聚乙烯吡咯烷酮对Pt/Ru双金属纳米簇的结构和催化性能影响（英文）

以乙二醇为还原剂,通过微波热辐射制备得到稳定的Pt/Ru双金属胶体纳米簇,各颗粒粒径在1~2 nm范围。考察了聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对Pt/Ru双金属纳米簇表面原子组成及催化性能的影响。结果表明,PVP与金属前体之间的不同相互作用影响Pt/Ru双金属纳米簇的形成。在Pt/Ru双金属纳米簇形成之前加入PVP,Pt原子更容易富集在双金属表面,有利于增加Pt在催化反应中的作用。在PVP稳定的Pt/Ru双金属纳米簇中,除了零价态的Pt、Ru单质外,还存在氧化态的Pt化合物,归因于PVP与Pt前体的相互作用。在环己烯加氢反应中,PVP-Pt/Ru双金属纳米簇显示出比单金属纳米簇更优越的催化性能。     

聚乙烯吡咯烷酮对Pt/Ru双金属纳米簇的结构和催化性能影响

以乙二醇为还原剂,通过微波热辐射制备得到稳定的Pt/Ru双金属胶体纳米簇,各颗粒粒径在1~2nm范围。考察了聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对Pt/Ru双金属纳米簇表面原子组成及催化性能的影响。结果表明,PVP与金属前体之间的不同相互作用影响Pt/Ru双金属纳米簇的形成。在Pt/Ru双金属纳米簇形成之前加入PVP,Pt原子更容易富集在双金属表面,有利于增加Pt在催化反应中的作用。在PVP稳定的Pt/Ru双金属纳米簇中,除了零价态的Pt、Ru单质外,还存在氧化态的Pt化合物,归因于PVP与Pt前体的相互作用。在环己烯加氢反应中,PVP-Pt/Ru双金属纳米簇显示出比单金属纳米簇更优越的催化性能。     

Pt/Ni双金属纳米溶胶的制备及催化制氢性能

采用化学共还原法制备了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)稳定的Pt/Ni双金属纳米溶胶.采用紫外-可见光谱(UV-Vis)、透射电子显微镜(TEM)对所合成的Pt/Ni双金属纳米溶胶进行了表征, 并系统研究了PVP用量、还原剂用量和浓度、双金属比例对该双金属纳米溶胶催化剂催化性能的影响.结果表明, 所制备的双金属纳米溶胶的平均粒径在2.0 nm左右, Pt/Ni双金属纳米溶胶的催化活性比Pt及Ni单金属纳米溶胶的高, 当Pt/Ni摩尔比为1:4时, 纳米溶胶的催化活性最高, 其活性值为16640 mol_H2·mol_Pt^-1·h^-1.所制备的Pt/Ni双金属纳米溶胶催化剂具有很好的耐久性, 5次催化实验后该催化剂仍保持较高的催化活性.该双金属纳米溶胶催化NaBH₄水解反应的活化能为48 kJ/mol.     

双金属催化剂催化间苯氧基苯甲醛加氢反应

利用硼氢化钠还原含其它金属盐的氯铂酸形成双金属合金纳米催化剂.Ru和Co的加入能提高催化剂的活性,当Pt/Ru摩尔比为5∶1、Pt/Co摩尔比为7∶1时,双金属协同效应最明显;Cu、Au、Ni的加入不同程度的降低了催化剂的活性.对Pt/Ru和Pt/Co体系,PVP的含量和反应温度都对催化反应的活性有影响.     

