁₃微粒能实现这一过程。密度泛函理论结果表明，相比Ni₁₃催化过程，Ni₁₃-ZrO₂（111）更能活化CH₄逐步脱氢并稳定其解离物种；且在载体ZrO₂存在下，C-H键长增加，C-H断键活化能降低，放热量增多，达过渡态时，解离H与残留CH_x间距减小，因此，负载催化剂Ni₁₃-ZrO₂（111）具有更好的催化性。究其原因，对于Ni-C-H,ZrO₂丰富的d带电子使得Ni 3d电子密度增强，C 2p与Ni 3d轨道重叠增多，Ni-C键增强，C-H键减弱，基于此，CH_x吸附增强，C-H键活性亦增强。因此，载体ZrO₂的d带为Ni₁₃活化CH₄促进C-H键解离提供着电子。     

衬底温度对强流脉冲离子束烧蚀沉积类金刚石薄膜化学结构的影响

采用强流脉冲离子束(High-intensitypulsedionbeam,HIPIB)烧蚀技术在Si(100)基体上沉积类金刚石(Diamond-likecarbon,DLC)薄膜,衬底温度的变化范围为298～673K.利用Raman光谱和X射线光电子谱(XPS)对DLC薄膜的化学结合状态与衬底温度之间关系进行研究.薄膜XPS的C1s谱的解谱分析得出薄膜中含有sp³C(结合能为285.5eV)和sp²C(结合能为284.7eV)成分,根据解谱结果评价薄膜中sp³C含量.根据XPS分析可知,衬底温度低于473K时,sp³C的含量大约为40%左右;随着沉积薄膜时衬底温度的提高,sp³C的含量降低,由298K时的42.5%降到673K时的8.1%,从573K开始发生sp³C向sp²C转变.Raman光谱表明,随着衬底温度的提高,Raman谱中G峰的峰位靠近石墨峰位,G峰的半峰宽降低,D峰与G峰的强度比I_D/I_G增大,说明薄膜中的sp³C的含量随衬底温度增加而减少.     

CO2重整CH4纳米ZrO2负载Ni催化剂的研究(Ⅱ)──催化剂组成与反应条件对催化剂性能的影响

研究了粒径为15～18nm的纳米ZrO₂-AS负载Ni催化剂对CO₂重整CH₄制合成气的催化性能,结果表明,Ni/ZrO₂-AS催化剂对重整反应的超常稳定催化作用不受Ni含量的影响,但当Ni质量分数低于10%时,催化剂活性随Ni含量增加而显著上升,此后,CH₄和CO₂的转化逐渐接近其热力学平衡值.高空速虽然降低了反应物的转化率,但可得到更高的时空产率.各种表征数据揭示,Ni/ZrO₂在结构上有别于传统的负载型催化剂,可看成是由尺寸相当(10～20nm)的纳米金属Ni和纳米ZrO₂形成的纳米复合物催化剂.     

ZrO2助剂对Ni/SiO2催化剂CO甲烷化催化活性及其吸附性能的影响

采用连续流动微反装置和原位漫反射红外光谱法考察了Ni/SiO₂及添加ZrO₂助剂的Ni/ZrO₂-SiO₂催化剂CO甲烷化催化活性和吸附性能。结果表明,在CO体积分数 1%、空速 5000h^-1、常压的反应条件下,200℃时Ni/ZrO₂-SiO₂催化剂可将CO完全转化。而相同反应条件下Ni/SiO₂催化剂上CO的转化率仅为35%,直至270℃时方可将CO完全转化。由此可见,ZrO₂助剂的添加明显提高了Ni/ZrO₂-SiO₂催化剂的CO甲烷化催化活性。同时,ZrO₂助剂的添加显著提高了Ni/ZrO₂-SiO₂催化剂对CO的吸附能力,H₂存在时可通过在较低温度时形成较多的桥式羰基氢化物来提高Ni/ZrO₂-SiO₂催化剂的CO甲烷化催化活性;CO甲烷化反应条件下,Ni/SiO₂和Ni/ZrO₂-SiO₂催化剂上C-O键的削弱和断裂是经由羰基氢化物 多氢羰基氢化物的途径,而不是经由C-O键的直接断裂途径。     

