Pt在MgAl_2O_4载体上的分散程度对催化苯甲醛加氢反应影响（英文）

构建催化剂特别是在亚纳米尺度下分散的贵金属催化剂的构效关系是多相催化研究领域中的主要任务之一.我们采用与金属Pt具有强相互作用的Mg Al_2O_4尖晶石作为载体,通过简单浸渍法制备了在纳米、亚纳米和单原子尺度上分散的Pt催化剂.首先利用X射线衍射和原子分辨的球差校正电镜,确定了Pt在Mg Al_2O_4尖晶石载体表面上随负载量增大逐渐形成孤立的和相邻的单原子Pt,然后逐渐形成无定形Pt聚集体和小晶粒;然后利用电感耦合等离子体光谱和CO化学吸附测定了催化剂中Pt的含量和分散度;进一步通过测定CO在Pt表面吸附的红外光谱,区分了载体表面单原子和金属颗粒表面原子的CO吸附特征结构,并据此对不同结构的Pt原子进行了半定量估算.考察了具有不同Pt分散结构的Pt/Mg Al_2O_4催化剂的催化苯甲醛选择性加氢能力,发现以载体表面Pt单原子物种为主的催化剂,可在较宽的温度区间内保持较高的部分加氢产物苯甲醇的选择性(60–150oC,苯甲醇选择性99.4–97.9%,甲苯选择性~0.4%),而以Pt纳米颗粒为主的催化剂上苯甲醇选择性降低显著,同时生成较多深度加氢产物甲苯(60-150oC,苯甲醇选择性99.0–93.1%,甲苯选择性0.7–5.0%).此外,我们测定了各催化剂在不同转化率(~20–90%)时催化剂加氢反应的质量比活性和转化频率(TOF),并在较低苯甲醛转化率(~20%)时,估算了不同结构Pt物种对苯甲醛加氢反应的本征活性,发现Pt纳米颗粒表面原子比Mg Al_2O_4载体表面Pt单原子本征活性更高(4807 h–1 versus 3277 h–1).综上,Pt单原子催化剂具有贵金属原子利用率高,本征活性和加氢选择性高等优点;Pt纳米催化剂表面原子深度加氢能力强,加氢选择性较差,虽本征活性更高,但不足以补偿贵金属原子利用率降低带来的活性损失,Pt质量比活性显著低于单原子催化剂.此外,Mg Al_2O_4尖晶石负载的单原子Pt催化剂也具有良好的催化反应循环稳定性,是一种较为理想的催化苯甲醛选择性加氢制苯甲醇催化剂.     

N/C稳定的单原子Co催化剂（英文）

单原子催化剂(SAC)是多相催化领域一个新兴的研究热点,是指催化剂中活性组分完全以孤立的单个原子的形式存在,并通过与载体作用或与第二种金属形成合金得以稳定.相比于纳米/亚纳米催化剂,单原子催化剂具有诸多优势:(1)活性组分达到最大程度分散(100%),可有效提高金属(特别是贵金属)原子利用率;(2)活性位点的组成和结构单一,可避免因活性组分组成和结构不均匀导致的副反应,从而显著提高目标产物的选择性;(3)单原子催化剂兼具高活性、高选择性和可循环使用的优点,有望成为连接均相催化与非均相催化的桥梁.因此,单原子催化剂为在原子尺度上理解催化机理和构效关系提供了一个很好的平台.2011年,中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队首次合成了单原子铂催化剂Pt1/FeOx.该催化剂通过共沉淀法制备,在CO氧化以及PROX反应中展示出优异的催化性能,其TOF值为相应的纳米催化剂3倍之高.在此基础上,该团队随后发展了一系列贵金属单原子催化剂,例如Ir/Fe Ox,Pd/Zn O,Au/Ce O2和Ag-Pd/Si O2.这些催化剂在水气变换反应、乙炔选择性加氢反应、芳香硝基化合物选择加氢等反应中表现出了优异的催化活性及选择性.尤其是在3-硝基苯乙烯选择性加氢反应中,单原子催化剂Pt1/Fe Ox的TOF值高达1500 h–1,是文献报道最优催化剂的20倍;产物3-氨基苯乙烯的选择性高达99%.在单原子催化剂概念提出的短短几年,它已经成为目前多相催化领域的研究热点,并且发展出许多新的单原子催化剂制备方法.然而,由于单个原子具有较高的表面能,因此目前制备的单原子催化剂负载量往往较低(0.5 wt%).另一方面,目前单原子催化剂的研究对象主要为贵金属,而非贵金属单原子催化剂却鲜有报道.近日,张涛团队在非贵金属单原子催化剂领域取得新的进展.他们成功制备出了负载量高达3.6 wt%的Co-N-C单原子催化剂,并结合密度泛函理论(DFT)和X-射线吸收精细结构(XAFS)技术首次解析出Co-N-C催化位点的精确结构.Co(Fe)-N-C是一类在电催化领域受到广泛关注的材料,在氧还原反应,析氢反应以及CO2电还原反应中均有良好的催化性能,被认为是一种最有希望取代商业Pt/C电极的非贵金属催化剂.然而,由于其组成较为复杂,人们对其活性中心的认识存在诸多争议.Co(Fe)-N-C催化剂通常采用高温焙烧法制备,即将金属前驱体,含N,C配体以及碳载体在600–900 oC高温下焙烧,这往往导致催化剂中同时含有不同尺寸的Co(0),Co Ox以及Co Nx,也含有常规表征手段难以发现的Co(Fe)单原子.张涛团队利用Mg(OH)2作为牺牲载体,制备出了完全单原子分散的Co-N-C催化剂(图1(a)).作者通过原子分辨的高角环形暗场-扫描透射电镜(HAADF-STEM),XAFS和DFT计算,首次证明Co-N-C催化活性中心的结构为Co N4C8-1-2O2.在这种模型中,Co中心在径向方向与4个N配位,轴向有2个弱吸附的氧气分子吸附在Co原子上(图1(b)).与之前报道的贵金属催化剂显著不同的是,在Co-N-C单原子催化剂中,Co含量高达3.6%.值得称道的是,这种Co-N-C单原子催化剂在芳硝基化合物选择加氢制备偶氮化合物的反应中的催化活性和选择性可媲美贵金属催化剂.使用Co-N-C催化剂,在温和条件下即可实现从芳香硝基化合物一锅法绿色合成偶氮化合物,并且该催化剂具有优异的底物普适性,即使底物含有–C=C,–I,–Br等基团时,也可高效生成相应的偶氮苯.这项工作的另外一个意义在于获得了非常均一的Co-N-C活性位组成和结构,这为利用多种表征手段精确解析结构提供了一个很好的切入点.某种意义上讲,之前文献中报道的含有多种Co物种的Co-N-C催化剂,其活性中心的认定需要重新审视.事实上,Co的配合物作为分子催化剂已经广泛应用于均相催化中;而这项工作中的Co单原子通过与N,C配位而稳定,活性中心类似于均相催化剂中的Co配合物,但却形成了真正的多相催化剂.因此我们可以预测,许多过渡金属均相催化剂有可能通过该工作中的单原子制备策略转化为多相催化剂,从而使单原子催化剂真正成为均相催化和多相催化的桥梁.     

