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.     

一维CeO2纳米管载体对Pd纳米粒子团聚的抑制及催化性能的提高

用一维CeO₂纳米管替代非一维结构的商用CeO₂, 用于负载Pd而制得的催化剂在空气气氛下高温煅烧过程中Pd纳米粒子的团聚受到明显抑制, 在选择性有氧氧化苯甲醇生成苯甲醛反应中, 所制CeO₂纳米管负载的Pd催化剂表现出更高的催化活性. 可见, 一维金属氧化物材料有望用作载体以抑制贵金属纳米粒子的团聚, 从而提高其催化性能.     

氧化铈形貌对Au/CeO2催化剂催化氧化CO反应活性的影响

采用水热合成法制备了形貌规则的纳米氧化铈颗粒,分别为棒状、立方体和多面体,通过溶胶沉积法将金颗粒沉积到不同形貌氧化铈表面制得了Au/CeO2催化剂.考察了催化剂载体的不同形貌对CO催化氧化反应活性的影响.实验结果表明,棒状(110 100)和多面体(111 100)氧化铈作为载体时的催化剂活性比立方体(100)作为载体时的活性高.在低温段,多面体氧化铈作为载体的催化剂表现出较高活性,而在高温范围,棒状氧化铈作为载体的催化剂的催化活性最好.     

金属氧化物纳米材料的电化学合成与形貌调控研究进展

金属氧化物纳米材料因其丰富的形貌、独特的性能、广泛的应用成为材料合成领域研究的热点.调控金属氧化物纳米材料的形貌对于调变其性能、拓展其应用空间具有重要意义.电化学方法由于操作简单易控、方法灵活多变,因此成为调控金属氧化物形貌的常用方法.本文综述了近年来我们在金属氧化物纳米材料的电化学合成与形貌调控方面已取得的研究结果;总结了不同金属氧化物在电化学过程中晶体生长机制和形貌调控的规律,为实现功能材料的定向合成奠定了基础.     

金属氧化物纳米催化的形貌效应

纳米结构催化剂的设计与制备是多相催化的核心问题之一．提高催化活性的传统方法是减小催化剂粒子的尺寸以暴露更多的表面活性位,即纳米催化中的尺寸效应,但这种方法往往带有一定程度的经验性和随机性．近年来,随着纳米材料科学的快速发展,在溶液体系中通过自下而上的合成技术已经可以在纳米尺度上有效调变固体催化剂粒子的形貌．通过纳米催化材料的形貌可控合成,可选择性地暴露高活性或特定能量晶面,从而大幅度提升催化反应活性、选择性和稳定性,也就是纳米催化中的形貌效应,这也是当前纳米催化研究的热点之一．本文以作者近年来研究的C0304、CeO2和Fe2O3为重点,总结了纳米结构金属氧化物在多相催化反应中的形貌效应,分析了氧化物暴露品面的化学性质对催化性能的作用机制．这种基于形貌效应的纳米催化不仅加深了在纳米尺度甚至原子层次上对催化剂构一效关系的认知,而且对设计和开发实用高效催化剂也具有重要的理论价值．     

