CO在Pd/Al2O3壳型催化剂上的吸脱附和表面氧化反应

在高真空系统中采用化学吸附,T2D和T2SR技术研究了CO在Pd/Al_2O_3壳型催化剂上的吸脱附行为和表面氧化反应。结果表明在室温下CO不仅吸附在Pd原子上,还可以吸附在Al_2O_3上,其中一部分是易于脱附的弱吸附,在室温～450℃之间出现相当于三种吸附型式的程脱峰。低温和中温程脱峰中以CO为主,CO_2占少量。高温程脱峰中CO_2显著增多。当先吸附氧,后吸附CO时,则发生剧烈的表面氧化反应。还发现CO在PdO/Al_2O_3上的化学吸附键合能力比在Pt/Al_2O_3上弱。Pd在Al_2O_3上的壳层厚度太薄,晶粒增大至一定程度时,CO化学吸附中心数目明显减少。 根据实验结果讨论了CO在Pd/Al_2O_3壳型催化剂上的表面氧化反应机理,Pd价态和晶粒大小与CO吸脱附行为之间的联系。     

Pd/Al2O3催化剂制备因素的研究

Pd/Al_2O_3催化剂的制备通常包括浸渍、烘干、焙烧和还原等步骤。当改变pH值时,H_2PdCl_4溶液以及H_2PdCl_4-Al_2O_3样品的紫外吸收光谱发生变化。可能是H_2PdCl_4在Al_2O_3表面发生配位吸附。用光学显微镜、俄歇光谱、H_2-O_2滴定技术考察了H_2PdCl_4浸渍液的pH值变化时所制得的Pd/Al_2O_3催化剂表面性质发生的变化。TPSR的结果表明,钯的晶粒大小在34—75埃之间时,对CO的表面氧化反应影响不大。从俄歇线扫描发现壳型Pd/Al_2O_3催化剂在焙烧过程中金属钯向表层迁移。     

低温下Pt/Al_2O_3和Pd/Al_2O_3光辅助乙二醇水相重整制氢研究

采用浸渍还原法制备了氧化铝负载的Pt和Pd纳米颗粒催化剂,用于光辅助乙二醇水相重整制氢反应。结果表明,光照能够有效降低乙二醇水相重整制氢的活化能,Pt/Al_2O_3比Pd/Al_2O_3具有更高的H_2转换频率(TOF)和更低的CO选择性。采用XRD、TEM、UV-vis等技术对催化剂的结构和形貌进行了表征,原位漫反射红外光谱(DRIFTS)表明,光照能促进乙二醇分子O-H键的断裂。理论计算表明,Pt/Al_2O_3催化乙二醇重整制氢反应产物中较低的CO选择性主要归因于CO在Pt表面较小的反应能垒,能够较快与H_2O解离的O反应生成CO_2。     

H_20对CO在Pt/Al_20_3上吸附态的影响

利用红外光谱方法考察了在Pt/Al_2O_3催化剂上Pt晶粒大小和共吸附H_2O对CO吸附态的影响。共吸附H_2O可使CO在Pt/Al_2O_3上的线式吸收带产生远大于文献报道过的红移(△vco=40厘米~(-1) ),谱带宽化和强度增加,而在Pt/SiO_2催化剂上则没有发现类似的效应。还发现CO的吸收带位置因Pt粒子大小不同而异,当D_(pt)足够大时,在共吸附H_2O的作用下,CO在Pt/Al_2O_3上的线式吸收带分裂成双峰,其中高波数峰对H_2O的作用不敏感,低波数峰对H_2O的作用敏感。提出了Al_2O_3表面羟基可以和CO吸附态之间形成氢键的观点,可用以解释在Al_2O_3上高分散的Pt上和纯Pt金属表面上CO吸附态的不同特征。     

CO氢化催化剂表面活性位的动态法研究

用程序升温表面反应(TPSR)和程序升温还原(TPR)以及过渡应答(TR)等动态手段研究Ni/Al_2O_3催化剂表面上CO氢化反应的活性位状况。结果表明, 催化剂表面存在两种类型的活性位。其中A位来自表面上的聚晶体Ni, B位来自Ni与载体Al_2O_3强相互作用形成的Ni-Al化合物。实验结果还表明, CO在两个活性位都有吸附, 但在有H_2参与的条件下, 会影响二个活性位上的CO吸附量。     