K-MnO／y-A1203和Cu／SiO2催化剂应用于苯甲酸甲酯连续加氢合成无氯苯甲醇

以K—MnO／F—Al2O3和Cu／SiO2为催化剂，利用固定床串联反应器实现了苯甲酸甲酯连续加氢合成无氯苯甲醇反应过程．K-MnO/y-Al2O3和Cu／SiO2催化剂对于苯甲酸甲酯连续加氢合成苯甲醇具有良好的加氢活性，反应转化率可达89．2％，苯甲醇的选择性为84．1％．在苯甲酸甲酯加氢连续步骤中的氢醛比得到提高，有效地抑制了副产物甲苯的生成．XRD，SEM和TPR表征结果表明：采用吸附沉淀法制备的Cu／SiO2-C15．2催化剂，氧化铜在载体上具有良好的分散性能，并且易于还原，表现出最佳的苯甲醛加氢活性．     

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成

醇类化合物的选择性氧化是实验室和工业应用中一类重要的官能团转化反应.以分子氧为氧化剂,在液相无溶剂条件下温和氧化符合绿色化学的要求.负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.但是,单金属Pd催化剂对反应目标产物醛类化合物的选择性还有待提高.例如,在苯甲醇液相无溶剂氧化中,甲苯是在单金属Pd催化剂上的主要副产物.针对这一问题,除了对载体进行改性和修饰外,开发双金属Pd基催化剂也是一种有效的选择性调控策略.虽然已有的Pd-Au双金属催化剂可以在一定程度上降低甲苯的选择性,但是在较高温度和较高转化率下仍然难以控制甲苯的大量生成.本文采用固相合金化法合成了负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒.该方法首先以硝酸镍为镍的前驱体浸渍介孔二氧化硅,然后负载钯纳米颗粒.在高温固相还原条件下,作为种子的钯纳米颗粒和镍通过原子迁移和生长,形成Pd-Ni双金属纳米颗粒.扫描透射电镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征证实了Pd-Ni双金属纳米颗粒的生成.上述催化剂用于苯甲醇液相无溶剂氧化,催化结果显示Ni的加入可以抑制副产物甲苯的生成,并且随Ni负载量增加,甲苯的选择性(在80%等转化率下)由22.6%(单金属Pd)降低至1.6%(双金属Pd1Ni20).尽管Ni的加入降低了单金属Pd的活性,但是由于提高了目标产物苯甲醛的选择性,醛的最终产率得到提升.进一步催化研究表明,Ni的加入可以抑制无氧氛围下甲苯的生成,说明Ni可以抑制歧化反应和降低表面氢浓度.这种作用可归结于Pd-Ni双金属的协同效应.该效应得到了CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱和密度泛函理论研究的证实.双金属的几何效应和电子效应均减弱了苯甲醇在双金属纳米颗粒表面的解离吸附和相互作用,导致苯甲醇的吸附减弱,同时C–O键断裂不易进行.另外,由于Ni的亲氧性,双金属纳米颗粒表面有利于氧的吸附,降低吸附氢的浓度,减少C–H键生成,从而抑制甲苯的生成.     

