纳米CeO_2的催化基础及应用研究进展

纳米CeO2作为一种重要的催化材料,在CO催化氧化、有机合成催化、光催化,以及生物抗氧化等方面都有着重要的应用。纳米CeO2中Ce3+和Ce4+间的可逆转变过程伴随着氧空穴的生成与消除,从而赋予了纳米CeO2优异的氧存储与氧释放能力,也成为CeO2催化应用的基础。本文在简要总结近年来CeO2催化研究及应用进展的基础上,以CO催化氧化反应为例,分别从尺寸、形貌、氧缺陷活性位点三个方面介绍了影响CeO2催化活性的因素,对纳米CeO2的催化基础研究及应用发展提出了展望。     

二氧化铈表面氧的活化及对氧化反应的催化作用

稀土催化材料的研究和发展为La和Ce等高丰度稀土元素的高质、高效利用提供了有效的途径．Ce基催化剂由于具有优异的储放氧性能,在氧化反应中得到广泛应用．本文介绍了采用理论模拟的方法,在研究Ce的4f轨道和结构弛豫对CeO2氧空位的形成和迁移中的作用以及作为载体时助催化作用的最新研究成果,提出了铈锆固溶体高储放氧性能的本质原因,为进一步制备高性能的氧化铈基储放氧材料和催化剂提供了理论基础．同时,对铈基催化剂在甲烷催化燃烧、CO催化氧化和卤代烃催化燃烧等反应中的应用和催化作用进行了综述,重点讨论了CeO2及其复合催化剂的氧化还原性能与其活性之间的关系．最后对在铈基催化剂研究中存在的问题和发展思路提出了思考和展望．     

稀土二氧化铈在生物领域的最新研究进展

氧化铈纳米粒子因其优异的催化活性而一直以来备受关注.它的催化性质来源于表面铈离子可以快速地进行Ce4+和Ce3+转变,能够根据环境很容易地接受或失去电子.长久以来,其应用均集中在工业催化方面.然而近年来,它被发现具有多种生物酶,如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、磷酸酶、过氧化物酶和氧化酶等的模拟活性,以及具有羟基自由基及氮氧化物自由基清除的能力.这些多重酶活性使其在生物方面有着众多极具前景的潜在应用价值.目前,在生物领域其已被开发用于生物检测、疾病诊断及治疗、药物载体及生物支架等方面.本文主要介绍其多种生物酶活性、活性原理,及在生物领域中的最新研究进展.     

纳米氧化铈的缺陷化学及其在多相催化中作用的研究进展

纳米氧化铈由于其独特的晶体结构和可逆的+3/+4变价能力而有着丰富的晶体缺陷,使其具有优良的储放氧能力,对很多反应都有着很好的催化作用。首先从列举纳米氧化铈的缺陷种类出发,介绍缺陷的引入方法及表征手段,接着从热催化、电催化、光催化三个方面选取一些重要的反应,对氧化铈的缺陷化学及其在多相催化中对催化反应性的调控机制进行总结,旨在通过梳理氧化铈的缺陷化学在多相催化中的作用来为设计更高效的催化剂提供借鉴意义,最后对氧化铈缺陷化学研究中存在的问题和未来的研究方向进行了展望。     

锰铈混和氧化物气凝胶催化剂的研究

采用溶胶-凝胶法和超临界干燥技术制备出CeO2和Ce1-xMnxO2(x分别为0.05, 0.10, 0.15,0.20)气凝胶。以硝酸锰浸渍制得的氧化铈气凝胶Mn/CeO2,用TEM、BET、一氧化碳催化氧化活性评价和H2-TPR对所制备的催化剂进行了研究。TEM、BET的结果表明，随着锰含量的增加，氧化铈气凝胶的粒度减小，表面积增大。一氧化碳催化氧化活性评价显示,氧化铈中添加锰制得的催化剂的一氧化碳低温催化氧化的活性比未添加锰的氧化铈提高。且锰加入量为15 mol%时，气凝胶的催化活性最高。锰的引入方式不同，气凝胶的催化活性不同。浸渍方式负载锰所制备的Mn/CeO2气凝胶的一氧化碳催化氧化活性低于Ce1-xMnxO2(x分别为0，0.05, 0.10, 0.15,0.20)气凝胶。TPR实验发现，与氧化锰相同，氧化铈上负载的锰的还原也分三步进行。     