Zr的添加对稀燃天然气汽车尾气净化催化剂Pd-Pt/Al2O3性能的影响

Pd-Pt双金属基甲烷氧化催化剂的催化活性、抗水热老化性和耐硫性在一个通有模拟稀燃天然气汽车尾气成分的固定床反应器中进行检测.研究发现Zr掺杂的Pd-Pt/Al₂O₃ (Pd-Pt/Zr_xAl_(1-x)O_(3+x)/2)提高了催化的催化活性、抗水热老化性和耐硫性.以共沉淀法制备Zr : Al的摩尔比分别为0 : 1、0.25 : 0.75、0.5 : 0.5、0.75 :0.25和1 : 0的材料为载体材料.双金属催化剂的活性组分分别为1.5% (w,质量分数)的Pd和0.3% (w)的Pt,活性组分Pd、Pt通过共浸渍的方法浸渍到以上载体材料上制备得到一系列整体式催化剂.分别采用低温N₂吸脱附、X射线衍射(XRD)、H₂程序升温还原(H₂-TPR)、O₂程序升温氧化(O₂-TPD)及X射线光电子能谱对制备的催化剂进行表征.结果显示Zr的加入使催化剂的载体材料结晶度提高,活性组分的分散度也得到了相应的提高.同时二价Pd物种与周围电子密度分别增加.相比于Pd-Pt/Al₂O₃和Pd-Pt/ZrO₂催化剂,在不同条件预处理后, Zr的添加对催化剂的性能有明显的提高,其中催化剂Pd-Pt/Zr_0.5Al_0.5O_1.75展现了最好的催化活性、抗水热老化性以及耐硫性.     

无额外供氢体下负载型MoFeO_x催化剂催化甘油制丙烯醇

采用浸渍法制备MoFe/X(X=SnO_2,ZrO_2,CeO_2,TiO_2,CNTs,MgO)以及MoFe氧化物催化剂用于甘油气-固相催化转化制丙烯醇。通过XRD、BET、XPS、H_2-TPR和NH_3-TPD表征,MoFe主要由晶相Fe_2O_3和Fe_2(MoO_4)_3组成而MoFe/X主要为高分散态的Fe、Mo氧化物(Fe~(3+)、Mo~(6+)),其表面均只存在弱酸中心;所采用载体由于自身性质(比表面积和酸碱性)差异与Mo、Fe氧化物之间存在不同的相互作用,进而有效地调控了MoFe/X的表面弱酸强度、酸浓度和可还原性能。所制备催化剂对甘油制丙烯醇的催化性能(收率)依次为:MoFe/TiO_2MoFe/CeO_2MoFe/ZrO_2MoFe/CNTsMoFe/SnO_2MoFeMoFe/MgO。340°C时,MoFe/TiO_2上甘油的转化率达到83.4%,丙烯醇的选择性和收率分别达到26.7%和22.3%;同时其展现出优于MoFe/CeO_2、MoFe/ZrO_2和MoFe/CNTs的稳定性。甘油转化率与催化剂表面弱酸中心浓度呈正相关性,而丙烯醇的生成则与氧化中心(非酸中心)密切相关。甘油转化率和丙烯醇选择性在MoFe/X上随反应温度变化而呈现相悖的变化趋势。     

Zr改性Ni2P/SBA-15催化剂的制备及其加氢脱氧性能

以正丙醇锆（n）和Zr（SO₄）₂（m）为锆源制备了Zr改性的Ni₂P/ZrO₂-SBA-15（n）和Ni₂P/ZrO₂-SBA-15（m）催化剂,并采用XRD、BET、CO吸附、XPS、NH₃程序升温脱附等手段对催化剂进行了表征。以苯并呋喃（BF）为模型化合物,研究了催化剂加氢脱氧（HDO）性能。结果表明,Zr改性后,形成了新的层状结构的ZrP;Zr的引入有助于生成更多、更小粒径的Ni₂P活性相,催化剂的酸强度和酸量均提高。与正丙醇锆相比,Zr（SO₄）₂为锆源能够获得比表面积大、酸性强、酸量大的催化剂,得到更多的ZrP相、更小粒径的Ni₂P晶粒,暴露更多的Ni活性位点。Ni₂P/ZrO₂-SBA-15（n）和Ni₂P/ZrO₂-SBA-15（m）的BF HDO产率分别为71.5%和85.9%,较Ni₂P/SBA-15分别提高了14.0%和28.4%。催化剂HDO活性、脱氧产物选择性和产率大小顺序为：Ni₂P/ZrO₂-SBA-15（m） > Ni₂P/ZrO₂-SBA-15（n） > Ni₂P/SBA-15。     

Growth and Electronic Properties of Ag Nanoparticles on Reduced CeO2-x(111) Films

Ag nanoparticles grown on reduced CeO_2-x thin films have been studied by X-ray photoelec-tron spectroscopy and resonant photoelectron spectroscopy of the valence band to understand the effect of oxygen vacancies in the CeO_2-x thin films on the growth and interfacial elec-tronic properties of Ag. Ag grows as three-dimensional particles on the CeO_2-x(111) surface at 300 K. Compared to the fully oxidized ceria substrate surface, Ag favors the growth of smaller particles with a larger particle density on the reduced ceria substrate surface, which can be attributed to the nucleation of Ag on oxygen vacancies. The binding energy of Ag3d increases when the Ag particle size decreases, which is mainly attributed to the final-state screening. The interfacial interaction between Ag and CeO_2-x(111) is weak. The resonant enhancement of the 4f level of Ce³⁺ species in RPES indicates a partial Ce⁴⁺→Ce³⁺ re-duction after Ag deposited on reduced ceria surface. The sintering temperature of Ag on CeO_1.85(111) surface during annealing is a little higher than that of Ag on CeO₂(111) surface, indicating that Ag nanoparticles are more stable on the reduced ceria surface.     