负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒在无溶剂苯甲醇氧化中有效抑制甲苯的生成（英文）

醇类化合物的选择性氧化是实验室和工业应用中一类重要的官能团转化反应.以分子氧为氧化剂,在液相无溶剂条件下温和氧化符合绿色化学的要求.负载型Pd基催化剂因其优异的催化活性而在该反应中得到广泛应用.但是,单金属Pd催化剂对反应目标产物醛类化合物的选择性还有待提高.例如,在苯甲醇液相无溶剂氧化中,甲苯是在单金属Pd催化剂上的主要副产物.针对这一问题,除了对载体进行改性和修饰外,开发双金属Pd基催化剂也是一种有效的选择性调控策略.虽然已有的Pd-Au双金属催化剂可以在一定程度上降低甲苯的选择性,但是在较高温度和较高转化率下仍然难以控制甲苯的大量生成.本文采用固相合金化法合成了负载型Pd-Ni双金属纳米颗粒.该方法首先以硝酸镍为镍的前驱体浸渍介孔二氧化硅,然后负载钯纳米颗粒.在高温固相还原条件下,作为种子的钯纳米颗粒和镍通过原子迁移和生长,形成Pd-Ni双金属纳米颗粒.扫描透射电镜、能量色散X射线光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征证实了Pd-Ni双金属纳米颗粒的生成.上述催化剂用于苯甲醇液相无溶剂氧化,催化结果显示Ni的加入可以抑制副产物甲苯的生成,并且随Ni负载量增加,甲苯的选择性(在80%等转化率下)由22.6%(单金属Pd)降低至1.6%(双金属Pd1Ni20).尽管Ni的加入降低了单金属Pd的活性,但是由于提高了目标产物苯甲醛的选择性,醛的最终产率得到提升.进一步催化研究表明,Ni的加入可以抑制无氧氛围下甲苯的生成,说明Ni可以抑制歧化反应和降低表面氢浓度.这种作用可归结于Pd-Ni双金属的协同效应.该效应得到了CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱和密度泛函理论研究的证实.双金属的几何效应和电子效应均减弱了苯甲醇在双金属纳米颗粒表面的解离吸附和相互作用,导致苯甲醇的吸附减弱,同时C–O键断裂不易进行.另外,由于Ni的亲氧性,双金属纳米颗粒表面有利于氧的吸附,降低吸附氢的浓度,减少C–H键生成,从而抑制甲苯的生成.     

高活性Co3O4负载单原子Au催化剂室温催化CO氧化

CO低温氧化是多相催化领域研究最多的反应之一.作为简单、典型的探针反应,其不仅具有重要的基础研究价值,而且在环境污染消除等方面也有着非常重要的实际应用价值.金属氧化物如铜锰(Hopcalite)、铜铬复合氧化物以及氧化钴等都具有优异的低温CO氧化活性.然而氧化物催化剂热稳定性低、反复启动性能差、以及对硫化物、水等物质敏感,严重制约了其实际应用.相对而言,负载型贵金属催化剂因具有较高的CO氧化活性、反应稳定性以及热稳定性而受到关注.但是贵金属价格昂贵、资源稀少,使其持续应用面临严峻挑战.为了提高贵金属利用效率、降低贵金属使用量,在负载型贵金属催化剂中,贵金属多以纳米尺度分散于高比表面载体上.由于多相催化一般在纳米粒子表面发生,只有表面金属原子能够接触到反应物,因而贵金属原子利用率仍然有待提高.最近本课题组成功开发以原子级分散的单原子催化剂并提出“单原子催化”的概念.后续研究以及其他研究人员相继证明氧化物负载贵金属单原子具有高活性和/或不同于纳米粒子的反应性能,表明开发单原子催化剂是最大化贵金属利用效率、降低贵金属用量的可行途径.对于CO氧化而言,目前普遍认为负载Au催化剂具有最高活性.然而负载Au单原子催化剂是否具有活性仍存争议：理论计算表明氧化物负载Au单原子催化剂具有很好的活性,但是缺少实验证据;目前已有一些氧化物负载Au正价离子催化剂的报道,结果也都表明Au单原子活性远低于纳米粒子或纳米团簇.最近本课题组发现氧化铁负载Au单原子不仅具有与Au纳米粒子相当的单位活性位(TOF)活性而且具有更高的单位金属重量(反应速率)活性以及非常高的反应稳定性.本文将载体拓展到氧化钴,开发了具有更高活性的氧化钴负载Au单原子催化剂, Au负载量仅为0.05 wt%即可在室温条件下实现CO完全转化. Co3O4载体用Co(NO3)3与Na2CO3通过共沉淀法制备,400 oC焙烧.然后通过简单的沉淀吸附法制备Co3O4负载Au单原子催化剂(Au1/Co3O4),确保Au单原子能够分散于载体的表面.具有原子分辨率的球差校正高分辨电镜照片显示Au原子确实以单原子形式分散于载体上.催化剂在第一个循环中活性并不非常高,但是在第二个循环中活性提高非常明显,可以在室温条件下实现CO全转化.为了弄清楚活性提高的原因,我们用惰性气体(He)、氧化性气体(5%O2/He)以及还原性气体(5%CO/He)对催化剂进行了热处理,但是活性提高并不明显.由此推断催化剂是在第一个循环反应过程中发生了某些变化,导致活性显著提高.空白载体实验表明Co3O4载体本身虽然具有反应活性,但是远不如负载少量Au原子活性高,表明Au原子或Au原子与载体一起起到高活性的作用.稳定性研究表明该催化剂在室温条件下容易失活,但经惰性气体或氧化气体处理后活性可恢复,表明不是结构性失活而是可逆失活,说明单原子非常稳定.     