用程序升温氧化技术研究Pt/Al2O3催化剂的积炭

用程序升温氧化(TPO)和氢化学吸附研究了Pt/Al_2O_3和Pt-Sn/Al_2O_3催化剂的表面积炭。表明炭可沉积在金属活性中心上,也可沉积在酸性中心部位。在单铂和铂锡催化剂上都有两个代表沉积在金属中心的TPO峰。铂锡催化剂的两个峰的峰温比单铂的高,终合法制备的铂锡催化剂不仅峰温向高温位移,而且温度范围变窄。在催化剂表面积炭过程中测定的氢化学吸附表明:氢吸附量开始下降很快,并逐渐变慢直至保持不变。说明铂表面的某些部位容易积炭,另一些部位难以积炭。对于Pt/Al_2O_3,有15%的铂表面是裸露的。Sn的加入减少了表面积炭,使裸露表面增加到30%。     

循环积炭-烧炭处理对Pt/Al_2O_3和PtSn/Al_2O_3催化剂表面性质的影响——Ⅱ.再生催化剂的表面反应

应用C_2H_4-H_2滴定方法考察了Pt/Al_2O_3和PtSn/A1_2O_3催化剂经过n-C_4H_(10)积炭反应及氧烧炭循环后催化剂金属中心的变化。发现随循环次数增加,Sn对Pt表面的分割作用减弱,催化剂单铂中心减少而多铂中心增加。积炭催化剂的程序升温表面反应进一步揭示了多次循环后PtSn/Al_2O_3催化剂上烃分子脱氢深度增加,表面含炭物加氢活性减弱。表明经过循环积炭-烧炭处理的双金属PtSn催化剂一定程度地表现出Pt/Al_2O_3催化剂的性质。     

CO在Pt/A12O3催化剂上歧化的研究

利用程序升温脱附(TPD)和差分红外光谱方法研究了CO在Pt/Al_2O_3上的吸附和脱附。发现CO在Pt/A1_2O_3上的TPD谱存在一系列的极大值,由TPD气相产物的组成分析证明除了CO外,尚有CO_2。从差分红外光谱研究发现CO在Pt/Al_2O_3上被吸附时,随温度升高发生歧化反应,生成的CO_2同Al_2O_3表面形成一系列的羧基、羧化物、碳酸盐吸附态,它们的热稳定性不同,热脱附时产生的CO_2则是由这些吸附态脱附而形成的。TPD图谱中的一系列的极大值同这些吸附态的脱附有关。     

Pd/Al2O3催化剂上CO的吸附型式和加氢表面反应

研究了CO在Pd/Al_2O_3催化剂上的化学吸附、红外光谱和加氢表面反应。催化剂中Pd含量和分散度对CO化学吸附中心数目和吸附型式的影响比较显著。随Pd含量或分散度的降低,CO红外振动频率带强度逐渐减小,甚至消失。CO在0.5—6.0％Pd催化剂上有两种相当于桥式和线式的吸附态,在程序升温过程中,CO在Pd上的桥式吸附态比线式吸附态稳定。根据红外光谱和程序升温表面反应实验结果,阐述了CO吸附态和表面反应之间的关系。此外,还从金属与担体相互作用的观点讨论了CO线式振动频带向高波数发生位移的原因。     