Cu@UiO-66衍生的Cu+-ZrO2界面位点用于高效催化CO2加氢制甲醇

Cu/ZrO₂ catalysts have demonstrated effective in hydrogenation of CO₂ to methanol, during which the Cu-ZrO₂ interface plays a key role. Thus, maximizing the number of Cu-ZrO₂ interface active sites is an effective strategy to develop ideal catalysts. This can be achieved by controlling the active metal size and employing porous supports. Metal-organic frameworks (MOFs) are valid candidates because of their rich, open-framework structures and tunable compositions. UiO-66 is a rigid metal-organic skeleton material with excellent hydrothermal and chemical stability that comprises Zr as the metal center and terephthalic acid (H₂BDC) as the organic ligand. Herein, porous UiO-66 was chosen as the ZrO₂ precursor, which can confine Cu nanoparticles within its pores/defects. As a result, we constructed a Cu-ZrO₂ nanocomposite catalyst with high activity for CO₂ hydrogenation to methanol. Many active interfaces could form when the catalysts were calcined at a moderate temperature, and the active interface was optimized by adjusting the calcination temperature and active metal size. Furthermore, the Cu-ZrO₂ interface remained after CO₂ hydrogenation to methanol, as confirmed by transmission electron microscopy (TEM), demonstrating the stability of the active interface. The catalyst structure and hydrogenation activity were influenced by the content of the active component and the calcination temperature; therefore, these parameters were explored to obtain an optimized catalyst. At 280 ℃ and 4.5 MPa, the optimized CZ-0.5-400 catalyst gave the highest methanol turnover frequency (TOF) of 13.4 h^-1 with a methanol space-time yield (STY) of 587.8 g·kg^-1·h^-1 (calculated per kilogram of catalyst, the same below), a CO₂ conversion of 12.6%, and a methanol selectivity of 62.4%. In situ diffuse-reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) of CO adsorption over the optimized catalyst revealed a predominant, unreducible Cu⁺ species that was also identified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The favorable activity observed was due to this abundant Cu⁺ species coming from the Cu⁺-ZrO₂ interface that served as the methanol synthesis active center and acted as a bridge for transporting hydrogen from the active Cu species to ZrO₂. In addition, the oxygen vacancies of ZrO₂ promoted the adsorption and activation of CO₂. These vacancies and Cu⁺ trapped in the ZrO₂ lattice are the active sites for methanol synthesis from CO₂ hydrogenation. The X-ray diffraction (XRD) patterns of the catalyst before and after reaction revealed the stability of its structure, which was further verified by time-on-stream (TOS) tests. Furthermore, in situ DRIFTS and temperature-programmed surface reaction-mass spectroscopy (TPSR-MS) revealed the reaction mechanism of CO₂ hydrogenation to methanol, which followed an HCOO-intermediated pathway.     

Zr改性MnO_x/MWCNTs催化剂的结构特征与低温SCR活性

以ZrO(NO3)2·2H2O为前驱体对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行了改性并负载MnOx制备了MnOx/ZrO2/MWCNTs催化剂.考察了Zr对催化剂低温选择性催化还原(SCR)反应活性的影响,并通过多种分析手段对催化剂的结构进行了表征.结果表明Zr的添加对催化剂的低温SCR活性具有显著的促进作用,当Zr负载量为30%时,催化剂活性最佳.X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、透射电镜(TEM)、N2吸附-脱附的表征结果分析表明,适量的Zr改性促进了MnOx在载体表面的分散,增强金属氧化物与MWCNTs之间的作用,也能增加催化剂的比表面积、孔容和孔径.X射线光电子能谱(XPS)、H2程序升温还原(H2-TPR)和NH3程序升温脱附(NH3-TPD)的分析结果则显示,Zr能提高催化剂表面化学吸附氧浓度,促进Mn3+转化为Mn4+,从而使催化剂表面的活性位点增多,氧化还原能力增强,同时还提高了催化剂表面酸性位点的数量和强度,促进了NH3的吸附,是MnOx/ZrO2/MWCNTs催化剂低温SCR活性提高的主要原因.