纳米CeO2基固溶体催化柴油机碳颗粒物燃烧性能

采用柠檬酸溶胶鄄凝胶法制备CeO2基固溶体催化剂(Ce0.7Zr0.3O2-δ、Ce0.7Pr0.3O2-δ和Ce0.7Gd0.3O2-δ), 并考察了固溶体和三种常用载体(TiO2、SiO2和Al2O3)及其负载KNO3后的催化碳黑燃烧活性. 结果表明, CeO2基固溶体催化剂具有很高的催化燃烧活性, 其活性接近TiO2、SiO2和Al2O3负载30%KNO3催化剂的活性. 因为纳米CeO2基固溶体的形成, 提高了催化剂的抗烧结能力, 使氧更活泼, 从而提高氧化还原性能, 有利于碳颗粒燃烧. 由于CeO2基固溶体本身的高活性, 因此KNO3的添加不能明显提高CeO2基固溶体催化剂(尤其是Ce0.7Zr0.3O2-δ和Ce0.7Pr0.3O2-δ)的催化燃烧活性, 但KNO3能显著提高TiO2, SiO2和Al2O3的催化燃烧活性.     

不同形貌纳米CeO2的制备最新研究进展

CeO2是一种用途极广的稀土材料,可广泛应用于多种研究领域。纳米CeO2具有特殊的性质及应用。因此,纳米CeO2的制备、功能特性和应用研究成为研究的热点之一。综述了不同形貌纳米CeO2制备方法的最新研究进展,着重介绍了CeO2纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米纤维以及一些特殊形貌纳米CeO2的制备方法和应用前景,并对今后纳米CeO2的研究方向进行了展望。     

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.     

高效 CeO2-MnOx-Al2O3催化剂的制备、表征及催化消除 NO性能

机动车在给人类生活带来便利的同时,也造成了严重的大气污染.其尾气净化成为人们关注的焦点.一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HCs)是机动车尾气中的三大典型污染物,主要通过三效催化(TWC)技术进行脱除. TWC技术涉及几个重要的催化反应,其中 CO催化还原 NO由于能够同时消除 CO和 NO两种污染物而引起研究者的极大关注.研究表明,负载型贵金属催化剂在该反应中显示出优异的催化性能,但存在资源匮乏、价格昂贵以及热稳定性欠佳等不足.因此,低价、高效的过渡金属氧化物催化剂成为近年研究重点.稀土金属氧化物 CeO2由于具有良好的氧化还原性能、较高的储释氧容量以及丰富的表面氧空位而被广泛用于 CO催化还原 NO反应.研究表明,对 CeO2进行离子掺杂可进一步增大其比表面积,改善其氧化还原性能和储释氧容量.并且,我们在先前的研究中还发现,将具有多种可变价态的钛离子或锡离子掺入 CeO2晶格由于掺杂离子能与 Ce4+/Ce3+发生电子转移而更有利于改善 CeO2的理化性质.此外,锰氧化物(MnOx)在氧化还原气氛中容易实现不同价态之间的切换,从而在一些重要的氧化还原反应中表现出优异的催化性能.近年来,有研究者将 CeO2与 MnOx相结合制备了 CeO2-MnOx催化剂用于 NO消除、碳烟燃烧和挥发性有机物(VOCs)氧化等反应,并取得一些有意义的结果.然而,对于实际应用来说, CeO2-MnOx催化剂存在比表面积偏小等不足.众所周知,γ-Al2O3是一种常用的具有高比表面积和高热稳定性的催化剂载体材料,可有效增大催化剂比表面积.我们前期研究结果表明,通过共沉淀法将 Al3+掺入铈基复合氧化物的晶格相比于以γ-Al2O3为载体更有利于改善铈基复合氧化物的理化性质和催化性能.因此,我们通过简单的氨水反滴加共沉淀法制备了一系列 CeO2-MnOx-Al2O3(Ce：Mn：Al摩尔比=6：4：x,x =0.25,0.5,1,2)复合氧化物催化剂用于 CO催化还原 NO反应.并运用 X射线衍射、拉曼光谱、氮气物理吸附、氢气程序升温还原、X射线光电子能谱以及原位漫反射红外光谱等表征技术对上述催化剂进行了系统分析.重点考察了 Al3+掺杂量对 CeO2-MnOx-Al2O3复合氧化物催化剂理化性质和催化性能的影响.结果表明,在 CeO2-MnOx复合氧化物中掺入少量 Al3+会导致其晶粒尺寸减小,从而增大其比表面积和孔体积,并增加 Ce3+和 Mn4+的含量.比表面积和孔体积增大有助于催化剂与反应物分子之间充分接触; Ce3+和 Mn4+含量增加能分别促进 CO物种吸附以及吸附态 NO物种脱附、转化和解离.这些变化有利于提高 CeO2-MnOx复合氧化物在 CO催化还原 NO反应中的催化性能.最后,基于催化剂的理化性质表征及其催化性能评价,我们尝试提出了一个可能的催化反应机理,以进一步理解 CeO2-MnOx-Al2O3复合氧化物催化剂在 CO催化还原 NO反应中的优异性能.     