Sb对Pd基催化剂用于常压直接合成H_2O_2的促进效应（英文）

H_2O_2作为一种高效绿色氧化剂,广泛应用于造纸、纺织、水处理等工业领域.目前蒽醌法是工业上生产H_2O_2的主要方法,相比之下,利用H_2和O_2直接合成H_2O_2,能耗低,污染小,适合与下游工艺技术进行耦合.而缺乏高性能催化剂是制约直接法合成H_2O_2工业化的主要原因.本文通过浸渍法制备了一系列负载型Pd-Sb/TiO_2双金属催化剂,并用于常压下H_2O_2直接催化合成反应.利用透射电子显微镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS),H_2/O_2程序升温脱附(H_2/O_2-TPD),X射线衍射(XRD),原位CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱(CO-DRIFTS)等手段对催化剂的电子和几何结构进行解析,深入研究了助剂Sb对该体系的促进作用.结果显示,与单金属Pd催化剂相比,适量金属Sb的加入有效提高了催化性能,抑制了副反应的发生.当Pd/Sb摩尔比为50/1(Pd50Sb)时,H_2O_2的选择性高达73%;但是当Pd/Sb为2时,催化剂对生成H_2O_2几乎没有活性.TEM和XRD证明,Sb的加入显著促进了Pd颗粒在载体TiO_2上的分散.XPS和H_2-TPD实验,发现,Sb改变了催化剂表面Pd~(2+)/Pd0的比例,抑制了金属Pd的氧化;同时,Sb主要以氧化态存在,在催化剂表面形成Sb_2O_3氧化层,覆盖表面的Pd活性位,从而抑制了反应中H_2在催化剂表面的活化以及H_2O_2加氢副反应的发生.O_2-TPD结果表明,随着Sb的加入,O_2的脱附峰明显减弱,表明Pd-Sb/TiO_2不利于O_2的解离吸附.此外,原位CO-DRIFTS实验结果表明,Sb均匀分布在Pd-Sb催化剂表面,致使有利于生成H_2O的连续Pd活性位明显减少,而有利于合成H_2O_2的单个Pd原子活性位明显增加.总的来说,Sb对Pd表面起到了显著的修饰作用,提高了催化剂表面O_2的非解离活化,从而促进了H_2O_2的高选择性合成.但是过量Sb的加入会抑制催化剂对H_2的活化作用,致使催化剂活性下降,因此优选Pd/Sb的比例对于提高催化剂性能具有重要作用     

CO在Pd系双金属及其单金属催化剂上的吸脱附红外光谱

红外光谱表明吸附在担载于Al_2O_3上的Pd-Cu、Pd-Ag、Pd-Co和Pd-Pt 双组分催化剂上的CO仍保持其在单金属上的主要吸附物种,但其部分CO吸收带发生位移,吸附的CO易于脱附.CO在还原态Pd-Cu和Pd-Ag双金属催化剂上以吸附于Pd上者为主,其吸收带明显变弱而更易脱附.在Pd- Pt和Pd-Co氧化和还原态催化剂上CO桥式和线式吸收带强度比发生显著变化.似乎在这二类双金属催化剂上的几何结构效应比电子配位效应更为明显.     

（PdCl2—PVP）／Al2O3催化剂中Pd状态的探讨

氯化钯先锚定在聚乙烯吡咯烷酮上后进一步负载到Al_2O_3上所制的催化剂[简称(PdCl_2-PVP)/Al_2O_3]是一种活性、选择性高,稳定性好的烯烃、二烯烃和多烯烃加氢催化剂。本文结合加氢反应,使用XPS、FT-IR、电镜及用CO为探针的FT-IR,对这种催化剂进行了考察。实验说明,在这种催化剂中,钯的价态是在0—2之间。红外光谱在486cm~(-1)处有一微弱的小峰,说明存在Pd—N的配位键。催化剂中钯含量低时(0.2wt％)稳定性好,不吸附CO,活性中心是络合钯原子;当钯含量较高时(0.7wt％),催化剂的初活性虽不低,稳定性却较差,这种催化剂能吸附CO,IR谱图上仅在1919cm~(-1)处有CO桥式吸附态的伸缩振动。表明除络合钯原子外,还有聚集的钯金属存在。FT-IR尚表明,PVP在Al_2O_3上可能并非单纯的物理吸附。电镜结果表明,PVP在Al_2O_3上呈30—70(?)的微球状,(PdCl_2-PVP)/Al)_2O_3上的(PdCl_2-PVP)亦呈微球状,与前者无明显区别,这种催化剂中其活性中心是络合钯原子。     

常压下Pt/Al2O3催化剂的正庚烷脱氢芳构化活性中心

Pt/Al_2O_3是烃类转化反应的重要催化剂.研究Pt/Al_2O_3的活性相性质及其和反应性能之间的对应关系,在实用上和理论上都具有十分重要的意义.我们发现Pt/Al_2O_3催化剂中存在低温活性相和高温活性相,它们分别和低温吸附氢中心及高温吸附氢中心相对应,低温活性相是脱氢和氢解反应的活性部位.Menon也曾发现低温吸附氢中心和烃类氢解反应有对应关系.对重整反应最为重要的脱氢芳构化反应的活性中心问题研     

担载金属催化剂硫中毒机理及其再生方法研究 Ⅰ.Pd(Pt)/Al_20_3催化齐H_2—O_2反应下硫中毒机理的研究

使用催化色谱、TPR、XPS、AES、XRD、IR,研究了Pd(Pt)/Al_2O_3催化剂在H_2-O_2反应下的硫中毒机理.结果表明,催化剂硫中毒失活的机理随O_2/H_2比不同而不同.在“弱氧化气氛”下,中毒为不可逆,中毒失活主要是由于金属组分体相及表相,特别是表相被严重硫化.“强氧化气氛”下,一定范围内中毒具有某种程度的可逆性.当反应过程中生成的SO_4~(-2)在催化剂中大量聚积时,除金属组分被硫化外,SO_4~(-2)对活性表面的覆盖和屏蔽是催化剂失活的重要原因.     

