富缺陷BN负载的高分散Cu催化乙醇脱氢制乙醛

生物乙醇作为平台分子通过催化转化的方法可以制备烯烃、乙醛、丁醇和芳香化学品等,其中乙醛是生产乙酸、季戊四醇、三氯乙醛、山梨酸等重要化学品的原料.随着乙醛的需求量逐年增加,发展以乙醇直接脱氢生成乙醛的工艺,具有联产氢气、原子经济性高、产物易分离的优点,符合国际绿色低碳发展战略要求,有望替代当前乙烯氧化法生产工艺.乙醇分子比较活泼,催化过程中通常伴随着脱水、羟醛缩合等副反应,导致乙醛的选择性降低.根据文献报道,Cu基催化剂可解离吸附乙醇,选择性断裂C-H键,是有效的乙醇直接脱氢催化剂.常规氧化物负载的铜基催化剂往往存在乙醛选择性低、Cu物种易团聚失活等问题.本文通过球磨方法处理商业六方氮化硼(h-BN),从而得到表面缺陷,使其边缘暴露一定的-OH和-NH₂等极性官能团,进而增强金属与载体的相互作用,抑制Cu物种的团聚,提高Cu基催化剂在乙醇脱氢反应中的稳定性.考察了不同负载量下Cu物种的分散情况,发现当负载量高达5%(5Cu/BNS)时,Cu物种仍然能够保持高分散.5Cu/BNS催化剂在280°C,WHSV=9.6 h^-1反应条件下,催化生成乙醛选择性达到98%,乙醇转化率为82%,且反应50 h后活性保持不变,Cu物种在BNS载体上仍保持高度分散.结合红外光谱和X射线光电子能谱(XPS)表征,证实BNS表面存在B-OH官能团,增强了Cu物种与载体的相互作用,提高了Cu催化剂在乙醇脱氢反应中的稳定性.通过原位红外实验对反应物在载体上的吸附行为研究,进一步理解5Cu/BNS表现出优异的乙醛选择性的原因.结果表明,乙醛在BNS载体上不发生吸附.从结构化学的角度来说,BNS富π电子,与乙醇的羟基相互作用但是与乙醛的富电子的C=O官能团相互排斥,促进产物乙醛脱附,因此表现出优异的选择性.该方法为设计一种高分散Cu基催化剂提供了新策略,相比于文献报道的催化体系,该催化剂在乙醇脱氢方面表现出更好的催化性能.     

短10元环孔道片状垂直交错ZSM-5分子筛合成

分子筛酸性位位于其亚纳米孔道中,赋予其独特的择型催化特性,在烃类催化转化中有重要应用.但传统分子筛的晶体尺寸通常在微米尺度,因此狭长的孔道结构使得分子与活性位的接触受到扩散限制.通过控制分子筛晶体生长习性,选择性暴露分子筛孔道开口晶面,截短分子筛孔道长度,可以有效解决扩散问题.例如通过控制ZSM-5分子筛沿b轴的生长,合成了具有单晶胞层厚度(2 nm)的二维片层状分子筛,有效的促进了分子扩散、大大提高了其在甲醇转化中的寿命.但这类ZSM-5分子筛的合成需要使用特殊的多头季铵盐模版剂,且一般SiO2/Al2O3比大于100,不利于其实际应用推广.本文开发了一种使用简单有机胺模版剂(TEDA)合成片状垂直交错结构ZSM-5的新方法,并采用电子显微分析对所制ZSM-5分子筛晶体生长方向进行了表征,测试了其催化甲醇制汽油反应性能.结果表明,所得ZSM-5具有良好的结晶性和典型微孔分子筛吸附特征,微孔表面积和微孔体积分别为251 m2/g和0.12 cm3/g.电镜结果表明,其晶体结构特征为:一簇平行子片垂直生长于一个母片上的交错结构,母片呈现异于常见六边形MFI的八边形结构,大小约3-5μm,子片大小约1-2μm,子片和母片的厚度均约为100-200 nm.母片平行于MFI晶体的(010)平面,因此母片表面暴露直孔道开口,且其直孔道长度约100-200 nm.子片与母片连接处的选区电子衍射(电子束沿[010]方向入射)与母片的选区电子衍射完全一致,子片垂直于[100]方向,且子片相互间以平行方式排列,这些证据均说明子片在母片上的生长方式很可能是外延生长,而非粒子堆积机理.因此,子片平行于MFI的(100)晶面,表面暴露之字形孔道开口,且之字形孔道长度约100-200 nm.进一步通过表征不同水热晶化时间的样品,研究了其可能的生长机制.结果表明,水热晶化72 h后,XRD图出现微弱的MFI晶体特征衍射峰,SEM显示有少量片状晶体生成,但无交错结构;晶化96 h后,XRD衍射峰增强,片状结构比例增加,且有交错结构出现;晶化120 h后,XRD呈现完美的MFI晶体衍射结构,SEM图显示均匀的交错片状结构.72和96 h的样品均为无定形物和片状(或交错片状)物共存,说明片状(或交错片状)结构的形成不是同步进行的;样品从开始结晶到完成结晶所需的时间较长,不同于分子筛结晶中常见的自催化结晶方式.我们推测,交错片状ZSM-5的形成发生在无定形物与溶液相界面处,遵循匀相成核机理.该方法得到的ZSM-5分子筛SiO2/Al2O3约为40,且固体核磁表明,ZSM-5中Al主要以骨架四配位形式存在,HZSM-5催化剂上四配位Al的比例高达95%以上,因此其骨架有丰富的酸性位.甲醇制汽油反应性能显示,在363oC,0.4 MPa条件下,甲醇转化量240 g时催化剂仍未失活,表现出典型纳米ZSM-5分子筛的高稳定性特征,这可能归结于片状ZSM-5具有短的(100-200 nm)直孔道或之字形孔道,可以有效促进反应物和产物的扩散,抑制积碳的生成.     

