低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

负载型Au-Pd双金属催化剂的制备及其对CO氧化的催化活性

采用改性的等体积浸渍法制备了SiO2负载的Au-Pd双金属催化剂,考察了催化剂的焙烧温度对CO氧化反应活性的影响.与623,723和773K的条件下焙烧的催化剂相比,673K焙烧的催化剂具有良好的催化CO氧化活性,CO完全转化温度低于398K.应用N2物理吸附、X射线衍射、程序升温还原、CO程序升温脱附及X射线光电子能谱等技术对催化剂进行了表征.结果表明,673K焙烧的催化剂具有最大的比表面积和最小的孔径,存在Au0,Pd0和PdO相,AuxPdy合金相很少;而773K焙烧的催化剂上除了含有Au0,Pd0和PdO相外,还存在明显的AuxPdy合金相.具有大比表面积,小孔径,Au0,Pd0和PdO多相共存的催化剂可使CO的吸附量增加,催化活性提高;而AuxPdy合金相的生成并不能提高催化剂的催化活性.     

单层分散型Pd/Ni双金属催化剂的制备及其催化加氢性能

通过置换反应制备了Pd/Ni双金属催化剂,利用X射线衍射、CO化学吸附和吸附H2的程序升温脱附对其进行了表征,并测定了该催化剂对环己烯、苯乙烯和丙酮气相加氢反应的催化性能.结果发现,在这种催化剂中Pd原子单层分散在金属Ni的表面,因而该催化剂表现出比浸渍法制备的相同Pd含量的Pd/Ni-im和Pd/-γAl2O3催化剂更高的催化加氢活性.     

基于SnO2为修饰层的Au-Pt / SnO2 / Au复合电极研究

用真空镀膜法在Au电极上沉积SnO₂薄膜，在HAuCl₄和H₂PtCl₄的混合溶液中利用直接还原法，将Au-Pt双金属纳米颗粒组装在SnO₂ / Au电极上，得到Au-Pt / SnO₂ / Au复合电极。采用SEM、TEM、XPS及CV曲线测定对Au-Pt / SnO₂ / Au复合电极进行了表征。结果表明:复合电极上双金属纳米颗粒分布均匀，粒子粒径约为25 nm左右。SnO₂作为修饰层以配位键与双金属纳米粒子结合。Au-Pt / SnO₂ / Au复合电极具有良好对甲醇氧化的电化学性能。     

Pt-FeOx催化剂微结构对催化CO氧化性能的影响

借助较为成熟的纳米技术手段,采用PVP为保护剂、乙二醇为还原剂制备具有不同Pt/Fe比例的双金属纳米粒子,最终通过氧化处理获得具有不同微结构环境的纳米Pt-FeO_x催化剂,并以此为模型考察它们对CO氧化性能的影响。结果表明FeO_x物种的数量一方面影响Pt物种的价态,同时也影响Fe物种自身的氧化还原性质,这些性质直接和间接地影响着CO和氧分子的活化,Pt周围适量FeO_x物种的存在对构建高活性CO氧化催化剂有利。     

