Ca,Sr共掺杂铈氧化物及其在甲烷氧化偶联反应中的应用

采用柠檬酸法制备了Ca,Sr共掺杂的CeO_2催化剂,发现共掺杂催化剂较单掺杂或未掺杂催化剂呈现出更好的催化甲烷氧化偶联(OCM)反应性能.通过表征可知,Ca,Sr共掺杂催化剂的物相为CeO_2和SrCO_3,Ca高度分散或掺杂于CeO_2之中;CeO_2的粒径明显变小;表面呈中等程度碱性;Ce基催化剂上的亲电氧物种数量随着碱土金属的掺杂而增大,亲电氧物种与晶格氧摩尔比(O_2-2+O-2)/O-2的大小顺序(CeSrCaCe SrCeO_2)与C2选择性一致;且SrCO_3相的存在有助于Ce基氧化物催化甲烷氧化偶联反应(OCM)性能的改善.     

Ca掺杂的CeO_2模型催化剂的形貌和电子结构及其与CO_2分子的相互作用（英文）

利用扫描隧道显微镜、X射线光电子能谱和同步辐射光电子能谱研究了CeO_2(111),部分还原的CeO_(2-x)(111)(0 x 0.5)以及Ca掺杂的CeO_2模型催化剂的形貌、电子结构以及它们与CO_2分子间的相互作用。CeO_2(111)和部分还原的CeO_(2-x)(111)薄膜外延生长于Cu(111)单晶表面。不同Ca掺杂的CeO_2薄膜是通过在CeO_2(111)薄膜表面室温物理沉积金属Ca及随后真空退火到不同温度而得到的。不同的制备过程导致样品具有不同的表面组成,化学态和结构。CO_2吸附到CeO_2和部分还原的CeO_(2-x)表面后导致表面羧酸盐的形成。此外,相比于CeO_2表面,羧酸盐物种更易在部分还原的CeO_(2-x)表面生成,而且更加稳定。而在Ca掺杂的氧化铈薄膜表面,Ca~(2+)离子的存在有利于CO_2的吸附,且探测到碳酸盐物种的形成。     

CeO2及Pt/CeO2催化剂上H2、O2的作用特性

采用TPD、TPR、FT-IR和TPEC等方法研究了CeO_2及Pt/CeO_2上H_2、O_2作用特性。结果表明, Pt促进CeO_2还原, 并形成高活动性氢物种。Pt的存在使吸H_2和放氢温度下阵达300 ℃。部分还原的CeO_2常温下吸附氧形成分子离子氧物种(O_2~-, O_2~(2-)), Pt的存在改变氧化铈催化剂在常温下氧吸附物种的形态, 以解离态存在。氧化铈上吸附的氧物种在升温时可部分脱附, 高于170 ℃时则转化为晶格氧。     

CO在Ag掺杂的氧化锰八面体分子筛上吸附的TAP研究

利用产物瞬时分析反应器中进行的单脉冲实验, 考察了393～493 K温度范围内CO在Ag掺杂的氧化锰八面体分子筛上的吸附行为. 实验表明: CO在催化剂表面发生化学吸附, 并与晶格氧反应生成CO₂. 通过对该过程反应物及产物脉冲响应曲线的模拟, 得到了各基元反应的动力学参数. CO和CO₂在该催化剂表面的脱附活化能分别为83和31 kJ/mol, CO与晶格氧的反应活化能为116 kJ/mol.     

三维有序大孔SnO2基固溶体用于有效燃烧碳烟颗粒

柴油车尾气排放的碳烟颗粒对人类的生存环境和身体健康带来了严重危害.催化燃烧是消除碳烟颗粒污染的有效途径.碳烟颗粒催化燃烧是固-固-气相反应,因此催化剂本身具有活泼的氧中心且其能与碳烟颗粒有效接触是提高反应效率的关键因素.为改善碳烟颗粒与催化剂的接触,设计制备三维有序大孔(3DOM)催化剂,使碳烟颗粒可以进入催化剂孔道内部,增加其与催化剂的有效接触,是提高反应活性的有效途径.此外,在催化剂晶格中掺杂其它金属离子形成固溶体结构,可提高其氧化还原性能,也可有效提高其碳烟燃烧活性.SnO2富含活泼的表面缺位氧和可还原的晶格氧,且其熔点高达1630 oC,具有良好的热稳定性,被广泛用于制备气体传感、电化学和催化等材料.在过去的6年中,本课题组在SnO2催化化学领域做了大量系统的工作,将SnO2基催化材料用于多种环保和能源反应.发现通过其它阳离子Fe3+,Cr3+,Ta5+,Ce4+和Nb5+等的掺杂,替换晶格中部分Sn4+形成金红石型SnO2固溶体结构,可显著提高催化剂氧物种的流动性、活性和本身的热稳定性.本文采用胶体晶体模板法制备出了Ce4+,Mn3+和Cu2+离子掺杂的SnO2三维有序大孔固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟催化燃烧.采用SEM,TEM,XRD,STEM-mapping,O2-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征,研究其碳烟催化燃烧性能.SEM和TEM结果表明已成功合成三维有序大孔结构样品.XRD,Raman和STEM-mapping结果表明,Ce4+,Mn3+和Cu2+离子均进入四方金红石型SnO2晶格形成固溶体结构.另外,Raman,H2-TPR,XPS和O2-TPD等结果发现上述离子掺杂三维大孔SnO2后,催化剂表面形成了更活泼、丰富的氧物种,有利于碳烟颗粒燃烧.其中3DOM-Cu1Sn9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性.     