铜-氧化铈界面:几何及电子结构

纳米催化材料的性能主要由粒子尺寸、形貌和界面决定,即活性位点的电子及几何结构.尺寸、形貌可控的纳米催化材料的合成及其反应性能的研究,即催化剂的构效关系,一直是催化领域的研究热点.氧化物负载的金属催化剂广泛应用于多相催化反应过程.基于氧化铈优异的氧化还原性能, Cu/CeO2催化剂在CO氧化、N2O消除、水气变换、甲醇合成等反应中表现出优异性能.其中,通过铜物种与氧化铈表面化学键合形成的金属-载体界面通常被认为是催化活性中心.铜物种和氧化铈的相互作用主要体现在氧化铈固定铜物种,而铜物种促进氧化铈的氧化还原能力,涉及Cu^2+/Cu^+/Cu^0和Ce^3+/Ce^4+之间电子的传输和转移.Cu/CeO2催化剂活性位的原子结构与金属-载体相互作用程度密切相关.氧化铈形貌和铜负载量是决定界面电子和几何结构的重要因素.常见的纳米氧化铈形貌包括纳米粒子(多面体)、纳米棒和纳米立方体,可分别选择性暴露(111)、(110)和(100)晶面;这些晶面上原子配位环境和化学性能决定了铜-氧化铈的键合方式和界面结构.与暴露{100}晶面的纳米立方体相比,主要暴露{100}/{110}镜面的氧化铈纳米棒、暴露{111}/{100}晶面的纳米粒子与铜物种具有更强的金属-载体相互作用程度,也更有利于铜物种的分散.铜的负载量也显著影响铜物种在特定氧化铈表面的分散度和化学状态;随着铜负载量的增加,可在氧化铈表面形成层状铜、铜团簇和铜纳米粒子.通常情况下,低负载量有利于单层、双层铜物种的形成,高负载量时则出现多层铜和铜纳米粒子.催化活性位通常是由铜原子与氧化铈上的氧空穴相互作用产生,与氧化铈表面氧空穴的数量和密度密切相关,即氧化铈形貌.本文总结了Cu/CeO2催化剂的研究进展,讨论了氧化铈形貌和铜负载量对铜物种分散度和化学状态的影响规律,总结了铜氧化铈界面结构的多维度表征结果,比较了Cu/CeO2催化剂在CO氧化、水气变换及甲醇合成中的活性位结构和反应机制.     

规则中孔氧化铈的纳米铸型合成及作为高CO氧化活性金催化载体的应用

以有序的中孔炭材料CMK-3为模板,以硝酸铈为前体,利用纳米铸型法合成了具有规则结构的中孔氧化铈,考察了模板脱除温度对中孔氧化铈微结构的影响.热重、元素分析、X射线衍射、透射电镜和氮气物理吸附结果表明,炭模板的脱除温度可低至350℃,所得氧化铈具有二维六方规则结构,比表面积高达167 m~2/g,孔径分布集中在3～5nm.采用胶体沉积法将2-5nm的金溶胶粒子沉积到所得氧化铈表面制得了Au/CeO_2催化剂,考察了Au/CeO_2在CO氧化反应中的活性.结果表明,该催化剂的活性较常规氧化铈制备的金催化利有明显提高,这可能与载体的规则结构有关.     

一维无机纳米材料的研究进展

一维纳米材料在光学、电子学、环境和医学等领域有广泛的应用前景,已成为材料领域研究的热点.本文比较全面地归纳和分析了一维无机纳米材料的最新研究进展,介绍了材料的制备方法、性质和应用,探讨了将来的发展方向.     

纳米尺度CeO2在多相催化反应中的形貌效应

CeO2的催化性能不仅与粒子大小有关,而且与其形貌密切相关. 本文分析了CeO2的纳米结构和氧化还原特性,综述了CeO2在催化反应中的形貌效应,着重介绍了CeO2的结构和形貌对CO氧化、水气变换和乙醇水蒸气重整制氢以及二元醇脱水反应活性的影响.     

纳米氧化铈在催化氧化木质素制备芳香化合物中的应用研究

木质素是自然界中唯一大规模可再生的含芳环聚合物.通过催化氧化的方法,定向解聚木质素得到芳香类化合物,具有非常重要的价值.近年来,氧化铈作为载体在木质素的多相催化氧化反应中表现较好性能.然而,对于氧化铈直接作为催化剂,并探讨其纳米结构与性能之间的研究未见报道.研究结果表明:纳米氧化铈直接作为催化剂时,对于木质素的催化氧化反应具有较好的性能,顺序为氧化铈纳米八面体纳米四方体纳米球纳米棒.纳米八面体表现出最优的催化性能,以其作为催化剂,对乙醇木质素进行催化氧化,得到了大量芳香酸及其酯类化合物.     

