TiO2晶面依赖的Ir-TiOx相互作用对Ir/TiO2催化剂巴豆醛选择性加氢性能的影响

α,β-不饱和醇是一类重要的精细化学品,主要通过α,β-不饱和醛选择性加氢获得.由于α,β-不饱和醛分子中含有共轭的C=C键和C=O键,且后者键能更大,在热力学和动力学上均不利于C=O键的选择性加氢生成α,β-不饱和醇.因此,提高α,β-不饱和醛中C=O的加氢选择性是催化领域中一项挑战性的课题.巴豆醛属于典型的α,β-不饱和醛,研究其选择性加氢生成巴豆醇具有广泛的代表意义;Ir负载在具有还原性载体(如TiO2)上时,表现出很好的C=O加氢选择性,因此,成为近年来的研究热点.由于暴露不同晶面的TiO2具有不同的形貌和电子结构,因此研究Ir-TiO2相互作用的晶面依赖性及其对巴豆醛选择性加氢反应的影响具有重要意义.本文以分别暴露{101}、{100}和{001}晶面的锐钛矿TiO2纳米晶为载体,制备了负载型Ir/TiO2催化剂,系统研究了催化剂经过不同的预处理过程(在不同温度下H2还原和O2再氧化)后对巴豆醛的气相选择性加氢的性能.利用高分辨透射电镜、原位X射线光电子能谱和原位漫反射红外光谱及氨程序升温脱附等技术研究发现,预处理条件显著改变了Ir-TiOx的相互作用,包括Ir金属的几何、电子性质及催化剂表面酸性.这种相互作用与TiO2的暴露晶面密切相关,从而改变了不同Ir/TiO2催化剂上不同加氢反应行为.研究结果表明,经300℃预还原的Ir/TiO2-{101}催化剂催化性能最好,在80℃下初始反应速率为166.1 μmol g-Ir-1 s-1,巴豆醇的生成转化频率为0.022 s-1.与其他催化剂相比,Ir/TiO2-{101}催化剂表面Ir0浓度最高,表面酸度适中,因此表现出最佳的催化性能.同时Ir-TiOx界面在反应中的协同作用,对H2和巴豆醛分子中C=O键的吸附和活化起到了关键作用.然而当催化剂经过400℃的H2预还原后,由于产生了强的金属-载体相互作用使得TiOx对Ir粒子进行了包裹从而导致Ir-TiOx界面缺失,因而催化剂催化巴豆醛加氢性能降低.本文为理解金属-载体相互作用对巴豆醛选择性加氢反应的影响提供了新的见解,并为设计高性能α,β-不饱和醛选择性加氢催化剂提供了理论依据.     

NO2在Ag/Pt(110)双金属表面上的吸附和分解

利用俄歇电子能谱(AES)和程序升温脱附谱(TDS)研究了NO₂在Ag/Pt(110)双金属表面的吸附和分解.室温下NO₂ 在Ag/Pt(110)双金属表面发生解离吸附, 生成NO(ads)和O(ads)表面吸附物种. 在升温过程中NO(ads)物种发生脱附或者进一步分解. 500 K时NO₂在Ag/Pt(110)双金属表面发生解离吸附生成O(ads)表面吸附物种. Pt 向Ag传递电子, 从而削弱Pt－O键的强度, 降低O(ads)从Pt 表面的并合脱附温度. 发现能够形成具有稳定组成的Ag/Pt(110)合金结构, 其表现出与Pt(110)-(1×2)相似的解离吸附NO₂能力, 但与O(ads)的结合明显弱于Pt(110)-(1×2). 该AgPt(110)合金结构是可能的低温催化直接分解氮氧化物活性结构.     

NO在Ag/Pt(110)-(1×2)双金属表面的吸附：亚硝酸盐/硝酸盐表面物种的生成

以俄歇电子能谱、X射线光电子能谱和热脱附谱研究了室温下NO在Ag/Pt(110)-(1×2)双金属表面的吸附. 在该双金属表面上观察到了可能的亚硝酸盐/硝酸盐表面物种,其在更高温度下分解生成N₂. 然而,室温下NO在清洁Pt(110)表面和Ag-Pt合金表面上并不会生成这种亚硝酸盐/硝酸盐表面物种. 亚硝酸盐/硝酸盐表面物种的形成归因于高度配位不饱和Ag粒子的高活性及其与Pt基底之间的协同作用.     