“非保护型”金属胶体纳米簇形成机理研究

碱-乙二醇法制备的"非保护型"金属及合金纳米簇由表面吸附的溶剂分子和简单离子实现稳定化,它们被广泛用于制备高性能复相催化剂和研究复相催化剂中的尺寸、组成、载体表面基团以及修饰剂对催化性能的影响。关于此类非保护金属纳米簇的形成过程及机理的认识尚有待进一步深化。本文采用原位快速扫描X射线吸收精细结构谱(QXAFS)、原位紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、透射电子显微镜和动态光散射技术研究了碱-乙二醇法合成中非保护型金属胶体纳米簇的形成过程与机理。结果表明,在碱-乙二醇法合成非保护型Pt金属纳米簇的过程中,室温下即有部分Pt(IV)被还原至Pt(II)。随着反应温度的升高,OH-逐渐取代与Pt离子配位的Cl-,在Pt―Pt键形成之前,反应体系的UV-Vis吸收光谱中可观察到明显的纳米粒子的散射信号,原位QXAFS分析表明Pt纳米簇是由Pt氧化物纳米粒子还原所形成的;在Ru金属纳米簇的形成过程中,OH-首先取代了Ru Cl_3中的Cl~-,形成羟基配合物Ru(OH) _6~(3-),后者进一步缩合形成氧化钌纳米粒子,最终Ru金属纳米簇由乙二醇还原氧化钌纳米粒子形成。由于先形成了氧化物纳米粒子,后续的还原反应被限制在氧化物纳米粒子内,使最终得到的非保护型金属纳米簇具有尺寸小、分布窄的特点。本工作所获得的知识对发展高性能能源转化催化剂、精细化学合成催化剂、传感器等功能体系具有重要意义。     

O2 和 CO 在 Co2B2/TiO2 和 Co2B2Pt/TiO2 表面吸附的密度泛函研究

 采用密度泛函理论探讨了 TiO2 表面负载 Co2B2 和 Co2B2Pt 合金簇可能的负载构型. 结果表明, Co2B2 和 Co2B2Pt 合金簇倾向于以两个 Co 的形式负载在两个氧上. 态密度分析发现, 负载后, Co2B2 合金簇中部分 Co 原子和 B 原子成键加强, Co2B2Pt 合金簇中 Pt 原子和 B 原子成键也加强, 形成新的轨道. CO 和 O2 在 Co2B2/TiO2 和 Co2B2Pt/TiO2 表面吸附的结果表明, Co2B2Pt/TiO2 催化氧化 CO 性能的提高是由于 Pt 原子提高了 Co2B2 合金簇吸附 CO 和 O2 的能力.     

阵列纳米管中铂:钌原子比对甲醇电催化氧化活性的影响（英文）

采用电化学沉积技术在3-氨丙基三甲基硅氧烷修饰的多孔氧化铝膜板中制备了具有不同Pt/Ru原子比的双元Pt/Ru阵列纳米管电极（NTAEs）。分别用X-射线衍射和扫描电镜表征了催化剂结构和形态。电化学结果表明：通过控制前驱沉积液的浓度可得到不同PtRu原子比的NTAEs。所制备的Pt 或 Pt/Ru合金阵列纳米电极的真实表面积大,催化活性强,有利于物质传输,对甲醇电氧化显示出显著的催化性能。实验中还系统研究了催化剂组成与CO和CH3OH电催化氧化性能的关系,发现Pt/Ru=50:50的阵列纳米管电极对CO电氧化显示出最好的催化活性;对甲醇电氧化,则Ru原子比为40%的催化剂显示最佳催化性能。     

甲醇在欠电位沉积Ru修饰Pt电极上的催化氧化

采用欠电位沉积(upd)方法在Pt 表面沉积亚单层的Ru制备出upd-Ru/Pt 电极. 通过欠电位沉积前后电极在0.5 mol·L-1 H2SO4溶液中循环伏安图-152 - 128 mV(vs Ag/AgCl)电位范围内对氢区的数值积分确定Pt表面Ru 的覆盖度. 用电化学方法测试了甲醇在upd-Ru/Pt电极上的催化氧化, 并讨论分析了欠电位沉积电位和Ru的表面覆盖度对甲醇氧化的影响. 结果表明, Ru能够欠电位沉积到Pt表面. Pt表面欠电位沉积少量的Ru 即能大大促进甲醇的氧化.只要控制upd-Ru的沉积量, upd-Ru原子就能大大促进甲醇氧化而与沉积电位无关. Ru原子对甲醇氧化的促进作用与Ru和Pt是否形成合金无关, 而取决于Ru 在Pt表面的百分含量.     