K-MnO/γAl2O3和Cu/SiO2催化剂应用于苯甲酸甲酯连续加氢合成无氯苯甲醇

以K-MnO/γ-Al2O3和Cu/SiO2为催化剂,利用固定床串联反应器实现了苯甲酸甲酯连续加氢合成无氯苯甲醇反应过程.K-MnO/γ-Al2O3和Cu/SiO2催化剂对于苯甲酸甲酯连续加氢合成苯甲醇具有良好的加氢活性,反应转化率可达89.2%,苯甲醇的选择性为84.1%.在苯甲酸甲酯加氢连续步骤中的氢醛比得到提高,有效地抑制了副产物甲苯的生成.XRD,SEM和TPR表征结果表明:采用吸附沉淀法制备的Cu/SiO2-C15.2催化剂,氧化铜在载体上具有良好的分散性能,并且易于还原,表现出最佳的苯甲醛加氢活性.     

高活性Co_3O_4负载单原子Au催化剂室温催化CO氧化（英文）

CO低温氧化是多相催化领域研究最多的反应之一.作为简单、典型的探针反应,其不仅具有重要的基础研究价值,而且在环境污染消除等方面也有着非常重要的实际应用价值.金属氧化物如铜锰(Hopcalite)、铜铬复合氧化物以及氧化钴等都具有优异的低温CO氧化活性.然而氧化物催化剂热稳定性低、反复启动性能差、以及对硫化物、水等物质敏感,严重制约了其实际应用.相对而言,负载型贵金属催化剂因具有较高的CO氧化活性、反应稳定性以及热稳定性而受到关注.但是贵金属价格昂贵、资源稀少,使其持续应用面临严峻挑战.为了提高贵金属利用效率、降低贵金属使用量,在负载型贵金属催化剂中,贵金属多以纳米尺度分散于高比表面载体上.由于多相催化一般在纳米粒子表面发生,只有表面金属原子能够接触到反应物,因而贵金属原子利用率仍然有待提高.最近本课题组成功开发以原子级分散的单原子催化剂并提出"单原子催化"的概念.后续研究以及其他研究人员相继证明氧化物负载贵金属单原子具有高活性和/或不同于纳米粒子的反应性能,表明开发单原子催化剂是最大化贵金属利用效率、降低贵金属用量的可行途径.对于CO氧化而言,目前普遍认为负载Au催化剂具有最高活性.然而负载Au单原子催化剂是否具有活性仍存争议:理论计算表明氧化物负载Au单原子催化剂具有很好的活性,但是缺少实验证据;目前已有一些氧化物负载Au正价离子催化剂的报道,结果也都表明Au单原子活性远低于纳米粒子或纳米团簇.最近本课题组发现氧化铁负载Au单原子不仅具有与Au纳米粒子相当的单位活性位(TOF)活性而且具有更高的单位金属重量(反应速率)活性以及非常高的反应稳定性.本文将载体拓展到氧化钴,开发了具有更高活性的氧化钴负载Au单原子催化剂,Au负载量仅为0.05 wt%即可在室温条件下实现CO完全转化.Co3O4载体用Co(NO3)3与Na2CO3通过共沉淀法制备,400 oC焙烧.然后通过简单的沉淀吸附法制备Co3O4负载Au单原子催化剂(Au1/Co3O4),确保Au单原子能够分散于载体的表面.具有原子分辨率的球差校正高分辨电镜照片显示Au原子确实以单原子形式分散于载体上.催化剂在第一个循环中活性并不非常高,但是在第二个循环中活性提高非常明显,可以在室温条件下实现CO全转化.为了弄清楚活性提高的原因,我们用惰性气体(He)、氧化性气体(5%O2/He)以及还原性气体(5%CO/He)对催化剂进行了热处理,但是活性提高并不明显.由此推断催化剂是在第一个循环反应过程中发生了某些变化,导致活性显著提高.空白载体实验表明Co3O4载体本身虽然具有反应活性,但是远不如负载少量Au原子活性高,表明Au原子或Au原子与载体一起起到高活性的作用.稳定性研究表明该催化剂在室温条件下容易失活,但经惰性气体或氧化气体处理后活性可恢复,表明不是结构性失活而是可逆失活,说明单原子非常稳定.     