Synthesis of ceria nanoparticles for the catalytic activity of cyclohexene epoxidation and selective detection of nitrite

Based on a few noteworthy features, cerium oxide nanoparticles have gained significance in nanotechnology. The effective microwave combustion method (MCM) and the conventional sol–gel (CRSGM) technologies are used in this study to successfully generate the crystalline CeO₂ nanoparticles (NPs). Additionally, using a variety of spectroscopic and analytical methods, the synthesized CeO₂ NPs are examined to assess to understand their structure and morphology. The XRD patterns of CeO₂ NPs show that the structure exhibits a face-centered cubic lattice. Then, with demonstrated good conversion and selectivity, the impact of the epoxidation reaction of cyclohexene was examined. Finally, it can be said that using CeO₂ nanoparticles is an efficient strategy to increase the catalytic activity toward the epoxidation reaction of cyclohexene. In the presence of acetonitrile as a solvent and H₂O₂ as an oxidant, the catalyst samples utilized in the cyclohexene epoxidation reaction were examined. In this study, the CeO₂ catalyst outperformed all other catalysts in terms of cyclohexene maximal conversion and selectivity. After six prolonged cycles, the conversion of cyclohexene oxidation using CeO₂ NPs shows reasonable recyclability and conversion efficiency, making it the best catalyst for an industrial production application.Additionally, the upgraded CeO₂ nanoparticle electrode for nitrite detection has a linear concentration range (0.02–1200 M), a low detection limit (0.22 M), and a higher sensitivity (1.735 A M⁻¹ cm⁻²). CeO₂ NPs, on the other hand, have a quick response time, excellent sensitivity, and high selectivity. Additionally, the manufactured electrode is used to find nitrite in various water samples. Finally, it can be said that using CeO₂ NPs is an efficient strategy to increase the catalytic activity toward cyclohexene oxidation and nitrite.     

Synergistic effect of dealumination and ceria impregnation to the catalytic properties of MOR zeolite

MOR zeolite has been extensively employed as a catalyst in industries. However, high Brønsted acidity in MOR leads to rapid deactivation due to coke deposition on the pore mouths; thus, the surface acidity of MOR needs to be moderated. Herein, we report a modification of MOR chemical composition via acid treatment and deposition of ceria nanoparticles using a wet impregnation method. The acid treatment successfully increases the Si/Al ratio of MOR from 8.39 to 11.58 and reduces the total acid site concentration of MOR from 990 μmol/g to 752 μmol/g. The acidity of MOR is decreased when the Si/Al ratio is increased since the quantity of Brønsted acid sites is proportional to the number of Al framework. In addition, the acid treatment also improves the external surface area of MOR. Furthermore, ceria particles were successfully deposited on the MOR surface using wet impregnation method. The ceria content of parent MOR sample is lower compared to that of preceded by the acid treatment, which may be attributed to the formation of more terminal silanol groups. Finally, catalytic test on Friedel–Crafts alkylation of toluene with benzyl alcohol shows that the synergy between dealumination and the impregnation of ceria significantly improves the activity of MOR zeolite.     

Particle Size Limit for Concomitant Tuning of Size and Shape of Platinum Nanoparticles

Based on a polyol process, one-step synthetic procedures were investigated for concomitant control of the shape and size of platinum nanoparticles (Pt NPs). Cubic and octahedral/tetrahedral particles of different sizes (5–10 nm) were synthesized using these procedures. Further attempts to control the shape of the NPs below 3–4 nm failed. It was found that 3–4 nm is the particle size limit for Pt NPs above which the particle size and shape can be concomitantly controlled.     

溶剂热法合成锐钛矿型二氧化钛纳米晶的形状演化规律

以钛酸四丁酯为前驱体,乙醇为溶剂,月桂酸和十二胺为共同稳定剂,采用溶剂热法制备了不同形状的锐钛矿型二氧化钛纳米晶。利用透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和热失重-差热分析(TG-DTA)等技术对纳米晶的结构、尺寸、形貌及形状进行了系统的表征,并探讨了月桂酸与十二胺不同配比时纳米晶的形状演化规律。结果表明:用溶剂热法在不同配比情况下获得的二氧化钛均为锐钛矿相;在月桂酸与十二胺总摩尔量不变的情况下,随着十二胺含量的增加,二氧化钛纳米晶的形状由球形逐渐演化为棒状,且结晶化程度在两者摩尔比为1:1时最好;月桂酸与十二胺稳定剂与纳米晶内核之间以桥接配位体的形式结合,且稳定剂在样品中的含量约为5%。     

Strategic synergy: advances in the shape control of bimetallic nanoparticles with dilute alloyed surfaces

