V2O5／TiO2催化剂的表面结构和酸碱性及氧化还原性

 研究了一系列锐钛矿担载的钒氧化物催化剂的表面性质．X射线衍射和Raman光谱表明，8％V2O5／TiO2催化剂上的V2O5处于单层分散状态．程序升温还原研究表明，单层分散的钒物种较易被还原，而形成多聚态和晶态后钒物种的还原温度升高．NH3吸附量热结果表明，在钒物种达到单层分散前，催化剂的表面酸性随钒担载量的增加而减弱，超过单层分散后，表面酸位的数目和强度基本不变．异丙醇脱氢／脱水反应结果表明，有O2时V2O5／TiO2催化剂显示出很强的氧化还原性，无O2时催化剂的脱水选择性较高．通过异丙醇的脱氢／脱水反应，将V2O5／TiO2催化剂的表面结构与其酸碱性和氧化还原性进行了初步的关联．     

表面具丰富羟基的介孔TiO2稳定Pt-OH-Fe(III)催化界面

在负载型金属催化剂中，载体不仅可以提高金属分散度，同时还创造了独特的金属-载体界面.在特定的反应中，这些界面位点被认为是主要活性位点.对于这些体系，其催化性能的关键在于能否构建丰富且稳定的界面活性位点.本研究中，以乙二醇-钛前驱体水解得到的超高比表面积介孔TiO₂作为载体（m-TiO₂，490 m²/g），通过紫外光照沉积得到m-TiO₂负载的高度分散的Pt纳米颗粒（1.9 wt% Pt，2.7 nm）.相较而言，在商业P25 TiO₂上负载量仅有0.2 wt%，而Pt的尺寸却达6.7 nm.通过简单的沉积沉淀法可以在Pt/m-TiO₂和Pt/P25进一步构筑超高活性和稳定性的Pt-OH-Fe（Ⅲ）界面，所得到的Fe（OH）_x-Pt/m-TiO₂在催化低温CO氧化反应中表现出超高活性和稳定性，而Fe（OH）_x-Pt/P25却会在测试过程中发生不可逆的失活.研究发现，相较于P25表面密度较小且对湿气不敏感的羟基物种，m-TiO₂的高比表面积、介孔结构以及表面具有丰富（且对湿气敏感）的羟基（10.6 mmol/g，12.5 nm^-2），可以确保Pt-OH-Fe（Ⅲ）界面在CO氧化的放热反应中不会因为脱水发生不可逆的失活.     

TiO2负载Co2+、Cu2+催化剂的制备及其对甲酚催化氧化性能

用浸渍法制备了一系列以TiO2为载体的负载型催化剂,利用XRD和IR分析测试技术研究了负载Co2+与Cu2+后催化剂的表面结构,催化剂用于对甲酚氧化制备对羟基苯甲醛的反应中。 结果表明,n(Co2+)∶n(Cu2+)=1∶0.5时,催化剂的催化效果最佳。 在反应优化条件下,对甲酚的转化率可达100%,对羟基苯甲醛的选择性达95.2%。     