Pd单原子/团簇高效催化铃木偶联反应

铃木偶联反应是合成聚烯烃、苯乙烯和联苯衍生物等功能性有机化合物的有力工具,广泛应用于精细化工、制药和生化工业领域.钯(Pd)基催化剂是目前性能最好的铃木偶联反应催化剂,但钯的低丰度和高成本限制了其大规模应用.因此,提高Pd原子的利用效率,降低Pd用量至关重要.减小金属纳米粒子的尺寸,使其成为小团簇甚至孤立的金属原子是实现金属原子高利用率的有效方法之一.此外,与纳米晶体相比,高度分散的Pd原子和具有低配位和不饱和构型的亚纳米团簇可能会导致催化活性位点数量增加,进而提升Pd基催化剂的性能.然而,高表面自由能使得合成高度分散的Pd单原子和亚纳米团簇变得困难,因此,如何制备具有优异铃木偶联反应催化性能的Pd单原子/团簇催化剂是一个极具挑战性的课题.本文开发了一种溶液快速退火(SRA)工艺来稳定氮掺杂介孔碳负载的Pd单原子/团簇(Pd/NMC),制得的催化剂表现出较好的催化铃木偶联反应性能.透射电子显微镜结果表明,所制Pd/NMC催化剂中Pd以单原子和小金属团簇(粒径为0.3-1.1 nm)的形式高度分散在氮掺杂介孔碳载体的表面;X射线衍射结果表明,该催化剂没有与Pd相关的衍射峰,进一步证明了Pd以单原子和小金属团簇,而非纳米晶的形式存在.这得益于SRA工艺创造的不平衡热条件,抑制了Pd原子的团聚,提高了Pd原子在载体表面的分散性.与商业Pd/C催化剂相比,Pd/NMC催化剂对氯苯的铃木偶联反应表现出更好的催化性能(100%的选择性和95%的产率)和稳定性(循环使用10次后活性几乎没有衰减),此外对其他衍生物底物同样表现出较好的催化性能.第一性原理计算表明,在Pd(111)上联苯解吸的吉布斯自由能为3.24 eV,显著高于Pd₁/NMC(0.72 eV)和Pd₁₃/NMC(1.31 eV),在理论上同样证明了与Pd纳米颗粒相比,Pd单原子/团簇催化剂更有利于反应物的转化.此外,本文新开发的前驱体SRA工艺可被用作稳定金属团簇(例如Pd、Pt、Ru)的通用方法,为构建高效、高度分散的金属原子和亚纳米团簇催化剂提供了新的可能性.     

单原子催化剂M1/FeOx(M=Pt,Fe)的理论研究:CO氧化反应

负载型纳米贵金属催化剂是用于多相催化反应的重要的催化剂之一,也是各国催化科学与技术研发的重点,其工业应用也越来越广泛.理论和实验的研究结果均表明,当载体表面的金属粒子尺寸减小至亚纳米级乃至更小的低配位、不饱和的原子团簇时,它们常常成为诱发催化反应的活性中心,呈现更高的催化活性和选择性.将负载的金属尺寸由纳米量级减小至分散的金属团簇甚至单原子而使每个原子成为反应的活性位点已成为研究的重点.最近,由张涛等首次合成的单原子催化剂(SAC)Pt1/FeOx引起了国内外催化及表面科学工作者的极大关注.单原子催化剂作为连接均相催化剂和多相催化剂的桥梁,不仅具有非均相催化剂的稳定、易于与反应体系分离、易表征等优点,而且具有均相催化剂活性中心结构均一、活性中心原子利用率百分之百等优点.一方面,单原子催化剂给多相催化领域注入了新的活力,另一方面也更有利于运用量子与计算化学的研究方法建立与实验相匹配的理论模型并从原子水平上进一步理解多相催化反应的微观作用机理.实验和理论的研究结果表明,其它单原子催化剂如Ir1/FeOx,Au1/FeOx和Ni1/FeOx催化CO氧化反应表现出不同的活性.然而,底物FeOx中的Fe同样是第VIII族中的3d过渡金属,却在低温下对CO氧化反应没有催化活性.我们围绕这一问题,重点研究了底物FeOx在负载单原子Pt1前后催化CO氧化的反应机理和活性,解释了单原子催化剂Pt1/FeOx相比于底物FeOx为何具有如此高的催化活性的原因.我们采用Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)从头算模拟软件和密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)进行了理论计算.其中,选择PBE泛函描述体系的交换关联相互作用,用投影缀加波(PAW)赝势基组方法描述体系中的电子和离子实之间的相互作用,对Fe原子采用了DFT+U方法进行d电子强相关校正,并使用Dimer计算方法搜寻反应过渡态.研究结果表明,底物FeOx中氧空位的再生伴随第二个CO2分子从催化剂表面脱附的过程需要较高的活化势垒(1.09 eV),这一过程是整个CO氧化反应的决速步.与此相比较,Pt1/FeOx催化剂中,由于Pt原子代替了表面Fe原子,导致电子结构及性质的显著变化,有利于CO的活化、氧化和CO2的脱附.我们从电子能量态密度(DOS)和Bader电荷分析及模型分子团簇的轨道相互作用的角度进一步分析了两种催化剂存在差异的本质;揭示了单原子催化剂Pt1/FeOx中Pt1和底物FeOx之间的相互作用的机理及催化剂表面Pt单原子在催化反应过程中的关键作用.     

