Pt/MOx(M=Ni,Fe,Co,Ce)催化剂上CO氧化反应中抗H2O与CO2的性能研究

我们研究了4种负载型Pt催化剂（1Pt/NiO、1Pt/FeO_x、1Pt/Co₃O₄和Pt/CeO₂）上不同反应条件下CO氧化活性及抗H₂O和CO₂性能.发现反应气氛中CO₂的加入与CO形成了竞争吸附,并在催化剂表面形成了碳酸盐物种堵塞了活性位,从而导致催化剂失活.反应气氛中H₂O的加入对1Pt/CeO₂催化剂的活性有所抑制,但对1Pt/FeO_x、1Pt/NiO和1Pt/Co₃O₄催化剂的活性却有促进作用.在1Pt/FeO_x和1Pt/CeO₂催化剂上的分步反应实验和动力学研究表明,尽管H₂O的加入在两种催化剂上均与CO形成了竞争吸附,但在1Pt/FeO_x催化剂上H₂O在载体表面解离形成的羟基更易与CO反应,开辟了新的反应途径,从而提高了反应性能.此外,H₂O的加入能有效分解该催化剂上的碳酸盐物种,从而保持了其稳定性.     

PdCl2-CuCl2/Al2O3催化剂低温催化CO氧化的失活机理

采用X射线衍射、N₂吸-脱附、X射线光电子能谱分析、氢气-程序升温还原和原位红外漫反射等方法对新鲜和失活的PdCl₂-CuCl₂/Al₂O₃低温催化CO氧化催化剂进行表征,研究了高相对湿度(100%)下催化剂的失活机理.结果表明,催化剂表面沉积的水使得活性铜物种容易从催化剂表面向载体孔道内部迁移,由于Pd、Cu相互作用弱化从而减弱了Pd与Cu物种间的相互作用,使得催化剂的氧化还原性能受到影响,抑制了Pd⁰再氧化为Pd²⁺的过程,从而因CO氧化反应中催化剂氧化还原循环受阻而导致失活.     

纳米Ce1—xMnxO2催化剂上乙醇催化氧化发光研究

研究了纳米Ce_1—xMn_xO₂上乙醇催化氧化发光特性, 重点考察了反应温度和催化剂组成(Ce/Mn比)对发光强度的影响规律. 为研究催化发光机理, 在相近的反应条件下考察了纳米Ce_1—xMn_xO₂上乙醇催化氧化反应的活性和选择性. 结果表明: 催化发光强度与催化反应中生成CH₃CHO的产率有很好的顺变关系, 表明CH₃CHO是导致C₂H₅OH分子在纳米Ce_1—xMn_xO₂催化剂上氧化发光的“活性分子”.     

非晶Ce-Ti氧化物用于NH3选择性催化还原NO的原位红外研究

采用原位红外光谱研究了在具有短程有序Ce-O-Ti结构的非晶Ce-Ti氧化物上NH₃选择性催化还原（SCR） NO_x反应. 在反应条件下,催化剂表面主要被NH₃吸附物种覆盖,而检测不到NO_x吸附物种. 经测定,NO的反应级数为0.5-0.6,表明Langmuir-Hinshelwood机理和Eley-Rideal机理同时存在. 可能的机理是NH₃吸附物种和弱吸附的NO_x反应,生成NH_yNO₃ （y = 0-4）活性中间物种,并通过GAUSSIAN计算和原位红外结果证实了它们的存在. Ce-O-Ti结构中Ce与Ti之间表现出原子尺度的相互作用,所以在SCR反应的活性温度窗口下,催化剂的氧化还原活性提高.     

纳米Ce1—xMnxO2催化剂上乙醇催化氧化发光研究

研究了纳米Ce_1—xMn_xO₂上乙醇催化氧化发光特性, 重点考察了反应温度和催化剂组成(Ce/Mn比)对发光强度的影响规律. 为研究催化发光机理, 在相近的反应条件下考察了纳米Ce_1—xMn_xO₂上乙醇催化氧化反应的活性和选择性. 结果表明: 催化发光强度与催化反应中生成CH₃CHO的产率有很好的顺变关系, 表明CH₃CHO是导致C₂H₅OH分子在纳米Ce_1—xMn_xO₂催化剂上氧化发光的“活性分子”.     