Au促进Pt/WO3催化甘油氢解制1,3-丙二醇

近年来, 以生物质为基础的生物柴油得到了迅速发展, 导致了粗甘油过剩. 通过甘油选择性氢解制1,3-丙二醇, 进而被用于合成高价值的聚对苯二甲酸丙二醇酯被认为是最具工业应用潜力的反应之一, 对于提高生物柴油的利用效率有着极其重要的意义. 但由于反应空间位阻和热力学上的限制给甘油氢解制1,3-丙二醇带来了很大的挑战, 因此需要设计高活性的金属-酸双功能催化剂以降低甘油第二个C-O键断裂的活化能和减少其他副反应的发生. 目前Pt-W和Ir-Re双功能催化剂可高选择性制得1,3-丙二醇, 但仍需较严苛的反应条件实现对氢气的活化和解离. 本课题组曾将准单原子/单原子Pt高度分散于具有大量氧空位和酸位点的WOx载体上, 十分有利于甘油选择性氢解制1,3-丙二醇反应; 在Au-Pt/WOx催化剂中添加Au可促进B酸产生, 进而提高了甘油转化率和1,3-丙二醇的选择性.为了进一步研究Au对Pt/WOx催化剂结构和催化性能的影响, 本文利用CTAB辅助吸附法制备了Au/WO3, 再浸渍Pt制得Pt/Au/WO3双金属催化剂. 在甘油选择性氢解制1,3-丙二醇反应中, 所制催化剂表现出比Au-Pt/WOx更好的催化活性, 1,3-丙二醇时空收率为0.078 g1,3-PDO/(gcat·h), 是后者的1.95倍. 值得一提的是, Au-Pt/WOx催化剂在低压时活性较高, 而Pt/Au/WO3催化剂活性则在压力的升高而提高; 另外反应温度的升高导致副产物正丙醇的选择性上升, 1,3-丙二醇的选择性降低. 因此, 适宜的反应条件为155℃和5 MPa. 与Pt/WO3和Pt/WOx相比, Pt/Au/WO3表现出了更优异的催化性能, 其1,3-丙二醇的时空收率是Pt/WO3的2.36倍和Pt/WOx的4倍.为了探究Au的掺入对Pt/WOx催化剂性能的影响, 通过XRD, TEM, H2-TPR和XPS等技术对催化剂进行了深入表征. 结果表明, 与Pt/WO3相比, Pt/Au/WO3-600催化剂的XRD衍射峰向小角度偏移, 其原因是Au3+离子半径(0.85 ?)比W6+的(0.60 ?)大, Au3+以取代晶格W6+形式进入WO3晶格中; 对H2-TPR前300 ℃耗氢量的计算可知:Pt/WO3可被还原至Pt/WO2.96, 而Pt/Au/WO3可被还原至Pt/Au/WO2.91. 因此与Pt/WO3相比, Pt/Au/WO3表面氧空位更加丰富. TEM和XPS表征可知, 添加0.1 wt%Au后, 促进了更低价态的Pt均匀分散在WO3载体上, 其平均粒径为2.36 nm.综上所述, Au的掺杂改变了Pt/Au/WO3双金属催化剂的结构, 不仅降低了Pt和W的还原温度, 削弱了Pt和W之间的相互作用, 也促进了更低价态的Pt均匀分散于WO3载体上, 使得Pt/Au/WO3双金属催化剂在甘油氢解制1,3-丙二醇反应中具有更为优异的活性和产物选择性. 该催化剂有望被广泛运用于其他生物质平台化合物加氢脱氧的反应中.     

双金属在掺硼金刚石表面电化学共沉积-共溶出模型

采用微分脉冲阳极溶出伏安法, 研究了Ag+、Cu2+、Pb2+、Sn2+、Cd2+等多种共存金属离子在掺硼金刚石(BDD)表面双金属共沉积-共溶出电化学行为. 结果表明, 双金属在掺硼金刚石膜表面的共沉积-共溶出模型是由金属本身的析出电位, 金属之间的相互作用, 金属离子和溶液间的相互作用等多种因素决定的. 微分阳极溶出法的研究结果表明, 双金属在掺硼金刚石电极上的共沉积-共溶出过程表现出金属1溶出-金属2溶出、金属1溶出-析氢-金属2溶出、金属1溶出-金属合金溶出-金属2溶出、金属1溶出-析氢-金属2络合物形成-金属2溶出等四种模型.     

杂环化聚丙烯亚胺树状聚合物负载钌铑双金属纳米粒子的制备及在催化丁腈橡胶氢化中的应用

以十五元三烯氮杂大环改性的不同代数聚丙烯亚胺树状聚合物(Gn-M,n=2,3,4)为模板,通过共络合-还原方法制备了一系列钌/铑双金属纳米粒子[Gn-M(RuxRh100-x)DTNs,x为Ru摩尔分数],并将其应用于丁腈橡胶(NMR)的催化氢化.用紫外-可见光谱(UV-Vis)、X射线衍射分析(XRD)及X射线能谱(EDS)表征DTNs的金属组成和结构,结果表明,DTNs上的双金属离子被还原成金属单质并负载于Gn-M上;粒度分析结果表明,G2-M(Ru50Rh50),G3-M(Ru50Rh50)和G4-M(Ru50Rh50)DTNs的平均粒径分别为7.5,8.1和4.5 nm.凝胶测试及核磁共振波谱(1H NMR)结果表明,Ru/Rh DTNs催化剂对丁腈橡胶的催化氢化反应具有良好的选择性.当以G4-M(Ru30Rh70)DTNs为催化剂时,NBR的氢化度最高可达99.51%,循环使用2次后,丁腈橡胶的氢化度仍可达到90.58%.     