原子层沉积制备掺氮碳膜修饰的Pt/CNTs实现甲醇高效电催化氧化（英文）

甲醇燃料电池作为一种清洁、高效的能源转化形式广受关注.贵金属Pt是甲醇燃料电池阳极催化剂不可缺少的活性组分,但Pt价格昂贵,易与CO等中间体强相互作用而中毒失活,从而限制了甲醇燃料电池的广泛应用.因此,如何提高Pt的利用率成为一个关键问题.研究表明,在碳材料载体中掺杂氮元素,改变了载体本身的表面结构和电子性质,有利于Pt颗粒的成核和生长,可获得尺寸小、分布均匀的Pt纳米颗粒,能显著提升催化反应活性和Pt利用率.然而,传统的氮掺杂方法需要在高温、高压及氨气条件下进行,增加了催化剂制备难度和成本.原子层沉积技术是逐层超薄沉积技术,能够在原子级别精确控制膜的厚度,既可制备尺度均一、高度可控的纳米粒子,也能实现材料表面的可控超薄修饰.本课题组利用原子层沉积技术优势,首先在碳纳米管表面沉积了直径2 nm左右的Pt纳米颗粒,然后在Pt纳米颗粒外表面超薄修饰聚酰亚胺膜,通过后处理得到多孔掺氮碳膜修饰的Pt/CNTs催化剂.碳膜的厚度可简单通过调控聚酰亚胺膜的沉积厚度来控制.结果表明,适当厚度的碳膜修饰Pt/CNTs催化剂可显著提升其甲醇电氧化性能,电流密度可达商业20%Pt/C的2.7倍,催化剂稳定性也显著改善.然而碳膜修饰过厚会导致催化剂活性降低.通过计算催化剂电化学活性表面积发现,超薄修饰碳膜后催化剂活性表面积有所降低,这是由于碳膜的覆盖导致表面Pt原子数减少.修饰前后催化剂颗粒尺度变化不大,推测催化剂活性的提高与形成了有利于催化反应的Pt-碳膜界面有关.然而,当碳膜修饰层过厚时,会导致反应物分子难以扩散到Pt颗粒表面,使催化剂活性降低.预吸附单层CO溶出实验结果表明,多孔掺氮碳膜超薄修饰Pt/CNTs催化剂后,CO氧化峰的起始电位和峰值电位都向低电位处偏移,这表明Pt表面吸附的CO在较低电位下即可被氧化,CO更容易从Pt表面移除,从而提高了催化剂的抗CO毒化能力.X射线光电子能谱实验结果进一步表明,经多孔掺氮碳膜修饰后,Pt的4f电子向高结合能处偏移,表明Pt原子周围的电子密度减小,从而弱化了Pt对CO吸附的σ-π键反馈作用,即减弱了Pt原子对CO的吸附,这是导致掺氮碳膜修饰后催化剂活性及稳定性都大幅提高的原因.     

原子层沉积制备掺氮碳膜修饰的 Pt/CNTs 实现甲醇高效电催化氧化

甲醇燃料电池作为一种清洁、高效的能源转化形式广受关注. 贵金属 Pt 是甲醇燃料电池阳极催化剂不可缺少的活性组分, 但 Pt 价格昂贵, 易与 CO 等中间体强相互作用而中毒失活, 从而限制了甲醇燃料电池的广泛应用. 因此, 如何提高Pt 的利用率成为一个关键问题. 研究表明, 在碳材料载体中掺杂氮元素, 改变了载体本身的表面结构和电子性质, 有利于Pt 颗粒的成核和生长, 可获得尺寸小、分布均匀的 Pt 纳米颗粒, 能显著提升催化反应活性和 Pt 利用率. 然而, 传统的氮掺杂方法需要在高温、高压及氨气条件下进行, 增加了催化剂制备难度和成本.原子层沉积技术是逐层超薄沉积技术, 能够在原子级别精确控制膜的厚度, 既可制备尺度均一、高度可控的纳米粒子,也能实现材料表面的可控超薄修饰. 本课题组利用原子层沉积技术优势, 首先在碳纳米管表面沉积了直径 2 nm 左右的 Pt纳米颗粒, 然后在 Pt 纳米颗粒外表面超薄修饰聚酰亚胺膜, 通过后处理得到多孔掺氮碳膜修饰的 Pt/CNTs 催化剂. 碳膜的厚度可简单通过调控聚酰亚胺膜的沉积厚度来控制. 结果表明, 适当厚度的碳膜修饰 Pt/CNTs 催化剂可显著提升其甲醇电氧化性能, 电流密度可达商业 20% Pt/C 的 2.7 倍, 催化剂稳定性也显著改善. 然而碳膜修饰过厚会导致催化剂活性降低.通过计算催化剂电化学活性表面积发现, 超薄修饰碳膜后催化剂活性表面积有所降低, 这是由于碳膜的覆盖导致表面 Pt原子数减少. 修饰前后催化剂颗粒尺度变化不大, 推测催化剂活性的提高与形成了有利于催化反应的 Pt-碳膜界面有关.然而, 当碳膜修饰层过厚时, 会导致反应物分子难以扩散到 Pt 颗粒表面, 使催化剂活性降低. 预吸附单层 CO 溶出实验结果表明, 多孔掺氮碳膜超薄修饰 Pt/CNTs 催化剂后, CO 氧化峰的起始电位和峰值电位都向低电位处偏移, 这表明 Pt 表面吸附的 CO 在较低电位下即可被氧化, CO 更容易从 Pt 表面移除, 从而提高了催化剂的抗 CO 毒化能力. X 射线光电子能谱实验结果进一步表明, 经多孔掺氮碳膜修饰后, Pt 的 4f 电子向高结合能处偏移, 表明 Pt 原子周围的电子密度减小, 从而弱化了 Pt 对 CO 吸附的σ-π键反馈作用, 即减弱了 Pt 原子对 CO 的吸附, 这是导致掺氮碳膜修饰后催化剂活性及稳定性都大幅提高的原因.     