From Adlayer Islands to Surface Alloy: Structural and Chemical Changes on Bimetallic PtRu/Ru(0001) Surfaces

The correlation between structural and chemical properties of bimetallic PtRu/Ru(0001) model catalysts and their modification upon stepwise annealing of a submonolayer Pt‐covered Ru(0001) surface up to the formation of an equilibrated Pt_xRu_1?x/Ru(0001) monolayer surface alloy was investigated by scanning tunneling microscopy and by the adsorption of CO and D₂ probe molecules. Both temperature‐programmed desorption and IR measurements demonstrate the influence of the surface structure on the adsorption properties of the bimetallic surface, which can be explained by changes of the composition of the adsorption ensembles (ensemble effects) for D adsorption and by changes in the electronic interaction (ligand effects, strain effects) of the metallic constituents for CO and D adsorption upon alloy formation.     

Density functional theory study of water activation and COads + OHads reaction on pure platinum and bimetallic platinum/ruthenium nanoclusters

A density functional theory study of the elementary steps that lead to the removal of CO(ads(Pt)) over alloyed and sequentially deposited Pt/Ru bimetallic nanoclusters is presented. The reaction energies and activation barriers for the H2O(ads(Ru)) dissociation and CO(ads(Pt)) + OH(ads(Ru)) reaction are estimated in solid-gas interface and in a microsolvated environment to determine which surface morphology is more tolerant to COads poisoning. On the basis of the energetics, the sequentially deposited Pt/Ru nanocluster is predicted to be a much more promising anode catalyst than the alloy cluster surface in fuel cell applications.     

硝基芳烃氢化还原反应中高分子负载催化剂的双金属协同效应

制备了聚Ｎ－乙烯基－２－吡咯烷酮ＰＶＰ负载钯催化剂Ｐｄ／ＰＶＰ及各种双金属催化剂（１－ｍ）Ｐｄ－ｍＭ／ＰＶＰ，并用于硝基芳烃的加氢还原中，其中Ｐｄ／ＰＶＰ中加入Ｈ２ＰｔＣｌ６的效果最佳，碱的用量、溶剂和Ｐｄ、Ｐｔ的比例都对催化剂的活性有明显的影响，双金属催化剂０．８０Ｐｄ－０．２０Ｐｔ／ＰＶＰ在温和条件下能高活性，高选择性地催化硝基芳烃还原，得到相应的芳胺。     

SYNTHESIS OF POLYMER-STABILIZED PLATINUM/RUTHENIUM BIMETALLIC COLLOIDS AND THEIR CATALYTIC PROPERTIES FOR SELECTIVE HYDROGENATION OF CROTONALDEHYDE

Polymer-stabilized platinum/ruthenium bimetallic colloids （Pt/Ru） were synthesized by polyol reduction with microwave irradiation and characterized by TEM and XPS. The colloidal nanoparticles have small and narrow size distributions. Catalytic performance of the Pt/Ru colloidal catalysts was investigated on the selective hydrogenation of crontonaldehyde （CRAL）. A suitable amount of the added metal ions and base can improve the selectivity of CRAL to crotylalcohol （CROL） remarkably. The catalytic activity and the selectivity are dependent on the compositions of bimetallic colloids. Thereinto, PVP-stabilized 9Pt/1Ru colloid with a molar ratio of metals Pt：Ru = 9：1 shows the highest catalytic selectivity 77.3% to CROL at 333 K under 4.0 MPa of hydrogen.     