CexTi1-xO2复合氧化物表面结构和体相结构的演变

利用X射线衍射、N₂吸附等温线、X射线光电子能谱、X射线吸收谱、H₂-程序升温还原、甲基橙选择化学吸附和等电点测定等方法研究了共沉淀方法制备的一系列Ce_xTi_1-xO₂复合氧化物的结构. 成功发展了甲基橙选择化学吸附和等电点方法研究Ce_xTi_1-xO₂复合氧化物的最外层表面结构, 并定义了“等价CeO₂表面覆盖度”来描述Ce_xTi_1-xO₂复合氧化物的最外层表面结构. Ce_xTi_1-xO₂复合氧化物 (x ≥ 0.7)形成立方萤石相固溶体, Ce_0.3Ti_0.7O₂表现出纯的单斜相, 而其它复合氧化物表现出混合相. Ce_xTi_1-xO₂复合氧化物最外层表面结构的演变行为不同于其体相结构.Ce_0.7Ti_0.3O₂立方萤石相固溶体最外层表面已经部分形成了单斜相Ce_0.3Ti_0.7O₂, 随Ce含量的降低, 单斜相Ce_0.3Ti_0.7O₂从最外层表面向体相生长. Ce_xTi_1-xO₂复合氧化物立方萤石相固溶体和单斜相Ce_0.3Ti_0.7O₂分别在相对较低和较高的温度表现出好的还原性能. 上述结果提供了全面和深层次的Ce_xTi_1-xO₂复合氧化物结构信息.     

在太阳光照射和不外加酸下TiO2双功能催化剂光催化还原Cr(VI)离子

利用硫酸氧钛铵的热分解控制制备了氮和硫共同掺杂的TiO₂双功能光催化剂. TiO₂双功能光催化剂同时具备光催化性能和较强的Br?nsted酸性,因此能够在太阳光照射和不外加酸下有效光催化还原Cr(VI)离子. 其光催化还原Cr(VI)离子的活性要优于通过外加硫酸调节到等同pH值和太阳光照射下P25光催化剂光催化还原Cr(VI)离子的活性.     

不同晶相结构和形貌TiO2负载Ru催化剂的CO选择甲烷化

用水热法得到的钛酸纳米纤维前体,通过不同后处理方法合成了多种纳米结构的TiO₂．采用N₂等温吸附和BET比表面、X射线衍射、透射电镜和能量分散X射线分析表征了TiO₂及负载Ru催化剂的微结构,包括比表面、晶相结构和形貌以及Ru纳米颗粒尺寸分布等．对负载Ru催化剂在富氢条件下CO选择甲烷化反应活性测试表明：金红石相TiO₂和TiO₂-B为载体负载的Ru催化剂比锐钛矿相TiO₂负载的Ru催化剂表现出更高的反应性能．其活性区别说明了不同晶相结构和形貌TiO₂载体与Ru纳米颗粒的相互作用存在差异．     

一维锰氧化物纳米棒在以O2为氧源的苯甲醇氧化反应中的催化性能

采用水热法合成MnOOH一维纳米线,通过MnOOH在不同气氛和温度中煅烧得到尺寸和形貌相似的不同锰氧化物,并用于以O₂为氧源的苯甲醇液相氧化反应. 结果表明,MnO₂对苯甲醇氧化反应具有较高的催化活性. 通过XPS、SEM、TEM和H₂-TPR等手段对催化剂的形貌和结构进行了表征,并讨论了可能影响反应活性的一些因素. MnO₂的良好催化性能可能与其晶格氧具有较高的迁移率以及氧化还原能力有关. 通过简单的焙烧处理,可以使MnO₂催化剂在苯甲醇氧化反应中具有良好的重复使用性.     