Effects of reduction temperature and metal-support interactions on the catalytic activity of Pt/gamma-Al2O3 and Pt/TiO2 for the oxidation of CO in the presence and absence of H2

TiO2- and gamma-Al2O3-supported Pt catalysts were characterized by HRTEM, XPS, EXAFS, and in situ FTIR spectroscopy after activation at various conditions, and their catalytic properties were examined for the oxidation of CO in the absence and presence of H2 (PROX). When gamma-Al2O3 was used as the support, the catalytic, electronic, and structural properties of the Pt particles formed were not affected substantially by the pretreatment conditions. In contrast, the surface properties and catalytic activity of Pt/TiO2 were strongly influenced by the pretreatment conditions. In this case, an increase in the reduction temperature led to higher electron density on Pt, altering its chemisorptive properties, weakening the Pt-CO bonds, and increasing its activity for the oxidation of CO. The in situ FTIR data suggest that both the terminal and bridging CO species adsorbed on fully reduced Pt are active for this reaction. The high activity of Pt/TiO2 for the oxidation of CO can also be attributed to the ability of TiO2 to provide or stabilize highly reactive oxygen species at the metal-support interface. However, such species appear to be more reactive toward H2 than CO. Consequently, Pt/TiO2 shows substantially lower selectivities toward CO oxidation under PROX conditions than Pt/gamma-Al2O3.     

Strong Metal–Support Interactions between Pt Single Atoms and TiO2

Strong metal–support interaction (SMSI) has gained great attention in the field of heterogeneous catalysis. However, whether single-atom catalysts can exhibit SMSI remains unknown. Here, we demonstrate that SMSI can occur on TiO₂-supported Pt single atoms but at a much higher reduction temperature than that for Pt nanoparticles (NPs). Pt single atoms involved in SMSI are not covered by the TiO₂ support nor do they sink into its subsurface. The suppression of CO adsorption on Pt single atoms stems from coordination saturation (18-electron rule) rather than the physical coverage of Pt atoms by the support. Based on the new finding it is revealed that single atoms are the true active sites in the hydrogenation of 3-nitrostyrene, while Pt NPs barely contribute to the activity since the NP sites are selectively encapsulated. The findings in this work provide a new approach to study the active sites by tuning SMSI.     

Pt/Ce0.75Zr0.25O2的催化性能及其氧移动性的 18O 同位素交换表征

 采用浸渍法制备了Pt/Ce0.75Zr0.25O2催化剂,考察了催化剂对乙醇及CO的氧化活性,并采用 18O 同位素交换、乙醇程序升温表面反应(C2H5OH-TPSR)、一氧化碳程序升温脱附(CO-TPD)和程序升温还原(H2-TPR)等技术对催化剂进行了表征. 结果表明, Pt/Ce0.75Zr0.25O2催化剂表现出较高的乙醇和CO氧化活性,其催化活性随着Pt负载量的增加而提高. 当Pt负载量为3%时,活性最高. 继续增加Pt负载量,催化剂活性下降. C2H5OH-TPSR和CO-TPD结果表明,催化剂对乙醇或CO的氧化活性与从催化剂表面脱附出来的CO2量有对应关系, CO2脱附量越大,催化剂活性越高. 18O 同位素交换结果表明,表面氧交换能力与其氧化活性有一定对应关系,催化剂的表面氧交换能力越高,氧化活性越高.     