Hydrogenation of Benzonitrile on Sn-Pt/SiO2 Catalysts Prepared by Introducing SnEt4 to Pt/SiO2: Role of Tin

Liquid phase hydrogenation of benzonitrile was studied over Sn-Pt/SiO₂ catalysts prepared by introducing tetraethyl tin onto the 3 wt.% Pt/SiO₂ catalyst. Tin content of the catalysts ranged from 0.05 to 0.63 wt.%, whereas Sn/Pt surface atomic ratios determined by chemisorption measurements were between 0.1 to 3.5. Dibenzylamine selectivity influenced to a small extent by the level of conversion and the Sn/Pt ratio wasca. 75 %. The addition of tin to Pt in the range of (Sn/Pt)_surface = 0.50–1.25 led to an increase in the turnover frequency (TOF) by a factor of 2. TOF showed a maximum at a surface atomic ratio of Sn/Pt = 1. The enhancement of catalyst activity upon the addition of tin is explained by the formation of Sn⁺-Pt ensemble sites on the surface of bimetallic nanoclusters. It is suggested that highly dispersed positively charged tin species, by polarizing the triple bond, enhance the reactivity of the -CN group. Calcination at 300°C followed by re-reduction of the catalysts resulted in a monotonic decrease of specific activity with increasing Sn/Pt ratio.     

Spatially resolved 195Pt NMR of carbon-supported PtRu electrocatalysts: local electronic properties, elemental composition, and catalytic activity

While bimetallic nanoparticles (NPs) offer greater tunability of their catalytic performance than their monometallic counterparts, their detailed mechanistic characterizations are still of a great challenging prospect, particularly at nanoscale. In this paper, we describe a unique (195)Pt nuclear magnetic resonance (NMR) based in situ technique that in principle enables us to access local elemental composition and electronic information across the dimension of the Pt-based NPs with decent spatial resolution. When combined with electrochemical analysis, it opens a way to correlate the local elemental composition and electronic properties with the catalytic activity of the bimetallic NPs. Specifically, from the (195)Pt NMR analysis we concluded that (1) for the PtRu/carbon nanofibers, Ru segregates at the surface while Pt does so inside the NPs; (2) alloying Ru substantially reduces the E(F) local density of states (LDOS) at the Pt atoms; (3) the larger variation in s-like E(F) LDOS at the surface region of the PtRu/graphite nanofibers may imply a higher diversity of catalytic sites available for reactions, therefore explains the observed higher reactivity in methanol electro-oxidation.     

Temperature-dependent structuring of Au-Pt bimetallic nanoclusters on a thin film of Al2O3/NiAl(100)

Au-Pt bimetallic nanoclusters on a thin film of Al(2)O(3)/NiAl(100) undergo significant structural evolution on variation of the temperature. Au and Pt deposited sequentially from the vapor onto thin-film Al(2)O(3)/NiAl(100) at 300 K form preferentially bimetallic nanoclusters (diameter ≦ 6.0 nm and height ≦ 0.8 nm) with both Au and Pt coexisting at the cluster surface, despite the order of metal deposition. These bimetallic clusters are structurally ordered, have a fcc phase and grow with their facets either (111) or (001) parallel to the θ-Al(2)O(3)(100) surface. Upon annealing the clusters to 400-500 K, the Au atoms inside the clusters migrate toward the surface, resulting in formation of a structure with a Pt core and an Au shell. Annealing the sample to 500-650 K reorients the bimetallic clusters--all clusters have their (001) facets parallel to the oxide surface--and induces oxidation of Pt. Such annealed bimetallic clusters become encapsulated with the aluminium-oxide materials and a few Au remain on the surface.     

Pt-Ru合金薄膜的电沉积制备及其电化学表面增强红外吸收光谱

在1mmol·L-1H2PtCl6+1mmol·L-1RuCl3+0.1mol·L-1H2SO4镀液中采用电沉积法在化学镀金膜的红外窗口Si反射面上制备Pt50Ru50合金电极.利用原子力显微镜(AFM)可以观察到制备的Pt50Ru50合金电极形貌呈现出100-200nm大小的颗粒.常规电化学分析方法得出该电极具有典型的合金特征,对CO和CH3OH具有很好的催化氧化作用.应用电化学现场衰减全反射表面增强红外光谱法(ATR-SEIRAS)可以观察到该电极上Pt位和Ru位上CO的振动谱峰,且表现出Pt-Ru二元金属良好的协同催化性能.