Ce2O3对APP-PER-MA膨胀阻燃体系热解过程的协效作用

采用热重分析和红外光谱技术研究了氧化铈（Ce2O3）对以聚磷酸铵(APP)为酸源、季戊四醇(PER)为炭源、蜜胺（MA）为气源的经典膨胀型阻燃剂（IFR）热分解性能的影响。 结果表明,300~400 ℃时Ce2O3的存在加快了体系的分解和无机酸的生成速度,改变了IFR热解发生的时间,但是并没有从根本上改变热解过程;Ce2O3的添加使IFR阻燃剂第一阶段的热解活化能由65.73 kJ/mol提高至73.47 kJ/mol,第二、三、四阶段的热解活化能分别由167.46、135.13、141.34 kJ/mol降低至85.25、96.08、58.18 kJ/mol,并对IFR分解各阶段残留量有很大影响。     

过渡金属掺杂铈中晶格氧的活化（英文）

采用密度泛函理论计算研究了在铈表面掺杂的过渡金属(TM)离子对表面晶格氧原子活化的影响.为此,测定了经TM离子修饰的CeO_2最稳定(111)表面终端的结构和稳定性.除了保持八面体氧配位的锆和铂掺杂剂外, TM掺杂剂在取代表面Ce离子时更倾向于正方形平面配位.除了Pt(1.14 eV)和Zr(正方形平面配位不稳定)外,所有TM掺杂剂的表面结构从八面体到正方形平面都很容易.通常,四价TM阳离子的离子半径比Ce~(4+)的小得多,从而导致了显著的拉伸应变晶格,并解释了氧空位形成能量的降低.除Zr外,当产生一个氧空位时,优先形成正方形平面结构.热力学分析表明, TM掺杂CeO_2表面在典型环境催化条件下存在氧缺陷.一个具有实际意义的例子是锆掺杂CeO_2(111)中的晶格氧容易活化,从而有利于CO氧化.研究结果强调了晶格氧活化的本质和TM掺杂剂在TM-铈固溶催化剂中的优选位置.     

草酸盐热分解法制备CeO_2负载CuO催化剂用于CO优先氧化反应

采用草酸盐热分解-浸渍法制备了一系列不同CuO负载量的CuO/CeO_2催化剂,并将其用于CO优先氧化(PROX)研究.当CuO负载量为10%时催化剂活性最高,具有温区最宽且温度最低的CO完全转化窗口(96~160℃),并且当反应温度低于131℃时,产物中CO2选择性始终保持100%.研究结果表明,当负载少量CuO时,Cu~(2+)离子会进入CeO_2晶格形成固溶体;进一步提高CuO负载量会导致CuO在CeO_2表面聚集.对于CuO/CeO_2催化剂,形成Cu-Ce固溶体会在催化剂表面生成大量的表面氧空位和Ce3+;Ce3+则与Cu~(2+)作用产生更多的表面Cu~+,而Cu~+是CO PROX的活性中心,因此表面Ce3+含量的提高和Cu-Ce之间相互作用的增强是活性提高的主要原因.与普通沉淀-浸渍法制备的CuO/CeO_2催化剂相比,草酸盐热分解-浸渍法制备的催化剂更有利于Cu-Ce固溶体的形成,从而具有更多的表面Ce3+和更强的表面Cu-Ce相互作用,因此具有更高的CO优先氧化活性.     

