负载型金催化剂催化CO氧化的性能(Ⅱ)

负载型金催化剂催化ＣＯ氧化的性能（Ⅱ）郝郑平安立敦１）王弘立（中国科学院兰州化学物理研究所兰州７３００００）关键词负载型金催化剂ＣＯ氧化制备因素分类号Ｏ６４３．３２金，由于其化学惰性和难于高分散，一般不被用来做催化剂．近年来，有关金催化剂的研究与开发...     

Au／ZnO催化剂的制备及常温条件下CO氧化催化性能

用共沉淀法制备了n(Au)/n(ZnO)=1.3/100的催化剂,考察了焙烧温度对Au/ZnO催化剂的化学组成及CO氧化性能的影响,结果表明,焙烧温度对催化剂的化学组成、活性和稳定性均有较大影响,其中240℃7焙烧制得的Au/ZnO催化剂稳定性最好,在25℃和进料中含有水分的条件下,可连续反应600h使CO完全转化,XRD,FTIR,TG－DTA,TEM及UV－Vis结果表明,金粒子高度分散在氧化锌或碳酸锌上,平均直径2－5nm,催化剂的稳定性同锌物种有关,氧化锌较碳酸锌表面出较好的稳定性,且氧化锌粒子越小,比表面积越大,催化剂的稳定性越高。     

Au/ZnO催化剂的制备及常温常湿条件下CO氧化催化性能

用共沉淀法制备了n(Au)/n(ZnO)=1.3/100的催化剂.考察了焙烧温度对Au/ZnO催化剂的化学组成及CO氧化性能的影响.结果表明,焙烧温度对催化剂的化学组成、活性和稳定性均有较大影响,其中240℃焙烧制得的Au/ZnO催化剂稳定性最好,在25℃和进料中含有水分的条件下,可连续反应600h使CO完全转化.XRD,FTIR,TG-DTA,TEM及UV-Vis结果表明,金粒子高度分散在氧化锌或碳酸锌上,平均直径2～5nm.催化剂的稳定性同锌物种有关,氧化锌较碳酸锌表现出较好的稳定性,且氧化锌粒子越小,比表面积越大,催化剂的稳定性越高.     

TiO2和ZnO表面CO光催化氧化活性研究

在TiO2和ZnO表面CO光催化氧化研究中发现,365 nm紫外光照下TiO2表面无活性,而ZnO表面却有明显的CO光催化氧化活性.研究表明,主要是由于紫外光照下,ZnO光分解而TiO2没有光分解,从而在表面产生不同吸附形态的氧所致.而且,ZnO表面CO光催化氧化反应活性可在27 h内保持稳定,暗示气相光催化反应中,ZnO不会因为光腐蚀而使其催化活性降低.     

负载型金属CO氧化催化体系的研究进展

本文结合近年来我们的研究工作以及国内外相关研究，概述了负载型金属CO氧化催化体系的研究进展，并进一步展望了今后的研究、发展方向以及应用前景。     

预处理条件对Au/ZnO催化剂CO氧化性能的影响

采用沉积沉淀法制备了用于CO氧化的Au/ZnO催化剂, 并用程序升温还原(TPR), X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)技术对催化剂进行了表征. 结果表明: 采用沉积沉淀法可制备出高度分散的Au/ZnO催化剂; 提高焙烧温度导致金颗粒聚集长大, 样品经533, 673, 773 K焙烧后金物种的颗粒尺寸分别为2.7, 3.5, 3.7 nm. 催化剂的TPR表征结果中发现部分还原态的金物种在室温就可被氧化, 催化剂预先用流动空气处理可提高其氧化还原性, 样品经多次氧化还原循环后, 其氧化循环性能没有明显下降. CO的氧化反应结果表明, 焙烧温度强烈影响催化剂对CO的氧化活性, 533 K焙烧后的催化剂活性最高. 即使在反应气中含水3.1%(体积比)的湿气条件下, 反应300 h后, CO的转化率仍然保持在95%.     