固相浸渍法和湿浸渍法制备CuO/CeO2催化剂及其CO氧化性能的对比研究

采用固相浸渍法和常规湿浸渍法制备了一系列CuO/CeO₂催化剂,并结合X射线衍射（XRD）、氢气-程序升温还原（H₂-TPR）、激光拉曼光谱（LRS）、原位漫反射红外光谱（in situ DRIFTS）、X射线光电子能谱（XPS）等手段考察了制备方法对催化剂结构性质及其在CO氧化反应中性能的影响. XPS和H₂-TPR结果表明,固相浸渍法更有利于得到高分散的铜物种,并促进CuO物种的还原. LRS结果表明,相比于湿浸渍法,固相浸渍法能产生更多氧空位,而这些氧空位可以活化参与反应的O₂. CO氧化活性测试结果表明,当铜负载量相同时,固相浸渍法制备的催化剂相比于湿浸渍法表现出更好的催化性能. 结合多种表征结果发现,催化剂CO氧化性能与其表面氧空位和Cu⁺-CO浓度紧密相关,提出了CuO/CeO₂催化剂在CO氧化反应中可能的协同作用机制.     

NH3-SCR反应过程中NH3和NOx在Cu/SAPO-34分子筛催化剂上的吸附特性和作用

通过离子交换法制得Cu/SAPO-34菱沸石分子筛催化剂, 同时研究了NH₃和NO_x (NO和NO₂)在该催化剂上的吸附位、吸附强度、吸附量和吸附速率, 得到了不同反应气氛在Cu/SAPO-34 上的吸附性能及其在NH₃选择性催化还原(NH₃-SCR)反应中的作用. 研究采用瞬态实验、程序升温脱附(TPD)和漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)等方法进行表征实验. 瞬态实验结果表明NH₃是吸附性气体. 程序升温脱附实验和红外漫反射实验结果表明NH₃可以吸附在布朗斯特和路易斯酸性位上形成不同的NH₃物种, 它们显示不同的SCR活性. NH₃在Cu²⁺上的吸附速率最快, 且键强最强. NO_x可以氧化并以硝酸盐/亚硝酸盐的形式吸附在Cu物种上. 最后, 本文讨论了NH₃选择性催化还原反应过程中在Cu物种上的中间物种并推测反应机理.     

MnOx/MWCNTs低温氨选择性催化还原NOx硫中毒机理

以经过浓硝酸和等离子体放电预处理后的多壁碳纳米管(MWCNTs)为载体, 锰氧化物(MnO_x)为活性组分, 采用等体积浸渍法制备MnO_x/MWCNTs 催化剂. 利用热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温还原/脱附(TPR/TPD)以及傅里叶变换红外(FTIR)光谱对催化剂进行表征, 探讨SO₂对催化剂低温氨选择性催化还原(SCR)NO_x活性的影响及SO₂中毒机理. 结果表明, 低温下SO₂对MnO_x/MWCNTs 催化剂活性有明显毒化作用. 反应温度越高, SO₂浓度越大, 催化剂SCR活性下降越快. 活性中心Mn原子硫酸化是催化剂失活的主要原因. 另外, 催化剂表面生成硫酸铵盐以及SO₂对NO吸附的抑制作用也一定程度上造成了催化剂的失活.     