纳米二氧化铈催化制备亚胺

近年来,金属氧化物的晶面效应及其独特的催化性能引起研究者的广泛关注.其中,二氧化铈(CeO2)因具有储放氧性质、易于形成氧空位等特点,在诸多领域得到应用,尤其是作为催化剂,可用作活性相、载体、复合催化材料等. CeO2的晶面效应主要由于晶面上氧空位的性质引起的.目前,这方面的研究主要集中在高温条件下氧空位的动态转化过程,如水汽变换反应、有机物脱除等.但是高温下CeO2中氧空位的活泼性,增加了晶面效应的复杂性.因此,利用低温液相有机反应作为探针,研究晶面效应是一种可靠的解决方案.我们近些年的工作研究了CeO2不同晶面上的酸性及催化水解性能,在本研究中,我们提出在温和条件下, 采用有机探针反应,研究不同晶面的氧化还原性质.亚胺类化合物作为一类重要的含氮有机中间体,在生物、农药、医药等领域中具有重要应用.传统的亚胺合成方法是将醛类化合物或酮类化合物与胺类在酸催化剂的作用下直接缩合.近年来出现了新的亚胺合成方法,例如通过胺类氧化脱氢、炔烃的氢胺化、醇胺脱氢/氧化偶联等,其中醇胺脱氢/氧化偶联的方法因具有原料廉价易得、过程清洁等优点,而成为研究热点.最近, Masazumi Tamura等研究发现CeO2能够在温和条件下高效催化醇胺氧化偶联制亚胺,通过一系列表征发现CeO2的高活性主要由于其氧空位中存在丰富的活性氧物种.然而, CeO2的晶面效应及其在此反应中的催化性能,以及不同晶面上的氧化还原性质还有待进一步的研究.本文研究了CeO2的晶面效应及其在醇胺氧化偶联制亚胺反应中的催化性能.在温和的反应条件下(60 oC), CeO2能够高效催化苯甲醇与苯胺反应制备亚胺,并且对底物具有很好的普适性,在催化一系列醇与胺氧化偶联制亚胺的反应中,对于大部分底物,醇类化合物的转化率可达89%以上,亚胺类化合物的选择性可达90%以上.通过水热合成法分别制备了棒状CeO2、立方体CeO2和八面体CeO2,并通过X射线衍射、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜确证了其结构和形貌,结果表明三种形貌的CeO2均为纯相的CeO2,其中棒状CeO2暴露(110)和(100)晶面,立方体CeO2暴露(100)晶面,八面体CeO2暴露(111)晶面.并以苯甲醇氧化反应和苯甲醇与苯胺反应为探针研究了其催化性能.结果发现：不同形貌的CeO2具有显著不同的催化活性,其中棒状CeO2表现出最优异的催化性能,立方体CeO2和八面体CeO2次之.通过Raman光谱表征了不同形貌CeO2的氧空位性质并比较了它们的氧空位浓度.结果发现：棒状CeO2的氧空位浓度相对值(A595/A462)为0.077,高于立方体CeO2和八面体CeO2.通过比较分析计算可知,在CeO2(110),(100)和(111)三种晶面中,(110)晶面因其具有最多的氧空位而表现出最高的催化活性和优异的氧化还原性质,(110)晶面上亚胺的生成速率为4.618 mmol/(g·h),分别为(100)晶面和(111)晶面上的32倍和49倍.该研究有助于提高认识CeO2基催化材料的低温氧化还原性质.     