粒径可控纳米CeO_2的微乳液法合成

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)/正丁醇/正辛烷/硝酸铈(Ce(NO3)3)水溶液(氨水)所形成的反相微乳液体系合成CeO2前驱体,利用热重(TG)和X射线衍射(XRD)分析方法确定了得到纳米CeO2的适宜焙烧温度为550℃,CeO2前驱体经550℃焙烧后得到纳米CeO2.采用XRD、透射电镜(TEM)、紫外-可见(UV-Vis)分光光度计等表征手段分别对纳米CeO2的晶形、形貌、粒径及紫外吸收性质进行了表征,该纳米CeO2粒子具有立方晶型结构,分散性较好、粒径范围为5-18nm.考察了微乳液中正辛烷与正丁醇质量比、Ce(NO3)3浓度对纳米CeO2粒径的影响,结果表明:利用微乳液法,通过改变微乳液中正辛烷与正丁醇质量比、Ce(NO3)3浓度能够对纳米CeO2粒径进行有效控制;纳米CeO2的粒径均随着正辛烷与正丁醇质量比和Ce(NO3)3浓度的增大而减小.同时,对不同条件下制得的纳米CeO2的紫外吸收性质进行了考察.     

Ce and La single- and double-substitutional defects in yttrium aluminum garnet: first-principles study

The atomistic structure, energetics, and electronic structure of single-substitutional Ce and La defects and double-substitutional Ce-La defects in Ce,La-codoped yttrium aluminum garnet (YAG) Y(3)Al(5)O(12) have been studied by means of first-principles periodic boundary conditions density functional theory calculations. Single substitution of Y by Ce or by La produces atomistic expansions around the impurities, which are significantly smaller than the ionic radii mismatches and the overall lattice distortions are found to be confined within their second coordination spheres. In double-substitutional defects, the impurities tend to be as close as possible. La-codoping Ce:YAG provokes an anisotropic expansion around Ce defects. The Ce impurity introduces 4f occupied states in the 5.0 eV computed gap of YAG, peaking 0.25 eV above the top of the valence band, and empty 4f, 5d, and 6s states starting at 3.8 eV in the gap and spreading over the conduction band. La-codoping produces very small effects on the electronic structure of Ce:YAG, the most visible one being the decrease in covalent bonding with one of the oxygen atoms, which shifts 0.05 ? away from Ce and gets 0.04 ? closer to La in the most stable Ce-La double-substitutional defect.     

Acquired Superoxide‐Scavenging Ability of Ceria Nanoparticles

Ceria nanoparticles (nanoceria) are well known as a superoxide scavenger. However, inherent superoxide‐scavenging ability has only been found in the nanoceria with sizes of less than 5 nm and with very limited shape diversity. Reported herein is a strategy to significantly improve the superoxide‐scavenging activity of nanoceria sized at greater than 5 nm. The nanoceria with sizes of greater than 5 nm, with different shapes, and with a negligible Ce³⁺/Ce⁴⁺ ratio can acquire remarkable superoxide‐scavenging abilities through electron transfer. This method will make it possible to develop nanoceria‐based superoxide‐scavengers with long‐acting activity and tailorable characteristics.     