贫燃条件 In-Ag/TiO2-γ-Al2O3催化 CO选择性还原NO

汽车尾气中主要污染成分 CO和 NOx可导致酸雨、光化学烟雾和臭氧空洞效应,对生物、环境及生态系统造成重大危害。污染源中 CO是性能优良的还原剂,如能不添加还原剂实现 CO催化还原 NOx,将成为最具经济技术优势的 NOx脱除技术。在富氧、低温条件下,利用 CO选择性催化还原 NOx为 N2,是目前选择性催化还原研究中的热点和难点。催化 CO还原 NOx常用的贵金属 Ir, Rh, Pt和Pd矿藏稀少,价格昂贵,有氧条件下活性急降,而分子筛催化剂和一些金属氧化物催化剂普遍存在反应温度高,尤其对 N2选择性差等问题。为解决上述问题,需寻找新的适合我国矿产资源的催化体系。研究发现,稀散金属基催化剂对氮氧化物的净化具有一定效果,因而可将我国的稀散金属资源优势转化为技术优势和经济优势。因此,本文以 TiO2-γ-Al2O3(TA)为载体, In/Ag为活性组分,采用等体积浸渍法制备了 InAg/TA以及 In/TA, Ag/TA和InAg/Al (γ-Al2O3为载体)催化剂,考察了贫燃条件下 CO选择性还原NO的催化活性。研究表明,双金属催化剂InAg/Al和 InAg/TA的活性比单金属催化剂In/TA和 Ag/TA高, In/TA催化剂中引入 Ag物种能降低起燃温度;另外,相比于InAg/Al催化剂, InAg/TA催化剂具有较高的催化活性,550?600°C时 N2产率超过60%,说明载体中引入TiO2可以提高催化剂活性。为了深入研究 InAg/TA催化剂中 Ag物种和TiO2对 In物种的作用,通过比表面测定、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱、紫外-可见光吸收光谱、氢气程序升温还原、傅立叶变换红外线光谱等方法分析了催化剂结构和表面形态。结果表明, Ag物种可以提高 In物种的分散性, In和 Ag物种在 TA载体表面可以很好地分散,从而有利于提高催化活性。 In和 Ag物种在 TA载体表面以氧化态形式存在,并且 Ag物种可以提高 In物种表面含量,表面 In和 Ag物种含量越高,吸附活性位越多,催化活性越高;同时, TiO2也可以促进 NO吸附,从而提高 InAg/TA催化剂活性。 InAg/TA催化剂在450°C连续反应72 h进行稳定性测试,测试前后分别在50?600°C进行活性测试,并用 XRD和 TEM对反应后的催化剂进行表征测试。结果表明, InAg/TA催化剂具有较好的稳定性,连续反应前后催化剂活性基本保持不变,推测可能由于在有 CO和O2存在的体系中, Ag物种利用自身 Ag+与 Ag0之间的氧化还原反应抑制了活性组分 In2O3的还原和聚集,稳定了 In物种乃至催化剂活性。 InAg/TA催化剂用于贫燃条件下CO还原NO具有较好的催化效果,主要归因于催化剂活性组分分散性好,稳定性高,对NO吸附能力强。 Ag物种可以稳定In物种并提高其分散性, TiO2可以改善In物种和Ag物种的分散性并促进NO吸附。     

金/钯双金属纳米颗粒协同催化酰胺和醇间氢自转移反应中路易斯酸驱动反应路径

金属纳米颗粒,特别是金和它的双金属纳米颗粒作为强大的绿色催化剂广泛用于有机合成反应中。在一个反应体系中使用2个不同催化剂(如协同催化),在均相催化中是一个很好的策略。然而,这种方法仍在发展中。最近我们发现,金/钯双金属纳米颗粒与路易斯酸的协同催化体系可用于伯胺的N-烷基化：即酰胺与醇之间的氢自转移反应。我们详细报道了路易斯酸对该氢自转移反应的影响。结果表明,所选的路易斯酸不仅影响生成目标产物的反应路径,而且影响生成多个中间体和副产物的反应路径。弱的路易斯酸,如三氟甲磺酸碱土金属盐,非常适合酰胺的N-烷基化反应。