基于镧和铬共掺杂钛酸锶产氢光催化剂构建Z机制全分解水体系（英文）

光催化剂的晶体结构、电子结构、表面结构等都会对自身性质产生决定性的作用,因此认识和理解光催化材料自身结构和光催化性能之间的内在联系有助于设计合成更高效的光催化剂以及光催化复合体系.本文通过聚合络合法和溶胶凝胶水热法分别制备了镧和铬共掺杂的光催化剂,标记为和在碘化钠或甲醇作为牺牲试剂的产氢反应中,担载Pt的样品显示了光催化活性,而担载Pt的样品活性很低,甚至无活性.我们将这两种材料分别作为产氢光催化剂与三氧化钨耦合构建Z机制全分解水体系.研究发现,只有体系观察到了氢气和氧气的产生.在第一个10 h的循环反应中,产生的摩尔比为3.7,明显高于水分解为2的化学计量比.这是因为在反应起始时加入的是Na I,质子还原产氢反应占据了主导.随着氢气的不断产生,部分I-被氧化成了IO_3-,而IO_3-的存在就可以驱动氧气的产生,由于溶液中氧化还原电的共存就可以持续驱动氢气和氧气的同时生成.为了测试体系的稳定性,我们将前面产生的气体完全抽空后又进行第二次10 h的循环反应,总共进行三次循环反应.在第一次循环过程中氢气、氧气生成速率分别为9.1和2.4mmol h~(–1),第二次循环其速率分别为9.9和3.7mmol h~(–1),第三次循环速率分别达到10.4和4.9mmol h~(–1).此外,通过三次循环后摩尔比为2.1,接近水分解的化学计量比.结合紫外可见漫反射光谱和Mott-Schottky曲线可以确定两种样品的能带位置.从能带位置示意图可知,两种样品都具有足够负的导带电势还原质子产氢以及足够正的价带电势氧化水产氧.需要指出的是样品的导带电势比样品的导带电势更负,这意味着前者的导带电势更有利于还原质子产氢.霍尔效应测试的结果表明,两种样品均显示出n型半导体的特征,此外样品显示出比样品更快的载流子迁移率以及更高的载流子浓度.因此,两种样品不同的导带位置以及不同的载流子迁移率和载流子浓度很可能是造成两者光催化性能具有显著差异的主要原因.     