ZrO2基复合金属氧化物催化剂上CO2温和氧化乙苯制苯乙烯

苯乙烯(SM)是聚合物化学中最重要的单体之一,由其生产的聚合物产品(如PS,SBR和ABS等)具有独特的性能,因而SM的需求逐年增加.乙苯(EB)催化脱氢工艺提供了90％的SM需求,该过程在K促进的氧化铁催化剂上于600-650℃进行.这是一个吸热且体积增大的反应,因此需要绝热反应器和大量的过热过饱和蒸汽以提供热量和降低反应分压,从而有利于反应平衡向SM方向移动,也可避免或消除积碳.同时,也造成大量潜热被浪费;热点也降低了整个反应活性和催化剂寿命.在蒸汽中加入空气或富氧空气,使得副产H2与O2反应,产生的热量可供随后乙苯脱氢反应,同时H2的移除也有利于提高EB单程转化率,并保持高的SM选择性.但是,该过程需要2个催化剂,反应器的设计和催化剂的装填比较复杂,且存在爆炸的危险.因此,人们尝试了多种氧化剂和新型的催化剂.最近也有人提出软氧化剂的概念.这为开发新催化体系提供了可能.相对于O2,CO2的氧化性很弱,但可用作温和氧化剂去除脱氢单元中副产的H2,降低了反应温度,且不影响反应活性和选择性;同时,具有较大的经济性和环保性,在工业上也是切实可行的.除了负载型的碱金属促进的氧化铁催化剂外,各种金属或金属氧化物也用于催化CO2氧化EB脱氢反应中,如Fe,Cr,V和La的氧化物为活性金属,碳材料、MgO、SiO2、Al2O3、Ga2O3、ZrO2、TiO2、水滑石类化合物及分子筛为载体.Park课题组研究了Fe,V和Cr基催化剂,即设计氧化还原的催化剂表面以解离CO2,产生的O用于逆水汽反应.其中以Al2O3负载的V和V-Sb氧化物催化剂性能最为突出;但存在积碳失活和V物种的深度还原等问题.为了进一步提高催化剂性能,该课题组开发了多种ZrO2基复合氧化物催化剂,包括MnO2-ZrO2,TiO2-ZrO2,CeO2-ZrO2和SnO2-ZrO2.这些催化剂具有酸碱特性,在反应中表现出较高的催化性能.因此,本文简要总结了用于CO2氧化EB脱氢反应的ZrO2基催化剂最新研究进展.研究发现,在CO2氧化EB脱氢制SM反应中,CO2在提高催化剂活性和稳定性方面起着非常重要的作用,可被定义为软氧化剂:氧化催化剂表面以保持其表面氧含量,移除催化剂表面产生的积碳和副产物H2,为反应体系提供较高的热容以克服反应平衡限制,从而达到较高的转化率.ZrO2基复合金属氧化物是具有改善的织构特性的纳米粒子,且具有酸碱两性和氧化还原性能.改性可提高催化体系的热稳定性和活性.其中CeO2-V2O5/TiO2-ZrO2催化剂具有恰当的氧化还原性和酸碱两性,二者协同作用,因而催化性能最佳.氧化还原稳定剂Sb的添加进一步提高了其催化性能.碱金属和碱土金属可优化其酸碱性,增加比表面积,从而提高反应活性和选择性以及CO2转化率.继续加强抑制积碳和促进CO2活化方面的研究,可有望进一步提高单程转化率(75％以上)、选择性(98％)和CO2转化率(30％).总之,CO2氧化EB脱氢制SM是一个高度经济性和环境友好的新过程,在未来有望满足SM日益增长的需求.另外,该过程的开发可减少CO2排放,其副产的CO还可用于多种化工过程.然而,该过程仍面临诸多挑战:如何抑制积碳,单程转化率和催化剂寿命有待进一步提高.这些挑战也给我们未来的研究提供了方向.深入理解反应机理、积碳机理和CO2的活化过程也有利于我们开发出更适合工业应用的催化剂.     