Identifying the active photocatalytic H2-production sites on TiO2-supported Pt nanoparticles by the in-situ infrared spectrum of CO

Identifying the active catalytic centers on catalyst surface is significant for exploring the catalytic reaction mechanism and further guiding the synthesis of high-performance catalysts.However,it remains a challange in developing the site-specific technology for the identification of the active catalytic centers.Herein,in-situ infrared spectroscopy of adsorbed CO,photocatalytic hydrogen evolution reaction(HER) test and theoretical simulation were used to distinguish and quantify the different surface sites and their H2-production catalytic activity on TiO_2-supported Pt nanoparticles(Pt NPs).Two different types of surface Pt sites,tip Pt(Pt_(tip)) and edge/terrace Pt_(edge/terrace),on TiO_2-supported Pt nanoparticles(Pt NPs) were identified.The photocatalytic H2-production activity of TiO_2-supported Pt NPs shows a linear functional relationship with the number of Pt_(tip) sites.However,the number of Pt_(edge/terracesites) produced little effect on the activity of TiO_2-supported Pt NPs.First-principle simulations confirmed that H2-evolution at the Pttipsites owns a lower energy barrier than that at Pt_(edge/terrace).This findings would be helpful for the fabrication of high-performance Pt catalysts.     

单原子催化的最新进展

单原子催化剂由于其自身兼具均相催化剂的"孤立活性位点"和多相催化剂易于循环使用的特点,近年来受到了广泛关注.本综述概括了2015至2016年单原子催化领域的重要进展,重点介绍了新的催化剂制备方法、单原子金催化剂在CO氧化中的进展、单原子钯/铂催化的选择性加氢反应以及铂或非贵金属单原子催化剂在电化学中的应用等.在催化剂的合成方面,用传统的湿化学方法制备的单原子催化剂通常金属负载量较低,使得催化剂的常规表征比较困难.最近发展的一系列新型合成方法例如原子层沉积法、高温蒸汽转移法、光介还原法以及热解法等制备M?N?C等非贵金属催化剂等,尽管有不同程度的局限性,但均可以成功制备高负载量的单原子催化剂.单原子催化剂的载体得到了拓展,除传统的金属氧化物外,金属有机框架材料和二维材料等均被用于单原子催化剂的制备.在单原子催化剂的应用方面,金由于较高的电负性和与氧的弱相互作用能力,因而与氧化物载体作用较弱,不易形成单原子催化剂.但近期报道了成功制备的单原子金催化剂,在CO氧化反应、乙醇脱氢和二烯加氢反应中都有不错的进展.本文还介绍了铂和钯单原子(合金)催化剂在加氢反应中的优异活性及选择性,表明了单原子催化剂在选择性上的优势.将一种金属掺杂到另一种金属基底中制备的单原子合金催化剂也因其特异的性能备受关注.此外,对于化工生产中典型的均相催化反应,如氢甲酰化,单原子催化剂在无外加膦配体的情况下表现出高活性的同时还能很好地控制化学选择性,甚至达到令人满意的区域选择性,从实验上证明了单原子催化剂有望作为沟通均相催化和多相催化的桥梁.单原子催化剂在电催化和光催化中也得到了快速发展.铂单原子催化剂因其高原子利用率和高稳定性,在析氢反应和氧还原反应中有着良好的应用前景.另一方面,非贵金属特别是Co单原子催化剂在光电催化中因其优异的活性和巨大潜力得到了较深入的研究.除了上述进展,单原子催化领域还有许多基本问题需要继续深入研究,对单原子催化剂更加全面透彻的认识将为设计发展新型催化体系,扩展单原子催化领域提供指导和借鉴.     

担载型钌催化剂吸附CO性能的原位红外研究

用原位红外研究了ＣＯ的吸附与脱附，ＣＯ／Ｈ２的共吸附及反应，考察了焙烧温度对Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３及Ｒｕ／ＳｉＯ２催化剂的影响，结果表明，经不同温度焙烧的催化剂样品，其吸附性能有很大差别。随着焙烧温度的升高，金属－载体相互作用增强，导致ＣＯ吸附量减少。Ｒｕ／Ａｌ２Ｏ３吸附的ＣＯ较稳定，而Ｒｕ／ＳｉＯ２吸附的ＣＯ在高温易脱附。各不同ＣＯ吸会态间、多重态更易发生反应。在未焙烧的Ｒｕ／ＳｉＯ２低ＣＯ／Ｈ２反应     

CO2 reforming of methane over nickel catalysts supported on nanocrystalline MgAl2O4 with high surface area

In this paper dry reforming of methane (DRM) was carried out over nanocrystalline MgAl2O4-supported Ni catalysts with various Ni loadings. Nanocrystalline MgAl2O4 spinel with high specific surface area was synthesized by a co-precipitation method with the addition of pluronic P123 triblock copolymer as surfactant, and employed as catalyst support. The prepared samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), N2 adsorption, H2 chemisorption, temperature-programmed reduction (TPR), temperature-programmed oxidation (TPO), temperature- programmed desorption (TPD) and transmission and scanning electron microscopies (TEM, SEM) techniques. The obtained results showed that the catalyst support has a nanocrystalline structure (crystal size: about 5 nm) with a high specific surface area (175 m2 g-1) and a mesoporous structure. Increasing in nickel content decreased the specific surface area and nickel dispersion. The prepared catalysts showed high catalytic activity and stability during the reaction. SEM analysis revealed that whisker type carbon deposited over the spent catalysts and increasing in nickel loading increased the amount of deposited carbon. The nickel catalyst with 7 wt% of nickel showed the highest catalytic activity.     