Bimetallic nanoparticles with dilute alloyed surfaces are promising materials for many applications, especially catalysis. However, the preparation of nanoparticles composed of catalytically advantageous metal pairs is complicated by challenges, such as lattice mismatch and dissimilar reduction potentials. This review presents recent advances in nanoparticle shape and composition control, and these syntheses can be classified as ‘two-step’ or ‘one-step.’ Two-step techniques use a premade particle that is modified by the deposition of the secondary metal via galvanic exchange, direct reduction, or underpotential deposition. In contrast, one-step methods such as seed-mediated coreduction, sequential coreduction, and underpotential deposition involve the simultaneous deposition of both metals. A perspective on ongoing synthetic challenges is also provided, as well as promising directions for future work.     

CuPd催化剂调节中间反应能垒提高电催化CO2生成二碳产物的选择性

过度的碳排放已造成了严重的全球环境问题,电催化CO2还原是一种利用间歇性过剩电能将CO2转化为有价值的化学物质的有效策略.在多种CO2还原产物中,二碳(C2)产物(如乙烯、乙醇)因其比一碳产物(如甲酸、甲烷、甲醇)具有更高的能量密度而备受关注.Cu是唯一能用电化学方法将CO2转化为多碳产物的单金属催化剂.如何提高Cu基催化剂上CO2还原为C2产物的效率已引起了极大关注.电催化还原CO2生成C2产物有两个重要步骤:一是参与碳碳偶联反应的CO*中间体的量(*代表中间体吸附在基底表面),二是碳碳偶联步骤的能垒.对于Cu单金属催化剂,虽然其表面碳碳偶联步骤的能垒相对较低,但是Cu对CO2的吸附能力和CO2*加氢能力并不高,导致在Cu表面不能生成足量的CO*中间体参与碳碳偶联反应,因而对C2产物的选择性和活性并不理想.与Cu单金属催化剂相反,在Pd单金属催化剂表面,CO*中间体的形成具有超快的反应动力学,但是CO*易在Pd表面中毒且后续碳碳偶联步骤的能垒极高,使其表面不能生成C2产物.为了充分发挥Cu(碳碳偶联步骤能垒较低)和Pd(CO*形成具有超快反应动力学)的双重优势,本文构建了一种紧密的CuPd(100)界面,以调节中间反应能垒,从而提高C2产率.密度泛函理论(DFT)计算表明,CuPd(100)界面增强了CO2的吸附,且降低了CO2*加氢步骤的能垒,从而能够催化生成更多的CO*中间体参与碳碳偶联反应.且CuPd(100)界面上CO2还原为C2产物的电位决定步骤能垒为0.61 eV,低于Cu(100)表面的(0.72 eV).本文采用了一种简便的湿化学法制备了CuPd(100)界面催化剂.X射线衍射和X射线光电子能谱测试以及扩展X射线吸收精细结构光谱结果表明,合成的是相分离的CuPd双金属催化剂,而非CuPd合金催化剂.同时高分辨透射电镜可以观察到清晰的CuPd(100)界面.由此可见,本文成功合成了CuPd(100)界面催化剂.程序升温脱附实验结果表明,CuPd(100)界面对CO2和CO*的吸附比Cu强,结果与理论预测一致.气体传感实验结果表明,CuPd(100)界面CO2*加氢能力比Cu强.为评估CuPd(100)界面催化剂的催化活性,进行了CO2电化学还原实验.结果表明,在0.1 mol/L的KHCO3电解液中,CuPd(100)界面催化剂在–1.4 VRHE下,C2产物的法拉第效率为50.3％ ±1.2％,是同电位下Cu催化剂的(23.6％ ±1.5％)的2.1倍,C2产物的选择性是Cu催化剂的2.4倍,且具有更高的电流密度和更大的电化学活性面积.本文通过调控中间反应能垒以合理设计铜基CO2还原电催化剂提供了参考.     

