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.

Enhancement of the activity and durability in CO oxidation over silica-supported Au nanoparticle catalyst via CeOx modification

The supported Au nanoparticles have been regarded as promising catalysts for CO oxidation but still suffer from unsatisfactory catalytic activity and durability. Herein, we show a simple and efficient strategy to simultaneously enhance the catalytic activity and durability for CO oxidation. Key to the success is modification of the supported Au nanoparticle catalyst with nanosized CeO_x to construct abundant Au-CeO_x interface. Owing to the maximized interfacial effect on the CeO_x-modified Au nanoparticles, the concentration of positively-charged Au species (Au^δ+) was remarkably improved, leading to enhanced catalytic activities in the oxidation of CO. Importantly, the stability of Au nanoparticles is remarkably increased by CeO_x modification, exhibiting good durability in a continuous test of CO oxidation at higher temperatures.