气相色谱法研究胶体金负载纳米金属氧化物催化氧化CO行为

将胶体金负载于不同的金属氧化物纳米材料上,分别制备了Au/TiO2、Au/γ-Al2O3、Au/Fe2O3和Au/ZnO纳米材料,采用透射电子显微镜(TEM)对负载前后的材料进行了表征。利用气相色谱法检测CO的浓度,在选定的色谱条件下,5 min内就实现了快速分离测定,该检测方法的线性范围为1.0×10-6%~10%(体积分数),回收率为96.0%~103.6%,精密度为1.2%~2.3%。应用自制的催化活性评价装置对氧化物纳米材料催化氧化CO的行为进行了研究,结果表明:负载金氧化物纳米材料催化氧化CO的性能在50~200℃均优于相应的未负载金的材料,其中Au/TiO2的催化氧化效果最佳,且在一定气体流速范围内具有稳定的催化活性。     

Au/Ti-SBA-15的制备及其催化CO氧化性能

采用气相键合法制备了表面经二氧化钛单层分布修饰的SBA-15材料,并以该材料为载体,用改进的原位沉积沉淀法制备了Au负载量为1%的系列催化剂(Au/Ti-SBA15),考察了它们在CO氧化反应中的催化性能.采用透射电镜、X射线衍射、N2吸附-脱附、紫外-可见漫反射吸收光谱、X射线荧光分析和电感耦合等离子体发射光谱等方法对修饰的载体及其负载金催化剂进行了表征.结果表明,SBA-15孔道对Au颗粒的生长起到很好的限制作用.制得的催化剂在广谱温度范围内均有良好的催化CO氧化活性,不仅在低温具有氧化活性,而且在高达500oC时CO转化率还能达到100%,催化剂的存储稳定性和重现性都较好.     

氯离子含量对Au/ZnO催化剂常温CO氧化性能的影响

利用共沉淀法制备了Au/ZnO催化剂.在室温和进料中含水的条件下考察了残存的氯离子对Au/ZnO催化剂CO氧化性能的影响,发现氯离子可促进金粒子的聚集及表面碱式碳酸锌的生成,因此对CO氧化活性和稳定性都有较强的负作用.     

单晶Au表面和Au/TiO_2(110)模型催化剂表面CO氧化反应机理和活性位（英文）

在分子尺度上介绍了Au/TiO_2(110)模型催化剂表面和单晶Au表面CO氧化反应机理和活性位、以及H_2O的作用.在低温(320 K),H_2O起着促进CO氧化的作用,CO氧化的活性位位于金纳米颗粒与TiO_2载体界面(Au~(δ+)O~(δ–)––Ti)的周边.O_2和H_2O在金纳米颗粒与Ti O_2载体界面边缘处反应形成OOH,而形成的OOH使O–O键活化,随后OOH与CO反应生成CO_2.300K时CO_2的形成速率受限于O_2压力与该反应机理相印证.相反,在高温(320 K)下,因暴露于CO中而导致催化剂表面重组,在表面形成低配位金原子.低配位的金原子吸附O_2,随后O_2解离,并在金属金表面氧化CO.     

新型晶须状氧化钛担载Au的CO催化氧化性能

从钛钾比较高的二钛酸钾晶须出发,通过离子交换和热处理等步骤制备了具有不同微观结构的晶须状TiO2,然后通过均相沉积-沉淀法在制得的TiO2上担载1%的Au.采用X射线衍射、扫描电镜、低温N2吸附-脱附及透射电镜等技术对催化剂样品进行了表征,并测定了其催化CO氧化反应性能.结果表明,600℃处理所得晶须状TiO2载体(T(600))具有丰富的介孔结构,比表面积为59 m2/g,平均孔径为11 nm,担载Au后其孔道结构保持良好,而800℃处理所得晶须状TiO2样品(T(800))孔结构完全坍塌,但仍保持纯锐钛矿晶型.在相同担载条件下Au/T(800)上的Au颗粒尺寸明显小于Au/T(600)上的,但两者催化CO氧化反应活性相差不大,CO完全转化温度分别为80和70℃,活性均比Au/P25的高.     

Au/SBA-15 的制备及其催化 CO 氧化反应性能

 以 SBA-15 为载体, 采用沉积沉淀法制备了纳米 Au 催化剂, 研究了不同预处理条件对 Au 在载体表面状态的影响, 考察了催化剂样品催化 CO 氧化性能. 以高分辨率透射电子显微镜、N2 吸附、X 射线衍射、紫外-可见漫反射吸收谱、X 射线光电子能谱和电感耦合等离子体发射光谱等手段对催化剂的结构和表面性质进行了表征. 结果表明, 经还原焙烧处理后的 Au/SBA-15 催化剂热稳定性较好, Au 在 SBA-15 孔道表面呈高分散状态, 样品在 CO 氧化反应中表现出优异的低温催化活性和高温稳定性, 同时具有优异的抗烧结性能和良好的循环稳定性.     