Probing the 4f states of ceria by tunneling spectroscopy

Low-temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy have been employed to analyze the local electronic structure of the (111) surface of a ceria thin film grown on Ru(0001). On pristine, defect-free oxide terraces, the empty 4f states of Ce(4+) ions appear as the only spectral feature inside the 6 eV oxide band gap. In contrast, occupied states are detected between -1.0 and -1.5 eV below E(Fermi) in conductance spectra of different point and line defects, such as surface oxygen vacancies, grain boundaries and step edges. They are assigned to partially filled 4f states localized at the Ce(3+) ions. The presence of excess electrons indicates the oxygen-deficient nature of the direct oxide environment. The f state spectroscopy with the STM allows us to probe the spatial distribution of Ce(3+) ions in the ceria surface, providing unique insight into the local reduction state of this chemically important material system.     

丙烷选择氧化制丙烯醛催化剂中Ce的作用

考察了一系列助剂如:Cu、Zn、Mn、W、Ce、Pr、Nd等对Ag-Mo-P-O催化剂丙烷选择氧化制丙烯醛的影响.其中添加助剂Ce的Ag-Mo-P-O催化性能较好.添加Ce降低了丙烷氧化反应的活化能并有利于中间产物丙烯转化为丙烯醛.采用BET、XRD、H2-TPR、O2-TPD、C3H8-TPD和EPR等方法,研究了含Ce催化剂的结构和性质.结果表明,助剂Ce改善了催化剂的可还原性,并调变了催化剂中Mo5＋/Mo6＋比例,有利于催化剂上丙烷选择氧化生成丙烯醛,这可能归因于催化剂中形成Ce3＋＋Mo6＋Ce4＋＋Mo5＋氧化-还原循环的缘故.     

Synthesis,Structure Characterization and Photoluminescence of a Novel Complex with（6,4,4）-Network [Ce_2（2,5-pydc）_3（H_2O）_2]（2,5-pydc = Pyridine-2,5-dicarboxylic Acid）

A new three-dimensional supramolecular [Ce2(2,5-pydc)3(H2O)2](1) has been hydrothermally synthesized at 180 ℃ and characterized by single-crystal X-ray diffraction.X-ray crystal analyses reveal that the compound belongs to the monoclinic system,space group P21/c,C21H13Ce2N3O14,a = 6.561(1),b = 17.986(5),c = 9.411(3) ,β = 95.558(5)° and Z = 2.In the structure of 1,each Ce(1) center is surrounded by 2,5-pydc ligands,forming the 6-connected node,and the 2,5-pydc ligand coordinates to the Ce(Ⅲ) in two different coordination modes.In mode 1,the four oxygen atoms of two carboxyl groups connect neighboring Ce(Ⅲ) ions,giving 4-connected(4-c) second building unit(SBU-1).Furthermore,the structure is extended into a 2-D layer from SBU-1 by sharing Ce(1) atoms.In mode 2,the ligand coordinates to the Ce(Ⅲ) ion from the adjacent chain with the 4-connected(4-c) second building unit(SBU-2),generating a 1-D ladder from SBU-2 by sharing Ce(1) atoms.Finally,the structure is extended into a 6,4,4-c network.Its photoluminescence property was also investigated.     