Er掺杂对CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂脱硝性能的影响

氮氧化物(NOx)是大气污染的主要因素之一,对其排放的治理成为较为迫切的需求.氨气选择性催化还原法(NH3-SCR)是目前减少NOx排放中应用最为广泛的技术.目前,商业SCR催化剂主要是V2O5(WO3,MO3)/TiO2,但其具有活性温度窗口窄、N2选择性低和对环境影响大等缺点.因此,新型的催化活性高且活性温度窗口宽的环境友好催化剂成为脱硝催化剂的研究热点.CeO2因其独特的氧化还原性能和优异的储释氧能力在催化领域具有广泛应用,在NH3-SCR中也研发出较多类型的铈基催化剂.我们课题组前期研发了具有优异脱硝性能的CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂,为拓展其应用范围,需要进行更深入的研究.理论上,Ti4+,Ce4+以及Zr4+离子的价态均高于Er3+,且离子半径相近.换言之,Er2O3能够与TiO2以及CeO2产生缺陷反应增大催化剂的缺陷浓度,进而提高催化剂的催化活性.本文以溶胶-凝胶法制备了一系列Er掺杂CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂,测试了样品的NH3-SCR催化活性和N2选择性,并且在320℃下连续24 h测试了水蒸气、SO2以及两者混合作用对催化剂活性的影响.使用X射线衍射(XRD)、N2等温吸附-脱附(N2-BET)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、光致发光光谱(PL)、电子顺磁共振(EPR)以及X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征.XRD结果显示,Er掺杂后催化剂的结晶程度降低,且图谱中没有出现明显的EF2O3衍射峰,即Er在催化剂上有较好的分散度且掺杂抑制了催化剂的晶化.NH3-TPD和H2-TPR结果表明,Er掺杂降低了酸强且提高了储释氧能力,催化剂的氧化还原能力则有所减弱.PL和EPR测试结果显示,掺杂后的催化剂氧空位浓度和Ti3+浓度有所增加,与前期理论设计一致.XPS测试结果表明,掺入Er后催化剂的化学吸附氧含量和Ti3+浓度增加,Ce3+浓度基本不变,推测是CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂中掺入的Er主要与载体TiO2,而不是与活性组分CeO2或助剂ZrO2产生缺陷反应的结果.CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂最高活性为94.28％,其活性温度窗口为230-390℃,掺入Er (Er∶Ce=0.10∶1)后,催化剂的整体活性尤其是350℃以下的催化活性具有明显提升,最高活性达到98.85％,活性温度窗口也拓展为220-395℃.单独的水蒸气对催化活性影响很小,SO2会部分降低催化剂活性,而当两者混合作用时,催化剂活性下降最为显著,且Er掺杂后CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂的抗中毒能力有所增强.Er掺杂CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂显示出较好的抗硫抗水中毒能力以及较高的NH3-SCR催化活性和N2选择性,应该是一种具有应用前景的SCR催化剂.Er掺杂降低了催化剂的酸强,抑制了TiO2和铈锆固溶体的晶化,提高了Ti3+和氧空位浓度并增强了储释氧能力,是CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂活性提高的主要原因.     

CuO/CeO2催化剂的催化氧化性能及其表征

用CO流动反应法 ,程序升温还原 (TPR) ,光电子能谱 (XPS)和X射线衍射Rietveld分析等技术研究了CuO ,CeO2 及CuO/CeO2 各组分催化剂。结果表明 :单组分的CuO和CeO2 对CO的氧化活性较低 ,但CuO与CeO2 形成复合氧化物后 ,其CO氧化活性明显提高 ,这可能与铜物种在CeO2 表面的价态 (Cu2 + 和Cu+ ) ,分散状态和还原性能有关。CuO在CeO2 上的负载量对铜物种在CeO2 表面形成的价态 (Cu2 + 和Cu+ )至关重要 ,CuO的负载量为 1 0 %时 ,XPS检测不到Cu2p3/2 (eV)结合能 ;当CuO的负载量为 5 0 %时 ,CuO主要以Cu2 + 和Cu+ 形式存在 ,而负载量大于 5 0 %时 ,CuO则以Cu2 + 形式存在。由于形成了CuO/CeO2 复合氧化物 ,使离子半径小于Ce4 + 的CuO进入了CeO2 晶格 ;当CuO的负载量达到 5 0 %时 ,CuO的晶粒尺寸值为最小 ( 6 1nm) ,而晶格畸变值为最大 ( 2 86× 10 - 3) ,此时 ,催化剂具有较高的表面能和最佳的CO氧化活性     

