通过CeO_x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（英文）

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CeO_x对Au纳米粒子进行修饰,得到的CeO_x@Au/SiO_2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CeO_x成功地修饰在Au纳米颗粒上.且通过EDTA引入CeO_x所制备的CeO_x@Au/SiO_2催化剂结构明显不同于直接加入纳米CeO_2所得到的CeO_x-Au/SiO_2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CeO_x与Au间相互作用,最终在Au纳米粒子表面形成丰富的CeO_x颗粒与原子级厚度的CeO_x层.进一步应用X射线光电子能谱(XPS)和氢气程序升温还原(H_2-TPR)等手段研究了CeO_x修饰对Au纳米粒子的影响.XPS结果表明,CeO_x@Au/SiO_2催化剂带正电的Au~+和Au~(3+)的浓度明显高于一般的Au/SiO_2和直接加入CeO_2制备得到的CeO_x-Au/SiO_2催化剂.H_2-TPR同样表明,CeO_x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CeO_x@Au/SiO_2催化剂用于CO催化氧化反应中,160℃时,CO转化率达98.8%,至180℃后实现了CO的完全转化.而一般的Au/SiO_2催化剂在160℃时CO转化率仅为4.0%,CO的完全转化则需340℃.直接加入纳米CeO_2所得到的CeO_x-Au/SiO_2催化剂,其催化活性略有提升,CO完全转化所需的温度为300℃.这充分证明了通过CeO_x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,CeO_x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CO_3~(2-)物种信号,反映了CeO_x@Au/SiO_2催化剂表面存在丰富的活性氧物种.通入O_2后,观察到了大量CO_3~(2-)物种信号和气相CO_2,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CeO_x@Au/SiO_2催化剂的耐久性,发现经50hCO氧化反应,催化剂依然能有效保持活性.相比之下,Au/SiO_2催化剂经10 h反应后,开始明显失活.由此可见,CeO_x@Au/SiO_2催化剂具有相当高的耐久性.在600℃将催化剂焙烧3 h,发现Au/SiO_2催化剂中Au纳米粒子存在明显团聚现象,而CeO_x@Au/SiO_2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.     

无溶剂法合成ZSM-5/SiC整体式催化剂制备生物燃料

传统合成整块载体负载分子筛催化剂的方法是水热法,这样往往伴随水资源浪费和釜内空间利用率低的问题.本文报道了应用无溶剂法在蜂窝结构的碳化硅(SiC)表面原位生长ZSM-5分子筛.进一步采用该法将Pd纳米粒子限域在ZSM-5分子筛内,合成Pd@ZSM-5/SiC双功能催化剂,并在油酸甲酯加氢反应中表现出较高的活性和高碳烷烃选择性.结果发现,Pd@ZSM-5/SiC表现出高选择性和耐久性,这归因于SiC优异的传质和导热特性.X射线衍射、扫描电子显微镜和氮气吸附等结果表明,通过无溶剂法合成的分子筛具有很高的结晶度和纯度;高分辨透射电镜结果表明,在Pd@ZSM-5和Pd@ZSM-5/SiC催化剂中,Pd纳米粒子均被良好封装,并且粒径无明显差别,因此排除金属活性中心粒径的干扰.油酸甲酯的直接加氢脱氧/脱羧可以制备具有高附加值的长链碳氢化合物,而碳氢化合物的裂解通常会伴随着低碳化合物等副产物的生成.我们比较了两种催化剂在350-500℃的转化率和高碳烷烃的选择性差异.在相同反应条件下,Pd@ZSM-5/SiC催化剂上油酸甲酯转化率始终高于Pd@ZSM-5.例如在450℃,Pd@ZSM-5和Pd@ZSM-5/SiC的转化率分别为97.6%和78.2%,当温度提升至500℃,Pd@ZSM-5/SiC将油酸甲酯完全转化,而Pd@ZSM-5的转化率仅为88%.在350℃时,Pd@ZSM-5/SiC以脱羧反应为主,其中C17和C18的选择性分别为67.3%和20.1%,C6-12和C13-16选择性分别为2.4%和5.0%.相比之下,Pd@ZSM-5催化剂C17的选择性为39.4%,C18的选择性为13.2%,C6-12和C13-16选择性分别为20.2%和20.6%.由此可见,Pd@ZSM-5对于高附加值的长链碳氢化合物的选择性远低于Pd@ZSM-5/SiC;这可能与在Pd@ZSM-5催化剂上更容易发生烷烃裂解副反应有关.值得注意的是,虽然升高温度会促进碳氢化合物的裂解,但是在Pd@ZSM-5/SiC催化剂上高碳化合物依然较多.例如,在500℃时,裂解是Pd@ZSM-5催化剂上的主要反应,C1-5的选择性高达50.1%,C6-12的选择性高达37.0%;而在Pd@ZSM-5/SiC的产物中,C13-16的选择性为40.0%,C17-18的选择性更是高达16.7%.此外,在450℃的油酸甲酯加氢连续实验中,Pd@ZSM-5/SiC比Pd@ZSM-5表现出更好的耐久性,且催化剂失活后可以通过焙烧手段再生.上述结果表明,Pd@ZSM-5/SiC催化剂有利于加氢脱氧/脱羧反应制备有价值的高碳烃产品,更能抑制裂解副反应的进行.相比之下,传统的粉末催化剂对裂解产物仍具有较高的选择性,尤其是在较高的反应温度下.SiC载体的引入有利于高碳产物的传质,从而抑制了裂解反应.此外,碳化硅良好的导热性可以有效地防止催化剂在反应中的过热,同样有利于抑制碳氢化合物的裂解.     

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.