La1-xSrxFeO3钙钛矿型氧化物中的晶格氧用于甲烷部分氧化制合成气

采用燃烧法制备了Sr掺杂钙钛矿型氧化物La_1-xSr_xFeO₃（x=0,0.3,0.5,0.9）载氧体,对载氧体分别进行X射线衍射、扫描电镜和H₂程序升温还原反应表征,在热重循环装置和固定床反应装置上考察甲烷与载氧体晶格氧的部分氧化反应.结果表明,La_1-xSr_xFeO₃氧化物中的晶格氧适用于甲烷部分氧化制合成气,晶格氧的得失是一个可逆过程,Sr的掺杂提高了载氧体的供氧能力,5次循环后载氧体得失晶格氧的能力没有明显的衰减.从甲烷转化率、n（H₂）/n（CO）比以及H₂和CO的选择性等方面来考虑,x=0.3-0.5比较理想,甲烷转化率维持在70%左右,气体产物中n（H₂）/n（CO）约为2,CH₄没有发生明显的裂解.     

TiO2负载Mn-Co复合氧化物催化剂上NO催化氧化性能

氮氧化物(NO_x)是大气主要污染物之一, 主要来源于化石燃料的燃烧, 其中NO不溶于水难以去除, 催化氧化技术可以将NO氧化为易溶于水可被脱硫装置去除的NO₂, 具有十分重要的实际意义. 本文采用浸渍法制备了不同Mn掺杂量的Mn-Co/TiO₂复合金属氧化物催化剂, 考察了其催化NO氧化的活性. 结果表明, Mn的掺杂对Co/TiO₂催化剂催化NO氧化的活性有明显促进作用, 掺杂量为6%时, Mn(0.3)-Co(0.7)/TiO₂催化剂NO的转化效率最高, 300℃达到88%. 采用X射线衍射(XRD)、N₂吸附/脱附、H₂程序升温还原(H₂-TPR)、O₂程序升温脱附(O₂-TPD)和原位漫反射傅里叶变换红外(in-situ DRFTIR)光谱等技术对催化剂的物理化学特征进行了表征. 结果发现, 当掺杂量为6%时, Mn一方面促进了催化剂表面活性组分的分散, 增加了催化剂的比表面积和孔径; 另一方面提高了催化剂的还原性能, 促进氧的低温脱附, 此外还促进了反应中间产物桥式NO-3向NO₂的反应, 从而提高了Co/TiO₂催化剂的NO氧化活性.     

The role of the nano-environment of supported gold catalysts in the activity control. Modification of Au/Al2O3 catalysts by redox-type metal oxides

Au/Al₂O₃ catalysts were modified by different redox metal oxides, such as FeO_x, MnO_x and CoO_x, resulting in a pronounced activity increase in CO oxidation.     

Characteristics of Au/MgxAlO hydrotalcite catalysts in CO selective oxidation

Gold catalysts, supported on a solid base of Mg_xAlO hydrotalcite, were prepared by a modified deposition precipitation method for CO selective oxidation. The preparation parameters and pretreatment of the catalysts were investigated. The pH and the HAuCl₄ concentration in the initial solution, and the Mg/Al molar ratio of Mg_xAlO affected the pH in the final solution and determined the actual gold loading of the catalyst. The calcination temperatures of the Mg_xAlO support and the Au/Mg_xAlO catalyst dominated the Au³⁺/Au⁰ ratio on the catalyst. The pretreatment of the catalyst as well as the gold loading and the Au³⁺/Au⁰ ratio, critically determined the activity of the catalyst for CO selective oxidation. Based on XPS and in situ DR-FTIR analyses, a mechanism for CO selective oxidation on 2%Au/Mg₂AlO was proposed. The hydroxyl group on Mg₂AlO also participated in the reaction.     