氮化镓发光二级管蓝光转换材料的合成和发光性质

合成了Ce3＋掺杂的稀土石榴石结构复合氧化物体系(Y1-xGdx)3Al5O12、(Y1-xLux)3Al5O12、(Y1-xLax)3Al5O12、(Y1-xYbx)3Al5O12和(Y1-xTbx)3Al5O12.重点研究了(Y1-xGdx)3Al5O12:Ce3＋和(Y1-xLux)3Al5O12:Ce3＋两个体系的晶体结构和发光性质.这些体系都具有立方石榴石结构.(Y1-xGdx)3Al5O12:Ce3＋体系随Gd取代Y,晶胞参数略有增加.荧光光谱的发射波长随Gd浓度增加发生红移,当x=0.5时发射波长达到最大值（560 nm）,并不再随Gd含量增加而变化. (Y1-xLux)3Al5O12:Ce3＋的晶胞参数随 Lu取代Y而减小,但均保持了立方石榴石结构.荧光光谱的发射波长随Lu3＋的增加向短波方向移动,Lu3Al5O12:Ce3＋的发射波长的峰值为520 nm,体系的蓝移量是20 nm.利用分离发光中心的位形坐标模型对波长的移动作了定性解释.这两个体系的发射波长的可调节特性,对改善与氮化镓发光二极管(LED)匹配的蓝光转换材料的色坐标、色温等显色性质具有重要意义.     

Ce1－xPrxO2－δ (x＝0.05～0.30)固溶体的合成及其性质研究

利用溶胶-凝胶法合成了固溶体Ce1－xPrxO2－δ (x＝0.05～0.30). X射线衍射(XRD)分析表明, 在x≤0.30的范围内形成了单相萤石结构固溶体Ce1－xPrxO2－δ; X射线光电子能谱(XPS)结果表明, 样品中氧缺位浓度随掺杂量增大而增大, 铈离子主要为Ce4＋离子, 镨离子以混合价态Pr3＋和Pr4＋存在; 拉曼光谱(Raman)观察到两个峰, 458 cm－1峰为特征F2g振动谱带, 较宽的570 cm－1峰与样品中氧离子缺位有关; 交流阻抗谱测试表明, 固溶体Ce1－xPrxO2－δ的电导率随掺杂量增加而增大, x＝0.2时, 电导率达到最大, 活化能较低, σ600 ℃＝3.28×10－2 S/cm, σ700 ℃＝6.06×10－2 S/cm, Ea＝0.54 eV (250～650 ℃), Ea＝0.49 eV (650～800 ℃).     

Hydrogen production from coke oven gas over LiNi/γ-Al2O3 catalyst modified by rare earth metal oxide in a membrane reactor

The performance of LiNi/r-Al2O3 catalysts modified by rare earth metal oxide (La2O3 or CeO2) packed on BCFNO membrane reactor was discussed for the partial oxidation of methane (POM) in coke oven gas (COG) at 875 ◦C. The NiO/r-Al2O3 catalysts with different amounts of La2O3 and CeO2 were prepared with the same preparation method and under the same condition in order to compare the reaction performance (oxygen permeation, CH4 conversion, H2 and CO selectivity) on the membrane reactor. The results show that the oxygen permeation flux increased significantly with LiNiREOx/r-Al2O3 (RE = La or Ce) catalysts by adding the element of rare earth especially the Ce during the POM in COG. Such as, the Li15wt%CeO29wt%NiO/ -Al2O3 catalyst with an oxygen permeation flux of 24.71 ml·cm−2·min−1 and a high CH4 conversion was obtained in 875 ◦C. The resulted high oxygen permeation flux may be due to the added Ce that inhibited the strong interaction between Ni and Al2O3 to form the NiAl2O4 phase. In addition, the introduction of Ce leads up to an important property of storing and releasing oxygen.     

茂铁基稀土铈配合物的合成与结构

本文利用单羧基二茂铁Fc-COOH和1，1′-二羧基二茂铁HOOC-Fc-COOH作为配体分别合成了双核铈配合物Ce₂(FcCOO)₆ (1)和二维层状配位聚合物Ce₂(OOC-Fc-COO)₃(2)，测定了两种配合物的晶体结构。配合物1中的金属铈离子为九配位结构，分别与周围的羧基二茂铁上的氧原子和作为辅助配体的水分子配位，茂铁间的π-π相互作用将配合物1的二聚体单元连结在一起形成二维的网状结构。配合物2中的金属铈离子亦为九配位结构，分别与周围的羧基二茂铁上的氧原子，作为辅助配体的水分子和甲醇配位形成类似于配合物1的二聚体单元，1，1′-二羧基二茂铁HOOC-Fc-COOH作为桥基配体将二聚体单元连结在一起，形成二维网状的配位聚合物。