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.     

TPR-IR，TPSR-IR法研究Ni/Al2O3和Ni/MgO催化剂的担体效应

用程序升温反应原位红外跟踪法(TPR-IR),程序升温表面反应法(TPSR)和程序升温表面反应原位红外跟踪法(TPSR-IR)研究了Ni/Al_2O_3,Ni/MgO催化剂的甲烷化反应。发现Ni/Al_2O_3催化剂的活性高于Ni/MgO催化剂,而后者的CO_2选择性远高于前者。通过观察程序升温反应过程中CO吸附态的动态行为,考察了催化剂活性中心的种类和性质,从表面键的角度分析了表面碳物种与活性中心的关系,认为担体对催化剂活性的影响在于改变了催化剂活性中心的种类和性质,担体改变CO_2产物的选择性可能是担体影响了金属中心上的两个竞争反应,其微观机制可能与CO_2由镍中心向MgO担体上的迁移有关。     

负载型贵金属催化剂Pd(Pt)/A1_2O_3的硫中毒机理

以CO和吡啶为分子探针,用红外分光光度计对用于合成尿素工业消除CO_2原料气中微量氢气的Pd(Pt)/Al_2O_3催化剂进行了表征。结果表明,负价硫(S~(2-),S_2~(2-)是使催化剂失活的直接原因,而高价硫(SO_4~(2-),Al_2O_3-SO_3-H_2O)是失活的最终原因。     

炭载Pd-Pt催化剂中Pd和Pt原子比对直接甲醇燃料电池阴极催化性能的影响

研究了不同Pd和Pt原子比的炭载Pd-Pt(Pd-Pt/C)催化剂对氧还原的电催化性能和抗甲醇性能。 发现当Pd和Pt原子比从20∶0增加至17∶3时,Pd-Pt/C催化剂对氧还原的电催化活性逐步增加,而对甲醇氧化均元电催化活性,表明有很好的抗甲醇能力。 但当Pd和Pt原子比增加至16∶4时,虽然对氧还原的电催化活性还在增加,但抗甲醇能力下降。 所以当Pd-Pt原子比为17∶3时,Pd-Pt/C有很好的对氧还原的电催化性能和抗甲醇能力,可以用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的阴极催化剂。     

载体对Pt，Pd催化氧还原反应影响的DFT研究

针对Pt,Pd对氧气还原（ORR）催化活性随着载体从C到TiO2改变而发生变化的实验现象,采用密度泛函方法（DFT）从理论角度研究了C和TiO2载体对Pt和Pd催化氧还原活性的影响。首先,在外加电场情况下,计算了电子给体（催化剂）与受体（氧气）之间轨道对称性,能级差以及轨道重叠程度。发现与C（110）载体相比,TiO2（110）载体可以有效地增大Pd／TiO2 HOMO轨道的空间尺寸,克服了Pd／C的HOMO与O2的LUMO空间尺寸悬殊,重叠性小,因而电子转移的困难。其次,计算了ORR中间物种（Oads）在不同催化剂表面的吸附能,发现Oads在Pt／TiO2上的吸附能大于Pd／TiO2。计算的差分电子密度与分态密度显示,由于Pt与TiO2（110）表面Ti的强相互作用,增强了Oads的吸附,阻碍了ORR后续反应的进行;而Pd与TiO2表面。的强相互作用,则削弱了中间物种Oads在Pd上的吸附,使ORR后续反应顺利进行,成功地解释了为什么氧还原反应在Pd／TiO2上好于Pt／TiO2上的量子化学根源。研究显示：TiO2担载的Pt、Pd催化剂上催化ORR的活性比C担载的小,既有催化剂颗粒尺度和分散性的原因,也有电子学和量子化学方面的原因,通过增加TiO2载体的氧空位或掺杂以提高TiO2的导电性、提高金属在TiO2载体上的分散度,能够进一步提高Pd／TiO2催化氧还原反应的活性。     