Pd-Cu-Clx/Al2O3催化剂对CO氧化的稳定性

CO催化氧化广泛应用于空气净化、机动车尾气治理和CO气体传感器中.在CO氧化催化剂设计与制备过程中,催化剂与使用环境密切相关.例如工业和机动车尾气净化需要在高温(200–600°C)下进行,而对于半密闭空间(隧道或者地下停车场)空气净化需要在室温和高相对湿度下进行.频繁冷启动导致半密闭空间CO浓度累积而超过排放控制标准,因此制备室温、高相对湿度下CO氧化催化剂是面临的重要问题之一.负载型Wacker催化剂对于CO低温催化氧化的研究一直受到广泛关注.环境中少量水的存在会促进负载型Wacker催化剂对CO的低温氧化性能,但随着水沉积量的增加,活性位点将被覆盖,并且Pd和Cu活性组分之间的紧密结构被破坏,从而导致催化剂的失活,即催化剂的稳定性变差.因此,为了提高催化剂在高相对湿度下的稳定性,利用二乙氧基二甲基硅烷对Al2O3载体进行硅烷化处理,以增加载体的疏水性,考察载体疏水改性对CO低温氧化过程中催化剂稳定性的影响.催化剂的稳定性测试结果表明,在0°C,100%相对湿度条件下,未改性催化剂在约20 h内CO转化率由81%下降到50%;载体硅烷化后制备的催化剂在反应进行150 h后,CO转化率仍保持在78%,即反应活性未见降低.由此表明催化剂载体经有机硅烷改性后,可显著增强催化剂在低温、高相对湿度下的稳定性.N2吸附/脱附和水吸附实验结果表明,载体硅烷化改性并未对催化剂的比表面积产生影响,但显著降低了催化剂上水沉积速度和沉积量,未改性催化剂的初始吸水速度是改性后催化剂的4倍,但改性后催化剂的饱和吸水率仅占未改性催化剂的1/3.X射线衍射结果表明,载体预处理后活性物种Cu2(OH)3Cl晶粒尺寸有所增加.氢气程序升温还原、X射线光电子能谱结果表明,载体硅烷化预处理改善了催化剂中Cu和Pd物种的化学分布及接触状态,增加了与Pd物种紧密接触的Cu物种的量,从而促进了Cu物种的还原.与此同时,载体硅烷化显著降低了催化剂表面Cl离子的浓度,从而影响到对CO吸附.为了进一步研究水与催化剂稳定性之间的关系,采用原位红外漫反射(In situ DRIFT)对催化剂进行表征.负载型Wacker催化剂对CO氧化反应机理为:Pd是CO氧化反应的活性中心,通过Pd和Cu物种之间的氧化还原循环来实现CO氧化,且Pd+比Pd2+具有更高的CO氧化性能.反应气氛中水的存在,有利于CO在Pd+上氧化、以及金属态Pd被Cu2+物种再氧化的过程,同时水也显著促进了催化剂表面碳酸盐的生成以及抑制了活性物种Pd+生成.与表面碳酸盐累积相比,水对于活性物种Pd+生成的抑制作用是导致催化剂活性降低的主要原因.     