CeO_2(100)极性面结构与活性的密度泛函理论研究（英文）

CeO_2是一类使用非常广泛的稀土氧化物催化材料,在许多重要的催化反应过程,如机动车尾气净化、水汽转换、石油裂解等,表现出很高的活性.大量研究表明,CeO_2的高活性来源于其表面晶格氧,正是由于这些晶格氧能够直接参与氧化反应,同时反应留下的氧空位又能够被气相氧分子吸附填补,因而体现出很好的储放氧催化性能.目前多数研究采用CO氧化为模型反应,研究了CeO_2常见的(111)和(110)晶面的晶格氧活性,但对于其另外一种重要低指数晶面(100)的结构和活性研究却非常有限.需要指出的是,CeO_2(100)是一种极性表面,这给该表面的模型构建和理论研究带来了困难.为了深入了解这种极性表面的结构稳定性和催化活性,本文运用在位库仑力校正的密度泛函理论(DFT+U)方法系统研究了CeO_2(100)极性面的可能结构及相关稳定性,并且深入分析了CO在该表面上的吸附和反应.本文首先利用板层模型尝试构建稳定的CeO_2(100)极性面结构,方法是在保证整个板层化学计量配比完整的前提下,在表层或体相去除氧原子,同时使得整个板层上下对称不存在极性以利于计算.通过计算发现,在CeO_2(100)表层分布氧空位的结构比体相中分布氧空位的结构要稳定,同时,氧空位的分布越接近表面,CeO_2(100)面的结构稳定性就会越高,其最稳定的结构是将表层满覆盖氧离子移除一半.对CeO_2(100)面不同结构的稳定性及相关电子结构分析表明,CeO_2(100)表层满覆盖的氧离子间存在很强的相互排斥作用,因此倾向于降低表面氧浓度来提高表面的稳定性.另外,这种相互作用会降低相邻氧离子的价态,并能引起体相铈离子在整体表面维持完整的化学计量比的情况下,仍能出现局域4?电子而被还原为三价铈.随后我们研究了CO在CeO_2(100)最稳定和次稳定表面上的氧化反应.发现CO在不同CeO_2(100)表面的氧空位处吸附较强,另外,CO在CeO_2(100)最稳定结构上可与表面晶格氧反应形成吸附的CO_2中间物种,中间物种可直接解离成气相CO_2,也可以继续与表面晶格氧反应形成碳酸盐.而在CeO_2(100)次稳定表面上,CO很难与表面晶格氧形成吸附的CO_2中间态,而直接产生气态CO_2.     

异戊烯与甲醇成醚反应机理的量子化学研究

对2-甲基-1-丁烯、2-甲基-2-丁烯与甲醇反应生成甲基叔戊基醚的反应历程进行了量子化学研究, 结果表明, 反应过程包括两个基元步骤: 2-甲基-1-丁烯和2-甲基-2-丁烯与氢离子作用生成碳正离子, 活化能分别为E1=2.26 kJ/mol, E2=7.72 kJ/mol; 甲醇与叔碳正离子反应成醚, 活化能为E3=1.29 kJ/mol, 碳正离子的生成是反应的速控步骤. 2-甲基-1-丁烯与2-甲基-2-丁烯相互转化的异构化活化能分别为E'1=4.40 kJ/mol, E'2=63.11 kJ/mol, 高于成醚的活化能, 反应体系不发生烯烃相互转化的异构化反应.     

Ca掺杂的CeO2模型催化剂的形貌和电子结构及其与CO2分子的相互作用

利用扫描隧道显微镜、X射线光电子能谱和同步辐射光电子能谱研究了CeO₂(111),部分还原的CeO_2-x(111) (0＜x＜0.5)以及Ca掺杂的CeO₂模型催化剂的形貌、电子结构以及它们与CO₂分子间的相互作用。CeO₂(111)和部分还原的CeO_2-x(111)薄膜外延生长于Cu(111)单晶表面。不同Ca掺杂的CeO₂薄膜是通过在CeO₂(111)薄膜表面室温物理沉积金属Ca及随后真空退火到不同温度而得到的。不同的制备过程导致样品具有不同的表面组成,化学态和结构。CO₂吸附到CeO₂和部分还原的CeO_2-x表面后导致表面羧酸盐的形成。此外,相比于CeO₂表面,羧酸盐物种更易在部分还原的CeO_2-x表面生成,而且更加稳定。而在Ca掺杂的氧化铈薄膜表面,Ca²⁺离子的存在有利于CO₂的吸附,且探测到碳酸盐物种的形成。     