Cu-MOFs的生长调控及其催化水解羰基硫的性能

羰基硫(COS)广泛存在于以煤、焦炭、渣油和天然气等为原料生产的化工原料气中,不仅腐蚀管道设备,使下游催化剂发生硫中毒,而且还会造成环境污染.因此,COS脱除具有重要意义.在各种方法中,催化水解COS(COS+H2O→CO2+H2S)由于具有反应条件温和、转化率高和副反应少等优点越来越受重视.其关键在于发展高效的催化剂.近年来,金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)由于其独特的物理化学性质引起人们广泛关注.与传统材料相比,MOFs不仅拥有超高的比表面积和规则的孔道结构,而且其结构具有可设计性强和易调变等特点,是一类非常有潜力的多相催化剂.然而,目前MOFs在催化水解COS方面的研究应用未见报道.此外,MOFs的合成方法主要有水/溶剂热法、扩散法和微波辅助加热法等.近年来新发展的电化学法具有合成效率高、操作方便和环境友好等优点,在材料合成中显示出巨大的优越性,但利用电化学法合成MOFs相关研究还较少. 本文采用快速温和的电化学方法制备了典型的Cu-MOFs(HKUST-1).该方法可以有效缩短反应时间,通过调节反应电压(15–30 V),在室温下电解3 h,可得到一系列HKUST-1样品.根据合成中设置的电压值,样品分别命名为HKUST-1-E15,HKUST-1-E20,HKUST-1-E25和HKUST-1-E30.XRD表征结果显示,不同电压下合成样品的XRD谱图与通过晶体数据拟合的HKUST-1图出峰位置基本一致.SEM结果表明,合成电压对样品形貌的影响很大.HKUST-1-E15主要呈长棒状结构,长约为15μm.随着电压的增大,HKUST-1-E20的形貌逐渐转变为较短的四棱柱体.当电压为25 V时,所得HKUST-1-E25呈八面体状.进一步提高合成电压,HKUST-1-E30颗粒变小,没有特殊形貌,并出现明显的团聚.COS水解测试结果显示,不同电压下合成样品的活性差异大,这主要是由于样品的形貌及比表面积差异引起的.其中,HKUST-1-E25样品的活性较好.在150°C下,该样品对COS的转化率接近100%,比水热法合成的HKUST-1-Hy的活性更高.在此基础上,进一步对活性测试过程的条件进行优化,发现当原料气流速为30 mL/min,水温为40°C时,催化剂的COS水解性能最优.此外,样品的活性稳定性测试结果显示,相比传统的氧化铜材料,HKUST-1是一类较稳定的COS水解催化剂.     

Tuning the Surface Polarity of Microporous Organic Polymers for CO2 Capture

CO₂ capture is very important to reduce the CO₂ concentration in atmosphere. Herein, we report the preparation of microporous polymers with tunable surface polarity for CO₂ capture. Porous polymers functionalized with ‐NH₂, ‐SO₃H, and ‐SO₃Li have been successfully prepared by using a post‐synthesis modification of microporous polymers (P‐PhPh₃ prepared with 1,3,5‐triphenylbenzene as the monomer and AlCl₃ as the catalyst) by chemical transformations, such as nitration–reduction, sulfonation, and cationic exchange. The CO₂ adsorption selectivity (CO₂/N₂ and CO₂/H₂) and isosteric heats of the microporous polymers increase markedly after modification, P‐PhPh₃‐NH₂ and P‐PhPh₃‐SO₃Li afford higher CO₂ uptake capacity than P‐PhPh₃ at pressures of less than 0.15 bar due to the enhanced interaction between CO₂ and the ‐NH₂ and ‐SO₃Li functional groups. Moreover, functionalized porous polymers could be stably used for CO₂ capture. Surface modification is an efficient approach to tune the CO₂ capture properties of porous polymers.     

氧化铈在氨选择性催化还原氮氧化物中的应用

NH₃选择性催化还原NO_x（NH₃-SCR）是一种广泛应用于以燃煤电厂为代表的固定源和以柴油发动机为代表的移动源NO_x排放控制的技术. 近年来,氧化铈由于具有优异的氧化-还原、储氧和表面酸性等特性而在NH₃-SCR催化剂研究中受到广泛关注. 本文系统综述了氧化铈用作NH₃-SCR催化剂载体、助剂和主催化组分的相关研究,并对该领域未来可能的研究方向进行展望.