2,2′-联吡啶类催化铬酸氧化异丙醇的动力学研究

铬酸氧化醇类的反应广泛应用于分析和有机合成中。为了加速铬酸的氧化作用或提高反应产率,试验过一些共氧化剂,和催化剂。2,2＇—联吡啶(简作BPy)能与铬离子螯合,显著地提高了铬酸的氧化速率。反应动力学研究的结果说明,2,2＇—联吡啶类、Cr(VI)和异丙醇的三分子螫合物分解为产物一步为限速步骤(见反应式4)。限速步骤产生的Cr(Ⅳ)仍能与2,2＇—联吡啶类螫合,这种作用使Cr(Ⅳ)稳定化,延长了Cr(Ⅳ)的寿命,利于电子转移因而促进反应4的进行。     

助剂TiO2对CO2催化加氢制甲醇催化剂CuO-ZnO-Al2O3性能的影响

采用共沉淀法,用助剂TiO2对CuO-ZnO-Al2O3催化剂改性,TiO2由钛酸正丁酯水解而得,并考察了其在CO2催化加氢制甲醇反应中的催化性能.在反应温度260℃、压力2.6 MPa、H2∶CO2 =3∶1(体积比)、SV=3600 mL/(g·h)条件下,与空白样CuO-ZnO-Al2O3比较,结果显示,TiO2...     

TiO2-CeO2催化剂湿式氧化苯酚的活性研究

采用共沉淀法制备了湿式氧化降解苯酚的TiO2-CeO2催化剂，测定了反应过程中不同反应时间的COD去除率，结果表明，当Ti、Ce摩尔比为3：1时，在150℃、总压5MPa（其中氧分压4．5MPa）时，所制备的催化剂活性最高，反应90分钟COD去除率可以达到71％．对催化剂进行了比表面积、XRD和XPS测试，结果表明，高效的催化剂具有较多的活性位、催化剂粉末体系Ce的变价特性以及大量的表面吸附氧．     

Mn含量对CeO2-ZrO2-MnOx催化剂甲苯氧化净化性能的影响

采用氧化还原沉淀法制备了一系列CeO_2-ZrO_2-MnO_x催化剂(CZM_X,X为Mn在催化剂总金属中的摩尔含量),探讨了Mn含量对CZM_X催化甲苯燃烧性能的影响。结果表明,CZM_(0.6)催化剂具有最好的活性,在230℃下即可实现甲苯的完全转化。XRD表征结果发现,随着锰掺杂量的增加,CZM_X催化剂结晶度先降低后增加。H_2-TPR表征结果表明,随着Mn含量的增加,Ce-Zr-Mn之间的相互作用力先增强后减弱。CZM_(0.6)结晶度最差,金属之间相互作用力最强,表面氧物种更易溢出;同时,Raman和O_2-TPD表征结果也证明CZM_(0.6)催化剂上具有较高的表面氧空位浓度,有利于催化剂表面活性氧物种的迁移,促进了甲苯的氧化。此外,通过in-situ DRIFTS对中间产物进行观测,发现苯甲酸盐是CZM_(0.6)催化剂上甲苯氧化反应的重要中间体;在O_2参与下,苯甲酸盐可迅速转化为CO_2和H_2O。     

煅烧温度对TiO2/SiO2混合氧化物表面酸量的影响

采用共沉淀法制备了高钛含量的复合氧化物TiO2／SiO2．用BET、XRD、FT-IR和正胺吸附等分析手段，研究了煅烧温度对TiO2／SiO2表面酸量的影响．研究发现，随着煅烧温度的升高，TiO2／SiO2表面羟基密度、比表面积逐渐减少，TiO2晶粒尺寸变大，造成TiO2／SiO2表面酸量降低．当煅烧温度达到600℃到800℃之间，表面酸量基本不再改变．     