通过CeOx修饰提高金纳米颗粒在CO氧化反应中的催化活性和耐久性

CO催化氧化是一个重要的经典反应,与许多应用息息相关,包括痕量CO气体检测、汽车尾气净化和安全防护等,吸引了人们广泛的研究兴趣.负载型Au纳米颗粒在CO氧化等许多反应中有着与众不同的催化活性,具有广泛的应用前景,但依然存在着稳定性差、易团聚失活的问题.人们通过应用多孔载体隔离Au纳米颗粒,在Au纳米颗粒表面覆盖金属氧化物、二氧化硅或碳,以及对Au纳米粒子进行封装等方法解决这些问题.尤其是利用金属氧化物与Au纳米粒子间的强相互作用对其进行覆盖或封装,有效地提高了Au催化材料的稳定性.但以上策略操作流程复杂,不利于应用.本文发展了一种简单有效的方法,通过EDTA的络合作用引入CeOx对Au纳米粒子进行修饰,得到的CeOx@Au/SiO2催化剂活性和耐久性明显提升.采用X射线衍射(XRD)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)证明了CeOx成功地修饰在Au纳米颗粒上.且通过EDTA引入CeOx所制备的CeOx@Au/SiO2催化剂结构明显不同于直接加入纳米CeO2所得到的CeOx-Au/SiO2的结构.EDTA的络合作用能有效地连结Ce与Au物种,经焙烧消除EDTA后,加强了CeOx与Au间相互作用,最终在Au纳米粒子表面形成丰富的CeOx颗粒与原子级厚度的CeOx层.进一步应用X射线光电子能谱(XPS)和氢气程序升温还原(H2-TPR)等手段研究了CeOx修饰对Au纳米粒子的影响.XPS结果表明,CeOx@Au/SiO2催化剂带正电的Au+和Au3+的浓度明显高于一般的Au/SiO2和直接加入CeO2制备得到的CeOx-Au/SiO2催化剂.H2-TPR同样表明,CeOx修饰调变了Au纳米粒子的氧化还原性.这些均对其在CO催化氧化反应中的催化活性具有重要影响将CeOx@Au/SiO2催化剂用于CO催化氧化反应中,160°C时,CO转化率达98.8％,至180°C后实现了CO的完全转化.而一般的Au/SiO2催化剂在160°C时CO转化率仅为4.0％,CO的完全转化则需340°C.直接加入纳米CeO2所得到的CeOx-Au/SiO2催化剂,其催化活性略有提升,CO完全转化所需的温度为300°C.这充分证明了通过CeOx修饰Au纳米粒子,能有效提升其催化活性.原位漫反射红外光谱(DRIFT)结果表明,CeOx修饰促进了CO在Au表面的吸附,并能形成[Au(CO)2]δ+物种;同时还观察到大量的单齿CO32? 物种信号,反映了CeOx@Au/SiO2催化剂表面存在丰富的活性氧物种.通入O2后,观察到了大量CO32?物种信号和气相CO2,印证了催化剂表面发生的CO催化氧化过程,也表明其具有非常高的催化活性.考察了CeOx@Au/SiO2催化剂的耐久性,发现经50 h CO氧化反应,催化剂依然能有效保持活性.相比之下,Au/SiO2催化剂经10 h反应后,开始明显失活.由此可见,CeOx@Au/SiO2催化剂具有相当高的耐久性.在600°C将催化剂焙烧3 h,发现Au/SiO2催化剂中Au纳米粒子存在明显团聚现象,而CeOx@Au/SiO2催化剂的Au纳米粒子依然均匀分布在载体表面,且粒径未发生明显变化.     

掺杂Zr4+对纳米Au/TiO2催化剂结构和性能的影响

采用氨水反滴加沉淀法合成了Zr4+掺杂的系列TiO2载体,以尿素溶液为沉淀剂,用沉积-沉淀法制备负载金催化剂。运用N2吸附-脱附(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)、高分辨电镜(HR-TEM)和氨吸附红外光谱(NH3-IR)等技术对催化剂的结构与形貌进行了表征,并在色谱-微反应装置上考察了催化剂对CO氧化反应的活性。结果表明:(1)少量的Zr4+掺杂可形成锐钛矿型固溶体,且载体的比表面积增大;随着Zr4+掺杂量增加至10%以上,载体逐渐向无定形转变,同时比表面积急剧增大。(2)保持规整锐钛矿晶相的Zr4+掺杂载体,其表面Lewis酸位占有率较高,且具备结构缺陷,而无定形载体表面的Lewis酸位占有率大幅度降低。(3)载体表面的Lewis酸位以及结构缺陷有利于增强载体对Au颗粒的锚定作用,从而减弱焙烧过程中的颗粒聚集。(4)少量Zr4+掺杂入TiO2载体中,可以提高Au颗粒的抗烧结能力,焙烧所得的Au颗粒尺寸较小(3.63 nm),且表现出优异的催化活性,在常温下就可以将CO完全氧化。     

Strong Metal–Support Interactions between Copper and Iron Oxide during the High‐Temperature Water‐Gas Shift Reaction