SO2对钙基CO2吸收剂循环煅烧/碳酸化反应的影响

在循环煅烧/碳酸化反应系统中,研究了SO₂对钙基吸收剂CaCO₃捕集CO₂的影响,获得了SO₂对钙基吸收剂碳酸化特性、煅烧特性以及循环稳定性的影响规律,并结合SEM分析结果,从循环煅烧/碳酸化反应角度,分析了可能存在的原因。结果表明,钙基吸收剂吸收CO₂的能力随着循环反应次数的增加逐渐发生衰减,在SO₂影响下,这种衰减会进一步加剧,且衰减程度随着SO₂浓度的增加而增大,经过十次循环后,碳酸化转化率分别为25.5%(0%SO₂)、16.9%(0.1%SO₂)和5.2%(0.2%SO₂)。造成这种衰减加剧的主要原因是反应产生较厚的硫酸化产物层,硫酸化产物层使颗粒表面孔隙发生堵塞,阻碍了CO₂在吸收剂内部的扩散,降低了碳酸化转化率。     

一锅法合成Ce_xZr_(1-x)O_2固溶体催化剂用于热化学循环分解CO_2制CO

采用一锅蒸发诱导自组装法(EISA)制备了一系列不同铈锆物质的量比的铈锆固溶体催化剂,用TGA研究了其热化学循环分解CO_2制CO的催化性能,并采用XRD、Raman光谱、H2-TPR、XPS、SEM和N_2吸附-脱附等手段对催化剂的物相结构、还原性能和表面化学性质进行了表征分析,用热重分析(TGA)研究了铈锆固溶体对热化学循环分解CO_2制CO的催化性能。结果表明,随着Ce/Zr物质的量比增加,铈锆固溶体催化剂的CO_2高温分解活性先增大后减小。Ce/Zr物质的量比为1的Ce_(0.5)Zr_(0.5)O_2催化剂由于具有较多的晶格缺陷和氧空穴,氧迁移能力强,催化活性高,而Ce/Zr物质的量比为3的Ce_(0.75)Zr_(0.25)O_2催化剂具有相对稳定的氧空穴数,循环稳定性好。循环反应后,所有的催化剂均出现了一定程度的烧结,且富锆固溶体发生了相分离,这可能会影响催化剂的性能。     

负载型Pt/CeO_2-Al_2O_3催化剂的制备及其脱氢性能

通过超声辅助共沉淀法制备了具有高比表面积、大孔容和大孔径的CeO_2-Al_2O_3复合载体,并以此制备了一系列负载型Pt/CeO_2-Al_2O_3催化剂,采用XRD、氮吸附、NH3-TPD、SEM和TEM等方法对复合载体和催化剂进行了表征;以甲基环己烷为模型化合物,考察了Pt/CeO_2-Al_2O_3催化剂的脱氢性能,研究了载体中Ce/Al物质的量比及反应温度对其催化脱氢性能的影响。结果表明,当Ce/Al物质的量比为0.5时,Pt/CeO_2-Al_2O_3催化剂在450℃下具有较高的脱氢性能;甲基环己烷转化率达到88.53%,甲苯的选择性达94.63%。     

富氢气氛下CeO_2-NiO纳米棒催化剂的CO选择性氧化性能研究

采用水热法制备了一系列不同Ce/Ni物质的量比的纳米棒CeO_2(x)-NiO催化剂。运用低温N_2吸附-脱附、XRD、TEM、拉曼光谱、H_2-TPR及XPS等技术对催化剂的形貌、结构进行了表征。考察了Ce/Ni物质的量比对CeO_2(x)-NiO催化剂形貌及富氢气氛下CO选择性氧化(CO PROX)反应性能的影响。TEM测试结果表明,调变Ce/Ni物质的量比可制得不同粒径的CeO_2(x)-NiO纳米棒催化剂。H_2-TPR测试结果表明,将NiO掺入CeO_2可提升Ce O_2(x)-NiO催化剂的氧化还原能力。拉曼光谱及XPS测试结果表明,镍含量较低时,CeO_2(x)-NiO催化剂表面活性氧物种及氧空位含量均较多,利于提升其催化性能。CO PROX催化性能测试结果显示,镍含量较低的CeO_2(0.89)-NiO纳米棒催化剂的活性和选择性最好,在170-220℃的反应条件下,CO转化率为100%,CO_2选择性为52%。     