甲酸在Au（997）台阶表面的氧化反应

金催化是纳米催化的代表性体系之一,但对金催化作用的理解还存在争议,特别是金颗粒尺寸对其催化作用的影响.金颗粒尺寸减小导致的表面结构主要变化之一是表面配位不饱和金原子密度的增加,因此研究金原子配位结构对其催化作用的影响对于理解金催化作用尺寸依赖性具有重要意义.具有不同配位结构的金颗粒表面可以利用金台阶单晶表面来模拟.我们研究组以同时具有Au(111)平台和Au(111)台阶的Au(997)台阶表面为模型表面,发现Au(111)台阶原子在CO氧化、NO氧化和NO分解反应中表现出与Au(111)平台原子不同的催化性能.负载型Au颗粒催化甲酸氧化反应是重要的Au催化反应之一.本文利用程序升温脱附/反应谱(TDS/TPRS)和X射线光电子能谱(XPS)研究了甲酸在清洁的和原子氧覆盖的Au(997)表面的吸附和氧化反应,观察到Au(111)台阶原子和Au(111)平台原子不同的催化甲酸根氧化反应行为.与甲酸根强相互作用的Au(111)台阶原子表现出比与甲酸根弱相互作用的Au(111)平台原子更高的催化甲酸根与原子氧发生氧化反应的反应活化能.在清洁Au(997)表面,甲酸分子发生可逆的分子吸附和脱附.甲酸分子在Au(111)台阶原子的吸附强于在Au(111)平台原子的吸附. TDS结果表明,吸附在Au(111)台阶原子的甲酸分子的脱附温度在190 K,吸附在Au(111)平台原子的甲酸分子的
　　脱附温度在170 K. XPS结果表明,分子吸附甲酸的C 1s和O 1s结合能分别位于289.1和532.8 eV.利用多层NO2的分解反应在Au(997)表面控制制备具有不同原子氧吸附位和覆盖度的原子氧覆盖Au(997)表面,包括氧原子吸附在(111)台阶位的0.02 ML-O(a)/Au(997)、氧原子同时吸附在(111)台阶位和(111)平台位的0.12 ML-O(a)/Au(997)、氧原子和氧岛吸附在(111)平台位和氧原子吸附在(111)台阶位的0.26 ML-O(a)/Au(997). TPRS和XPS结果表明,甲酸分子在105 K与Au(997)表面原子氧物种反应生成甲酸根和羟基物种,但甲酸根物种的进一步氧化反应依赖于Au原子配位结构和各种表面物种的相对覆盖度.在0.02 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时, Au(111)台阶位氧原子完全反应,甲酸过量.表面物种是Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和甲酸分子.在加热过程中,甲酸分子与羟基在181 K反应生成甲酸根和气相水分子(HCOOH(a)+ OH(a)= H2O + HCOO(a)),甲酸根在340 K发生歧化反应生成气相HCOOH和CO2分子(2HCOO(a)= CO2+ HCOOH).在0.12 ML-O(a)/Au(997)和0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时,甲酸分子完全反应,原子氧过量.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和原子氧.在加热过程中, Au(111)平台位和Au(111)台阶位的甲酸根分别在309和340 K同时发生氧化反应(HCOO(a)+ O(a)= H2O + CO2)和歧化反应(2HCOO(a)= CO2+ HCOOH)生成气相CO2, H2O和HCOOH分子.在0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露10 L甲酸时,甲酸分子和原子氧均未完全消耗.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基、甲酸分子和原子氧.在加热过程中,除了上述甲酸根的氧化反应和歧化反应,还发生171 K的甲酸分子与羟基的反应(HCOOH(a)+ OH(a)= H2O + HCOO(a))和216 K的羟基并和反应(OH(a)+ OH(a)= H2O + O(a)).     

碳纳米管负载Cu-Co复合氧化物的富氢气氛中CO催化消除

采用超声处理辅助浸渍法制备了多壁碳纳米管负载的Cu-Co复合氧化物催化剂. 利用XRD、TEM、H₂-TPR、XPS和Raman光谱等表征了催化剂的结构性质. 在Cu和Co氧化物以及金属氧化物与碳纳米管载体间存在强相互作用. 催化剂在富氢气氛中CO催化消除反应中,与单一Cu或Co催化剂相比,Cu-Co复合氧化物催化剂表现出独特的反应特性,特别是在较高反应温度下可同时结合CO优先氧化和CO甲烷化的反应途径来实现高效CO消除. 当Cu/Co比为1/8时活性最优,可以实现在150～250 o和高反应空速 (120 L/(h·g))富氢气氛中CO的完全消除.     

Mo(CO)6在清洁的和氧化的Si(111)表面上吸附的对比

采用高分辨电子能量损失谱对比研究Mo(CO)₆在清洁的、预吸附氧的和深度氧化的Si(111)表面上的吸附行为. 吸附Mo(CO)₆的C-O伸缩振动模式向低频方向移动,说明Mo(CO)₆与清洁Si(111)和SiO₂/Si(111)表面发生了不同的相互作用,前者较弱而后者较强. 与SiO₂/Si(111)表面的强相互作用可能引起Mo(CO)₆部分解离,形成部分分解的羰基钼物种.