The commercial high‐temperature water‐gas shift (HT‐WGS) catalyst consists of CuO‐Cr₂O₃‐Fe₂O₃, where Cu functions as a chemical promoter to increase the catalytic activity, but its promotion mechanism is poorly understood. In this work, a series of iron‐based model catalysts were investigated with in situ or pseudo in situ characterization, steady‐state WGS reaction, and density function theory (DFT) calculations. For the first time, a strong metal‐support interaction (SMSI) between Cu and FeO_x was directly observed. During the WGS reaction, a thin FeO_x overlayer migrates onto the metallic Cu particles, creating a hybrid surface structure with Cu‐FeO_x interfaces. The synergistic interaction between Cu and FeO_x not only stabilizes the Cu clusters, but also provides new catalytic active sites that facilitate CO adsorption, H₂O dissociation, and WGS reaction. These new fundamental insights can potentially guide the rational design of improved iron‐based HT‐WGS catalysts.     

Gold catalysts supported on ZnO/Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript> for low-temperature CO oxidation

Gold catalysts with loadings ranging from 0.5 to 7.0 wt% on a ZnO/Al₂O₃ support were prepared by the deposition–precipitation method (Au/ZnO/Al₂O₃) with ammonium bicarbonate as the precipitation agent and were evaluated for performance in CO oxidation. These catalysts were characterized by inductively coupled plasma-atom emission spectrometry, temperature programmed reduction, and scanning transmission electron microscopy. The catalytic activity for CO oxidation was measured using a flow reactor under atmospheric pressure. Catalytic activity was found to be strongly dependent on the reduction property of oxygen adsorbed on the gold surface, which related to gold particle size. Higher catalytic activity was found when the gold particles had an average diameter of 3–5 nm; in this range, gold catalysts were more active than the Pt/ZnO/Al₂O₃ catalyst in CO oxidation. Au/ZnO/Al₂O₃ catalyst with small amount of ZnO is more active than Au/Al₂O₃ catalyst due to higher dispersion of gold particles.     

Comparative studies of gold catalysts prepared via solvated metal atom impregnation and conventional impregnation: characterization and low-temperature co oxidation

Supported Au catalysts for low-temperature CO oxidation were prepared by solvated metal atom impregnation (SMAI) and conventional impregnation (CI). X-ray photoelectron spectroscopy investigations indicated that gold in all the samples was in the metallic state. TEM and XRD measurements showed that the mean diameter of Au particles prepared by SMAI was smaller than that of those prepared by CI with the same gold content. Catalytic tests showed that SMAI catalysts had higher CO oxidation activity than CI catalysts with the same compositions. Both SMAI and CI Au/TiO₂catalysts exhibited high activities in low temperature CO oxidation. Full CO conversion was obtained at 323 K for 3.1 wt.% Au/TiO₂ (SMAI) catalyst, which displayed higher activity than the 3.1 wt.% Au/D-72(SMAI) and 3.1 wt.% Au/TiO₂(CI). Although the sizes of gold particles prepared by the same method and supported on both TiO₂ and resin were comparable, the Au/TiO₂ catalysts showed significantly higher activities than the Au/resin catalysts with the same Au contents under the same reaction conditions. These results prove that not only the gold particle size, but also the support plays a key role in CO oxidation. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

Polymeric Carbon Nitride/Mesoporous Silica Composites as Catalyst Support for Au and Pt Nanoparticles

Small and homogeneously dispersed Au and Pt nanoparticles (NPs) were prepared on polymeric carbon nitride (CN_x)/mesoporous silica (SBA‐15) composites, which were synthesized by thermal polycondensation of dicyandiamide‐impregnated preformed SBA‐15. By changing the condensation temperature, the degree of condensation and the loading of CN_x can be controlled to give adjustable particle sizes of the Pt and Au NPs subsequently formed on the composites. In contrast to the pure SBA‐15 support, coating of SBA‐15 with polymeric CN_x resulted in much smaller and better‐dispersed metal NPs. Furthermore, under catalytic conditions the CN_x coating helps to stabilize the metal NPs. However, metal NPs on CN_x/SBA‐15 can show very different catalytic behaviors in, for example, the CO oxidation reaction. Whereas the Pt NPs already show full CO conversion at 160 °C, the catalytic activity of Au NPs seems to be inhibited by the CN_x support.