Ce/Co比对Ag/CeO2-Co3O4催化剂低温氧化降解甲醛性能的影响

采用共沉淀法制备了一系列具有不同Ce/Co比的Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂,对其在甲醛低温氧化降解中的催化性能进行了研究。结果发现,Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂具有较好的甲醛低温降解活性,而Ce/Co比是影响其催化性能的一个重要因素。XRD、氮吸附-脱附、Raman光谱、H₂-TPR和in-situ DRIFTS等表征结果表明,随着Co含量的增加,Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂的孔体积随之增大,而比表面积减小。CeO₂有利于Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂的氧化还原性能提高,促进氧空位增加,提升Co²⁺的含量,从而有利于氧分子的活化,促进甲醛降解。同时,in-situ DRIFTS结果表明,甲酸盐物种的分解是甲醛在Ag/CeO₂-Co₃O₄催化剂表面催化氧化降解的速控步骤。     

吸附相反应技术制备MnO_x/CeO_2/SiO_2催化剂及其低温选择性催化还原NO_x

采用吸附相反应技术制备得到了MnOx/CeO2/SiO2催化剂,通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、紫外激光拉曼(Raman)等手段对催化剂进行了表征.HRTEM分析表明活性组分MnOx与CeO2都均匀分布在载体SiO2表面;XRD分析表明Mn3O4特征峰随着CeO2含量的增加逐渐减小至完全消失,CeO2的加入降低了MnOx的结晶程度,增加了MnOx的分散性;Raman光谱表明催化剂表面的Mn离子能够进入CeO2晶格,激发出空穴氧,随着CeO2负载量的增加,催化剂氧空穴浓度先升高后降低.以NH3为还原剂,考评催化剂的NOx低温选择性催化还原(SCR)性能,催化剂催化活性随CeO2负载量增加先升高后降低,与催化剂氧空穴浓度变化规律一致,说明催化剂活性受氧空穴浓度影响,氧空穴浓度升高,催化剂催化活性升高.     

CeO2/Co3O4氧载体的制备及其甲烷化学链燃烧性能研究

制备了系列甲烷化学链燃烧用CeO₂/Co₃O₄复合氧载体,采用XRD、H₂-TPR、甲烷程序升温和恒温反应对氧载体进行了表征与评价。研究了不同CeO₂的负载量对复合氧载体的结构、氧化还原性、产物选择性的影响。结果表明,氧化铈的添加不仅降低了氧载体的初始反应温度,还延长了有效反应时间,但铈添加量过高会降低产物CO₂选择性,使甲烷向部分氧化进行。CeO₂(30%)/Co₃O₄氧载体在650 ℃经20次循环后甲烷转化率和CO₂选择性均未明显降低,表现出较高的活性和化学链循环稳定性。     

柠檬酸对MoO3/CeO2-Al2O3催化剂耐硫甲烷化性能的影响

将柠檬酸（CA）作为络合剂添加至CeO₂-Al₂O₃复合载体中,并考察了CA对MoO₃/CeO₂-Al₂O₃催化剂耐硫甲烷化性能的影响。活性评价结果显示,催化剂活性随柠檬酸添加量的增大而增大,当n（CA）/n（Ce）为3时,CO转化率可达60%。催化剂BET、XRD、H₂-TPR及XPS等表征结果表明,在CeO₂-Al₂O₃复合载体中加入CA,可以增大载体及催化剂的比表面积,使Mo物种分散性提高。同时,CA对Ce物种起络合作用,致使催化剂表面Ce元素含量明显增加,进而减弱了活性组分Mo物种与载体间相互作用力,并最终导致了催化剂活性的提升。     

溶解氧及波长对光助阳极沉积CeO2薄膜的影响

本文主要研究在含有0.05 mol·L^-1硝酸铈、0.1 mol·L^-1乙酸铵和70%（体积比）乙醇的镀液中通过阳极电沉积法在316 L不锈钢电极表面上制备CeO₂薄膜,并讨论了三种单色光波长以及镀液中溶解氧对阳极沉积CeO₂的影响. 采用计时安培曲线、椭圆偏振光谱、扫描电子显微镜、掠角X射线衍射和拉曼光谱方法研究了薄膜的电镀行为、表面形貌及其结构. 结果表明,本研究中的有效光照射波长为365 nm和254 nm,415 nm的波长不足以将电子从导带激发到价带. 随着入射光波长从254 nm增加到415 nm,薄膜的厚度与结晶度均逐渐减小,波长的变化对CeO₂薄膜表面形貌的影响很小. 少量的氧气对光助阳极沉积CeO₂薄膜有积极作用,但会生成较多的铈的氧化物颗粒吸附在电极表面. 在光电化学系统中,O₂常用作电子捕获剂. 随着溶解氧含量的增加,O₂将捕获对沉积有积极作用的光生电子,进而抑制阳极沉积的反应速率.