非晶态合金催化剂NiB、NiB/TiO2的制备、表征及其环丁烯砜加氢催化活性的研究

分别采用化学还原法和浸渍还原法制备了系列NiB及NiB／TiO2非晶态合金催化剂，用XRD、ICP、SEM、SAED和DSC等技术对催化剂的物性进行了表征，并将其用于环丁烯砜加氢反应，研究了制备条件(镍硼摩尔比、滴加方式和金属离子浓度)对非晶态合金催化剂加氢活性的影响。结果表明，选择镍硼摩尔比为1：2，Ni^2 浓度为0．1mol／L，采用正滴加方式(将KBH4溶液滴加到Ni(NO3)2溶液中)所制得的NiB非晶态合金催化剂环丁烯砜加氢活性优于RaneyNi催化剂，对于NiB／TiO2负载型非晶态合金催化剂，镍的实际负载量达14．5％时，NiB／TiO2与NiB的环丁烯砜加氢催化活性相当。     

TiO2/SiO2气凝胶微球的制备及其表征

以TiOSO4和硅溶胶为原料, 加入甲酰胺作为干燥控制化学添加剂, 采用W/O乳状液中的溶胶-凝胶法制备TiO2/SiO2凝胶微球, 通过正硅酸乙酯母液浸泡、溶剂交换、陈化和常压干燥技术制备TiO2/SiO2气凝胶微球, 采用光学显微镜、SEM、TEM和BET比表面及孔分布测定等手段对所得样品进行表征. 典型的气凝胶微球样品是由粒径15 nm左右, 粒度分布相当均匀的球状纳米粒子构成的轻质纳米多孔材料, 表观密度为177 kg•m-3, 比表面积372 m2•g-1, 平均孔径22.78 nm, 孔隙率高达92.0％, 微球的宏观粒径为50 m. 依据制备条件的变化, TiO2/SiO2气凝胶微球的宏观粒径可控在10～200 m之间, 表观密度为150～300 kg•m-3, 比表面积为300～400 m2•g-1, 平均孔径在18.71～22.78 nm之间变化.     

ZrO2对Cu/CeO2-ZrO2水煤气变换催化剂结构、性能的影响

采用共沉淀法制备了系列Cu／CeO2-ZrO2水煤气变换（WGS）催化剂。用N2物理吸附、XRD和H2-TPR手段研究了ZrO2组分对催化剂的织构、物相、还原性能、热稳定性以及WGS反应活性的影响。结果表明。添加ZrO2组分均提高了催化剂的比表面积。且随ZrO2含量的增加，孔径逐渐向小孔集中，即大孔数量减少，小孔数量增加。最可几孔径移至1．9nm左右，并逐渐增强。ZrO2的加入能有效地抑制CeO2晶粒的长大，同时适量的ZrO2可使铜铈基催化剂在WGS反应过程中保持较高的Cu分散度。从而使其具有较高的活性和稳定性。当催化剂中ZrO2含量为10％。反应温度为200℃时，WGS应中CO的转化率达到73．7％。     

异丙醇探针反应表征Ce－Mo－O催化剂的酸性与氧化还原性 Characterization of Acidic and Oxidative Properties of Ce-Mo-O Catalysts Using the Probe Reaction of Isopropanol Conversion

Acidic and redox properties are two important aspects of metal oxide catalysts for selective oxidation reactions. Various methods have been used to characterize these properties, of which the isopropanol conversion is a useful probe reaction that can give qualitative information. It is well known that acidicsites catalyze the dehydration of isopropanol to propylene and basic sites catalyze the dehydrogenation of isopropanol to acetone.     

B2O3/TiO2-ZrO2的结构表征及其与酸性和催化性能间的关系

采用XRD、N₂吸附、 ¹¹B MAS NMR、NH₃-TPD和催化性能评价等方法研究了B₂O₃/TiO₂-ZrO₂催化剂的结构、酸性及催化环己酮肟气相Beckmann重排反应性能间的关系。结果表明,催化剂中的B₂O₃同时以三配位的BO₃和四配位的BO₄结构单元存在;     