有序介孔三氧化二锰负载PdPt合金:一种高效的甲烷催化燃烧催化剂（英文）

甲烷作为一种清洁廉价的碳氢能源,广泛应用于运输业和其它工业领域.但是其本身是一种比二氧化碳导致全球变暖效应更强的温室气体,而且甲烷直接燃烧会产生其它污染物,比如一氧化碳、氮氧化物、未充分燃烧的碳氢化合物等.因此有必要开展有关甲烷催化燃烧的研究工作,以大幅度降低起燃温度,提高燃烧效率,有效地减少污染副产物的产生.由于具有较好的低温催化活性,Pd基催化剂常用于甲烷的催化燃烧.但是Pd基催化剂也存在一些亟需解决的问题,比如在催化燃烧过程中活性相结构不稳定.PdO通常被认为是碳氢化合物催化氧化中的活性相,但是在高温下PdO分解为Pd,导致催化活性下降.PdO遇到含水或硫的化合物时会生成惰性的Pd(OH)_2或稳定的硫化物,造成活性物种的流失,从而降低催化剂的性能.如果在材料中添加另一种贵金属Pt,使之与Pd一起形成贵金属合金,则可提高其低温催化燃烧的活性,增加Pd基催化剂的热稳定性以及抗水和抗硫能力.另一方面,过渡金属氧化物价格便宜,热稳定性以及抗硫性较好,也常作为甲烷燃烧的催化剂.其中三氧化二锰由于具有可变的氧化态以及较好的储氧能力受到了广泛关注.本课题组采用KIT-6作为硬模板,先合成具有有序介孔结构的Mn_2O_3(meso-Mn_2O_3)纳米催化剂,然后通过聚乙烯醇(PVA)保护的液相共还原法分别制备meso-Mn_2O_3担载Pd,Pt及PdPt合金的纳米催化剂(x(Pd_yPt)/meso-Mn_2O_3;x=(0.10-1.50)wt%;Pd/Pt摩尔比(y)=4.9-5.1).XRD结果表明,合成的meso-Mn_2O_3具有立方相晶体结构.其BET比表面积为106 m~2/g.由TEM照片可观察到粒径范围为2.1-2.8 nm的贵金属纳米颗粒均匀分散在meso-Mn_2O_3表面.通过XPS分析可知,结合能在529.6和531.2 eV的峰可分别归属于晶格氧(O_(latt))和表面吸附氧(O_(ads)).Pd~0和Pd~(2+)以及Pt~0和Pt~(2+)也均可通过曲线拟合后进行分峰确定.XPS定量分析结果表明,样品的O_(ads)/O_(latt)摩尔比有如下顺序:1.41(Pd_(5.1)Pt)/meso-Mn_2O_3(0.77)1.40Pd/meso-Mn_2O_3(0.69)0.72(Pd_(5.1)Pt)/meso-Mn_2O_3(0.65)1.42Pt/meso-Mn_2O_3(0.63)0.07(Pd4.9Pt)/meso-Mn_2O_3(0.53)0.07(Pd_(4.9)Pt)/bulk-Mn_2O_3(0.52)meso-Mn_2O_3(0.45),这与其催化活性的顺序一相致.该结果表明,高的吸附氧物种浓度有利于甲烷催化燃烧.负载Pd,Pt或Pd Pt以后的样品的表面吸附氧物种浓度显著提高,催化活性最好的1.41(Pd_(5.1)Pt)/meso-Mn_2O_3样品具有最高的吸附氧物种浓度.负载PdPt合金可有效提高催化剂对甲烷燃烧的催化活性.1.41(Pd_(5.1)Pt)/meso-Mn_2O_3催化剂的活性最好:在空速为20000 mL/(g×h)的条件下,甲烷燃烧的T_(10%),T_(50%)和T_(90%)分别为265,345和425 ℃.此外,还考察了引入一定量的SO_2,CO_2,H_2O和NO对甲烷在1.41(Pd_(5.1)Pt)/meso-Mn_2O_3催化剂上氧化反应的影响,发现引入少量的Pt可提高催化剂抗SO_2,CO_2和H_2O的能力,但是NO对甲烷燃烧的还原效应也不可忽视.基于催化剂物化性质的表征结果和活性数据,我们认为1.41(Pd_(5.1)Pt)/meso-Mn_2O_3优异的催化性能与其拥有高质量的三维有序多孔结构、高的吸附氧物种浓度、优良的低温还原性以及Pd-Pt合金与meso-Mn_2O_3载体之间的强相互作用有关.