氧掺入MoS2调节芳香硝基化合物选择性转氢还原

芳香胺类化合物及其衍生物是一类重要的有机合成中间体,广泛应用于染料、农药、医药及其他精细化学品.目前催化芳香硝基化合物还原制备芳香胺的多相催化体系多使用含有d6-d10贵金属以及高活性Ni的催化剂.为了提高反应的选择性,金属纳米颗粒的尺寸控制、合金效应、金属载体强相互作用、溶剂以及添加剂的筛选等不同手段被采用.考虑到该类催化剂复杂的制备方法以及易氧化的性质,近年来稳定高效的非贵金属体系的开发得到了广泛关注.MoS2是一类重要的高温加氢催化剂,不饱和的Mo位点(CUS Mo)被认为在催化过程中起到了关键性作用.但是理论与实践已经证明,作为代表性的二维材料,MoS2的活性位点多集中于层状结构的边楞结构处.占有最大暴露面积的基面结构因为稳定的Mo-S化学键组成在化学反应中多表现为催化惰性.通过剥离的手段可以有效提升活性位点的数目,但新增的活性位点仍然多集中于层状结构的边楞结构处而不是基面.在MoS2与MoO2结构中Mo-S和Mo-O的键长不同,同时S和O的配位形式也不同.可以预见的是,如果MoS2结构中的一部分S元素被O元素取代,在这样的材料中将会出现大量缺陷以及活性CUS Mo结构.结合先前关于硫化钼材料的制备方法,我们通过部分硫化还原[Mo7O24]6-前驱物的方法制备了氧掺杂的MoS2材料(标记为O-MoS2).通过XRD,XPS,Raman和EDX等表征发现,不同的Mo-O结构存在于O-MoS2材料中.HRTEM表征结果显示,O-MoS2表面存在着丰富的结构缺陷.EXAFS结果显示,O-MoS2材料中可能含有四配位以及五配位的CUS Mo结构.以甲酸铵还原硝基苯为探针反应检测了CUS Mo结构.发现O-MoS2可以在水相条件下高效催化芳香硝基化合物还原生成相应的芳香胺,且催化剂稳定,可以多次循环使用.结合对照不同催化剂的NH3-TPD数据以及MoS2结构模型,我们发现O-MoS2材料中含有丰富的CUS Mo结构,这些CUS Mo结构更多地存在于材料的基面而非边楞结构.我们认为,对于该类掺杂MoS2材料的制备及结构表征将有利于拓宽MoS2催化剂从高温气相反应到温和液相反应中的应用.     

氧化铈形貌对Pd纳米粒子分散的影响

氧化铈由于在氧化和还原气氛下具有快速Ce4+/Ce3+氧化还原循环作用,使其具有优异的储放氧能力,不仅可以分散和稳定金属粒子,还可在界面处与金属物种发生化学键合,并形成活性位点,因此已被广泛应用于多个催化反应体系,且表现出显著的形貌效应.通过对氧化铈形貌进行调控,使其暴露特定(111)、(110)和(100)晶面,已成为调节金属-氧化铈相互作用强度及金属物种电子、几何结构,提高催化性能的有效策略,但对其机制及活性位结构还没有清晰的认识.我们以氧化铈纳米粒子和纳米立方体为载体,其中氧化铈立方体平均尺寸为23 nm,主要暴露6个{100}晶面,边缘和截角暴露少量{110}及{111}晶面;球形氧化铈纳米粒子平均尺寸为11 nm,主要暴露{111}晶面;并进一步将2.0 wt％Pd物种分散在氧化铈立方体和球形纳米粒子上,通过扫描透射电子显微镜(STEM)和X射线光电子能谱(XPS)等研究了钯物种在氧化铈球形粒子和立方体上的原子结构和化学环境,进而分析了纳米结构氧化铈形貌对钯物种分散的影响.在球形氧化铈纳米粒子上主要形成了平均尺寸为2.0 nm的非晶态Pd纳米粒子以及极小的Pd物种,这主要是因为球形氧化铈纳米粒子上丰富的表面氧空位可通过Pd-CeO2强相互作用和Pd物种紧密键合.氧化铈立方体上的晶态Pd粒子尺寸为2.9 nm,金属与载体之间具有明显的界面,且Pd原子嵌入到氧化铈晶格中.同时,CO化学吸附测试也证明了氧化铈球形粒子上的钯分散度(70％)高于氧化铈立方体(52％).对于甲烷燃烧反应,主要涉及发生在金属粒子表面的PdO/Pd氧化还原循环,即Pd被O2氧化,PdO被CH4还原,富氧条件下决速步骤是PdO对CH4中C?H的活化,因此氧化铈立方体表面大尺寸的晶态Pd粒子被氧化后更容易被CH4还原,有利于PdO/Pd氧化还原循环,从而具有更高的活性和稳定性;然而在CO氧化反应中Pd/CeO2却呈现了相反的形貌效应,这是由于该反应遵循Mars-van Krevelen机理:CO吸附在金属Pd上,化学吸附的CO移动到钯-氧化铈界面,被氧化铈晶格氧氧化成CO2,产生的氧空位被表面氧补充,最后表面氧空位被气相氧补充;由于氧化铈球形粒子上的较小尺寸Pd具有更大的钯-氧化铈界面周长和更强的氧物种移动性,更易完成界面处的氧化还原循环,因此具有更高的CO氧化活性.