TiO2 /wAC复合光催化剂的酸催化水解合成及表征

以TiCl4为钛源, 采用酸催化水解法合成了活性炭(AC)复合光催化剂TiO2/wA(w:AC 的质量分数, %). 通过对苯酚、甲基橙以及六价铬的光催化降解, 考察了AC 含量、反应溶液初始pH值、使用次数对TiO2/wAC光催化剂催化活性的影响,并采用重力沉降法测试了催化剂分离性能. 采用XRD、DRS、FTIR、SEM、低温液氮吸附等对光催化剂晶相结构、光谱特征、表面结构等进行了表征. 结果表明, 适宜AC 含量的TiO2/wAC(wAC=5%, 记为5AC)具有较高的光催化活性.AC 掺杂可减小TiO2粒子凝聚, 而对TiO2的晶相结构、晶粒大小以及表面性质影响不大, 对TiO2能阈结构不产生影响. TiO2与AC结合牢固, 接触界面处有Ti—O—C 键生成. TiO2/5AC 表现出高光催化活性的主要原因是, AC 所提供的适宜高浓度环境及对纳米尺寸TiO2团聚的有效抑制. TiO2/5AC的高活性, 不易失活, 易分离以及活性受pH 变化影响较小的特性,使其在实际废水处理方面具有潜在应用价值.     

二氧化钛纳米粒子和纳米管的合成、表征及对硝基苯的光催化性能研究

采用水热合成法, 通过改变反应条件, 控制反应参数, 成功地合成了粒径可控的球形TiO2纳米粒子和长径比、比表面积均比较大的纳米管. 用XRD, TEM, SAED和BET等手段对产物进行了表征. 为了测试产物的光催化性能, 以高浓度的硝基苯(NB)溶液为模拟水样, 进行了一系列提高降解效率的优化实验和光催化降解的对比实验. 通过对硝基苯溶液初始浓度、TiO2加入量和降解体系pH值等条件的考察, 得出硝基苯溶液的质量浓度为300 mg/L, TiO2的加入量为0.4 g/L, 体系的pH值为6~7时, 降解效果最好; 通过对比实验发现, 由于纳米管的大比表面积, 使得其光催化性能明显优于球形纳米粒子, 3 h后的降解率达到90%以上, 3.5 h左右硝基苯几乎被完全降解.     

掺杂TiO2介孔材料的合成与表征

基于溶胶-凝胶过程, 以非表面活性剂有机小分子三乙醇胺为模板剂, 合成了TiO2及Fe3+/V5+-TiO2介孔材料. 利用XRD, TEM, BET, UV-Vis DRS等手段表征了材料的结构、形貌、比表面积、孔径分布及吸光性能. 研究结果表明, 用乙醇萃取法脱除模板剂可形成具有蠕虫状孔道结构的TiO2介孔材料, 而利用焙烧法在450 ℃脱除模板剂时可引起孔道的塌陷. 掺杂Fe3+或V5+可稳定材料的介孔结构, 适宜的掺杂摩尔分数为0.5％. 于450 ℃下焙烧后, 掺杂Fe3+/V5+的TiO2的平均孔径分别为10.5和9.6 nm, 比表面积分别达到103.59和90.80 m2/g. 相对于P25光催化剂, 掺杂Fe3+或V5+的TiO2吸光带边红移至可见光区, 说明掺杂离子在此合成过程中可有效地进入TiO2的晶格结构而引起其微观电子结构的改变.     

块状TiO2/SiO2气凝胶的非超临界干燥法制备及其表征

分别通过TiO2和SiO2的单独溶胶和TiO2/SiO2复合凝胶,并添加干燥控制化学添加剂甲酰胺,形成比较完善的凝胶网络结构,同时通过正硅酸乙酯的乙醇溶液浸泡,低表面张力溶剂替换和分级陈化以及干燥等步骤,实现了块状TiO2/SiO2复合气凝胶的非超临界干燥制备.所得TiO2/SiO2气凝胶为无色或乳白色轻质块状多孔固体,表观密度约0.4～0.9g/cm3,孔隙率约80%～95%.它由直径约10nm的TiO2和SiO2微粒相互分散复合而成,孔洞直径约几十纳米.其相态SiO2为无定形,TiO2为锐钛矿晶型.随着焙烧温度的升高,直到800℃不发生相变化.