Au/SnO2的制备及其低温CO氧化催化性能

用沉积-沉淀法制备了不同金含量的Au/SnO2催化剂.采用XRD和UV-Vis等手段对催化剂样品进行了表征并考察了沉积溶液的pH值、金的负载量、焙烧温度和气氛等对Au/SnO2催化CO氧化活性的影响.结果表明：当沉积溶液的pH=9～10时,所制得的金属金的平均粒径最小；随着金的负载量的增大,金属金的粒径增大, Au/SnO2的催化活性降低；在所研究的条件下, Au/SnO2前驱体在空气中473 K下焙烧4 h,得到的催化剂活性最高；在氢气中373 K下处理2 h的Au/SnO2的催化活性在所有样品中是最高的.     

水滑石负载 Au 纳米粒子的制备及其催化醇氧化反应

 采用离子交换法和 NaBH4 还原法制备了 Mg-Al-水滑石 (LDH) 负载的 Au 纳米粒子 (Au/LDH) 催化剂. X 射线衍射和透射电镜结果表明, Au 粒子较均匀地分散在水滑石表面, 载体仍保持层状结构. 在温和的反应条件下, Au/LDH 对一系列醇的氧化反应表现出优异的催化性能, 如在室温常压下进行分子 O2 氧化 1-苯基乙醇的反应, 底物转化率和苯乙酮选择性都接近 100%, 而且催化剂经过多次循环使用后, 其活性未见下降. 可见, Au/LDH 催化剂在醇氧化反应中具有良好的应用前景.     

Au/CeO2催化剂的制备及其对CO催化氧化性能的研究

采用水溶液沉淀法和沉积-沉淀法分别制备了CeO2载体及相应Au/CeO2催化剂,以CO氧化反应为表征反应,考察了载体制备条件,催化剂的焙烧温度、预处理温度和气氛以及活性组分负载量对催化剂性能的影响,并对催化剂进行了BET、XRD和TEM表征,分析了影响催化剂活性的原因.结果表明,载体的制备条件对催化剂的活性有一定影响,经微波处理的载体负载活性组分后,由于活性组分和载体的接触较紧密,因此有利于催化剂活性的提高.催化剂的最佳焙烧温度为300℃,最佳活化温度为300℃,气氛为空气,最佳金负载量为4%.     

金属有机骨架材料MIL-53(Al)负载钴催化剂的CO催化氧化反应性能

采用溶剂法合成了热稳定性高的金属有机骨架材料MIL-53(Al)(MIL:Materials of Institut Lavoisier),用此材料为载体负载钴催化剂用于CO的催化氧化反应,并与Al2O3负载的钴催化剂进行了对比.采用热重-差热扫描量热(TG-DSC)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)、N2物理吸附-脱附、透射电子显微镜(TEM)、氢气程序升温还原(H2-TPR)等方法对催化剂的结构性质进行了表征.TG和N2物理吸附-脱附结果表明,载体MIL-53(Al)有好的稳定性和高的比表面积;XRD以及TEM结果表明Co/MIL-53(Al)上负载的Co3O4颗粒粒径(平均约为5.03 nm)明显小于Al2O3上Co3O4颗粒粒径(平均约为7.83 nm).MIL-53(Al)的三维多孔结构中分布均匀的位点能很好地分散固定Co3O4颗粒,高度分散的Co3O4颗粒有利于CO的催化氧化反应.H2-TPR实验发现Co/MIL(Al)催化剂的还原温度低于Co/Al2O3催化剂的还原温度,低的还原温度表现为高的催化氧化活性.CO催化氧化结果表明,MIL-53(Al)负载钴催化剂的催化活性明显高于Al2O3负载钴催化剂,MIL-53(Al)负载钴催化剂在160°C时使CO氧化的转化率达到98%,到180°C时CO则完全转化,催化剂的结构在催化反应过程中保持稳定.     