Supercritical carbon dioxide: an inert solvent for catalytic hydrogenation?

Various surface species originating from the reaction between CO2 and H2 over Al2O3-supported Pt, Pd, Rh, and Ru model catalysts were investigated by attenuated total reflection infrared (ATR-IR) spectroscopy under high-pressure conditions. Two different spectroscopic cells were used: a variable-volume view cell equipped with ATR-crystal and transmission IR windows (batch reactor) and a continuous-flow cell also equipped with a reflection element for ATR-IR spectroscopy. The study corroborated that CO formation from dense CO2 in the presence of hydrogen occurs over all Pt-group metals commonly used in heterogeneous catalytic hydrogenations in supercritical CO2 (scCO2). In the batch reactor cell, formation of CO was detected on all metals at 50 and 90 degrees C, with the highest rate on Pt. Additional surface species were observed on Pt/Al2O3 at 150 bar under static conditions. It seems that further reaction of CO with hydrogen is facilitated by the higher surface concentration at higher pressure. In the continuous-flow cell, CO coverage on Pt/Al2O3 was less prominent than that in the batch reactor cell. A transient experiment in the continuous-flow cell additionally revealed CO formation on Pt/Al2O3 at 120 bar after switching the feed from a H2-ethane to a H2-CO2 mixture. The in situ ATR-IR measurements indicate that CO formation in CO2-H2 mixtures is normally a minor side reaction during hydrogenation reactions on Pt-group metal catalysts, and dense ("supercritical") CO2 may be considered as a relatively "inert" solvent in many practical applications. However, blocking of specific sites on the metal surface by CO and consecutive products can affect structure sensitive hydrogenation reactions and may be at the origin of unexpected shifts in the product distribution.     

Pt-CeO2/SiO2催化剂用于室温湿空气中CO氧化反应

开发室温CO氧化催化剂的主要挑战是CO自中毒和慢的表面动力学,同时湿气的存在也可导致催化剂失活.本文开发了高活性CeO2促进的Pt基催化剂4%Pt-12%CeO2/SiO2,用于室温湿气(湿度10%?90%,25°C)中CO氧化反应,在低CO浓度(<500 ppm)和高CO浓度(>2500 ppm)时,CO转化率高于99%.优化了催化剂制备变量,如Pt和CeO2负载量、CeO2沉积方法、CeO2和Pt前驱体的干燥和焙烧条件.采用CO/H2化学吸附、O2-H2滴定、X射线衍射和BET比表面积测定表征了催化剂的表面特性,并将其与催化剂活性相关联.结果表明,CeO2沉积方法对催化剂活性影响显著,当用浸渍法沉积CeO2时,所得催化剂的反应速率(5.77μmol/g/s)比用沉积沉淀法(1.96μmol g?1 s?1)或CeO2嫁接法(1.31μmol g?1 s?1)制得催化剂的高3倍.O2-H2滴定结果表明,当用浸渍法沉积CeO2时,CeO2和Pt的紧密结合导致了催化剂的高活性.催化剂载体的选择也非常重要,硅胶负载的催化剂活性(5.77μmol g?1 s?1)是氧化铝负载的(1.05μmol g?1 s?1)5倍.当反应受内扩散控制时,催化剂载体的粒径和孔结构影响非常大.另外,CeO2和Pt前驱体的干燥和焙烧条件对催化剂活性的影响至关重要.当Pt和CeO2含量分别大于2.5和15 wt%时,所得催化剂在室温条件下活性高(TOF>0.02 s?1),稳定性好(反应15 h,CO转化率≥99%).     

Selective Amplification of CO Bond Hydrogenation on Pt/TiO2: Catalytic Reaction and Sum‐Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Studies of Crotonaldehyde Hydrogenation

The hydrogenation of crotonaldehyde in the presence of supported platinum nanoparticles was used to determine how the interaction between the metal particles and their support can control catalytic performance. Using gas‐phase catalytic reaction studies and in situ sum‐frequency generation vibrational spectroscopy (SFG) to study Pt/TiO₂ and Pt/SiO₂ catalysts, a unique reaction pathway was identified for Pt/TiO₂, which selectively produces alcohol products. The catalytic and spectroscopic data obtained for the Pt/SiO₂ catalyst shows that SiO₂ has no active role in this reaction. SFG spectra obtained for the Pt/TiO₂ catalyst indicate the presence of a crotyl‐oxy surface intermediate. By adsorption through the aldehyde oxygen atom to an O‐vacancy site on the TiO₂ surface, the C?O bond of crotonaldehyde is activated, by charge transfer, for hydrogenation. This intermediate reacts with spillover H provided by the Pt to produce crotyl alcohol.