以Au(PPh3)(NO3)为前体制备的Au/13X结构及其CO催化氧化性能

分别以金的有机配合物Au(PPh₃)(NO₃)和无机化合物HAuCl₄为前驱体, 采用常规浸渍法分别制备了Au/13X-Org和Au/13X-Ino, 并以后者作为对照. 采用N₂-吸附/脱附、SEM-EDS、XRD和XPS等技术对所制样品的织构、晶体结构和价态进行了表征, 并研究了所制样品对CO的催化氧化性能. N₂-吸附/脱附、SEM-EDS和XRD结果表明, 对于Au/13X-Org样品, Au 较均匀地分布在13X载体上, 而Au/13X-Ino样品, Au 聚集地分布在13X载体上. 通过XRD和SEM测定表明Au/13X-Ino上金粒子(平均粒径≈26.6 nm)明显大于Au/13X-Org上金粒子(平均粒径＜5 nm). CO催化氧化结果表明, Au/13X-Org催化性能明显优于Au/13X-Ino, Au/13X-Org在低温25 ℃时CO转化30%, 150 ℃完全转化; 而Au/13X-Ino在低温无活性, CO完全转化温度高于400 ℃. 对于这种“惰性”13X载体负载Au活性的差别可能归因于金粒子的大小和前驱体中有无氯物种两方面的原因. XPS结果表明, 在Au/13X-Org和Au/13X-Ino催化剂上催化氧化的活性中心为金属态Au⁰.     

Au(111)表面上乙醇选择性氧化反应机理的密度泛函理论研究(英文)

采用密度泛函理论研究了吸附有O原子的Au(111)表面上乙醇选择性氧化的反应机理.反应结果表明,除O原子和中间产物二齿醋酸根(CH3CHOO)外,其他中间产物在Au(111)表面扩散能垒均较低,不会对反应速控步骤的确定造成影响.乙醇羟基氧化脱氢为反应的第一步骤,当氧化剂为吸附态的O原子或者为OH基时,反应活化能分别为0.20和0.17eV.氧化产物乙氧基(CH3CH2O)进一步氧化脱氢生成乙醛则需要表面吸附的O原子或另一表面吸附的OH基的参与,所需活化能为0.29或0.27eV.同时,乙醛易与表面吸附的乙氧基反应生成乙氧基半缩醛(CH3CHOOC2H5),其可进一步与O原子作用,脱氢形成乙酸乙酯.此外,在乙醛深度氧化成酸的过程中需要克服较高的反应能垒,因而在表面反应温度较低时无法进行,这与实验结果相符.     

制备条件对Au/LaCoO_3催化氧化CO性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了钙钛矿型复合氧化物LaCoO_3, 并用沉积-沉淀法(DP法)制备了Au/LaCoO_3催化剂. 考察了制备条件对催化剂催化氧化CO活性的影响. 结果表明, 制备过程中, 溶液pH、 pH调节顺序及催化剂焙烧温度对催化剂活性均有一定影响. Au/LaCoO_3催化剂的最佳制备条件为: 沉积过程中在HAuCl4溶液中先加入载体后, 再调节溶液pH=8, 得到的催化剂经250 ℃焙烧后可提高催化剂稳定性.     

不同组成和结构LaMnO_3钙钛矿负载Au催化剂的CO氧化活性

采用乙二醇溶胶-凝胶法制备了计量比LaMnO_3和非计量比LaMn_(1.2)O_3钙钛矿,并利用稀硝酸处理LaMnO_3制备得到LaMnO_3-AE,然后采用沉积沉淀法制备钙钛矿负载Au催化剂,以考察载体的结构和性质对Au的热稳定性以及催化剂活性的影响。通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和H_2程序升温还原(H_2-TPR)等表征,发现LaMnO_3和LaMn_(1.2)O_3钙钛矿载体虽然有利于Au的分散,但是Au的热稳定性相对较差。相反,经稀硝酸刻蚀的LaMnO_3钙钛矿(LaMnO_3-AE)不利于Au的分散,但是有利于提高Au的热稳定性。在CO氧化反应中,当催化剂在低于500°C焙烧时,LaMn_(1.2)O_3钙钛矿负载Au催化剂的活性要显著高于LaMnO_3和LaMnO_3-AE负载Au催化剂的活性,而当催化剂焙烧温度升高至700°C以上时,LaMnO_3-AE负载Au催化剂却要显著优于LaMnO_3和LaMn_(1.2)O_3钙钛矿负载Au催化剂的活性。