负载型纳米金催化葡萄糖氧化研究进展

正近年来,负载型金催化剂已广泛应用于催化各类氧化反应,如CO氧化[1-2]、水煤气转换反应[3-4]、醇醛的选择性氧化[5-7]、过氧化氢合成[8]、挥发性有机物催化燃烧等[9].同时,负载型金属催化剂(Pt、Pd)已应用于催化葡萄糖氧化制备葡萄糖酸盐,但在催化反应过程中易发生催化剂钝     

催化剂活性位本质和构效关系的模型催化研究

明确催化剂的活性位本质和构建多相催化的结构和反应性能之间的准确关系是催化基础研究的重点,表面科学研究基于丰富的表征测试手段能够较好地在分子原子水平测定表面结构以明确催化剂活性位本质,并通过高压原位反应池测定相关催化反应性能,获得较可靠的催化剂构效关系。本文简要总结了近年来本人参与的几个模型催化研究例子,包括贵金属表面上CO和烷烃催化氧化的活性表面、纳米Au膜的制备和CO氧化的催化活性位、VO_x/Pt(111)上丙烷氧化的协同作用、Au Pd合金上醋酸乙烯酯合成Au的助催化作用、模型氧化物上纳米Pt的庚烷脱氢环化制甲苯的粒径关系等,以及相关模型催化研究技术的进展。     

以葡萄糖为电子给体光催化还原水制氢的研究

以葡萄糖为电子给体,研究了在M/TiO2(M=Pt,Pd,Au,Rh)催化剂上光催化还原水生成氢气的反应.重点考察了体系(或溶液)中溶解的气体和溶液的pH值对析氢速率的影响.实验结果表明,四种催化剂均能够有效地催化以葡萄糖为电子给体的光催化还原水制氢反应.溶液中溶解的一氧化碳和氧气对放氢反应有负面影响,析氢的最佳pH值约为5.本文还对可能的氧化反应机理进行了讨论,葡萄糖很可能经葡萄糖醛酸被氧化.     

高分散的炭载Au纳米催化剂的制备、表征和催化活性

采用柠檬酸钠还原-胶体负载法, 制备了高分散的炭载Au纳米催化剂, 并以液相催化氧化葡萄糖为葡萄糖酸钠的反应评价了Au/C催化剂的活性. 研究结果表明, 金溶胶制备过程中柠檬酸钠的用量对粒子尺寸以及所获催化剂的催化活性有重要影响; 催化剂在多次使用之后活性的降低可能是由于在活性炭表面金粒子活性位点上形成的Au^δ＋-O^δ－化合态减少的缘故. 同时比较了制备的Au/C和商业Pd/C催化剂对葡萄糖的液相催化氧化反应, 证明Au/C催化剂明显优于Pd/C催化剂.     

炭黑负载Pd-Co双金属催化剂对葡萄糖氧化的电催化性能

采用硼氢化钠还原法,制备了炭黑负载的Pd及Pd Co双金属催化剂,研究了葡萄糖在不同催化剂上的氧化行为.通过X射线粉末衍射、透射电镜及X射线光电子能谱及电化学活性面积测定对催化剂进行了表征;利用循环伏安、及计时电流等电化学测试方法研究了Pd负载量及Pd/Co质量比对Pd-Co/C催化剂的葡萄糖电催化氧化活性与稳定性的影响.结果表明,当Pd的负载量为5%、Pd/Co质量比为3时,所得Pd_3Co_1/C催化剂对葡萄糖的电催化氧化活性与稳定性明显优于Pd/C催化剂,且单金属Co/C催化剂没有催化活性.钴助剂的引入提高了Pd的分散度,增大了电化学活性面积,从而提高了Pd的利用效率与催化性能.     

负载型纳米金催化葡萄糖氧化研究进展

负载型金催化剂的制备具有重要的理论和应用价值。葡萄糖作为一种可再生资源已用于合成具有应用价值的葡萄糖酸。作为“绿色化学”反应过程,负载型金催化剂催化葡萄糖氧化已经成为热门的研究领域。负载型金催化剂具有产物专一性强、催化活性高、反应条件温和、长期催化稳定性等优点。本文主要对负载型金催化剂制备方法及其催化葡萄糖氧化方面近年来的进展进行综述。     

PVP 稳定的纳米 Au 溶胶对葡萄糖液相选择氧化的催化性能

 采用化学还原法制备了聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 稳定的纳米 Au 溶胶, 这种 Au 溶胶在葡萄糖空气氧化制葡萄糖酸反应中具有良好的催化性能. 考察了 PVP 加入量和氯金酸前驱液的浓度对反应活性的影响. 紫外-可见吸收光谱和透射电镜分析结果表明, 含有较小 Au 粒子的 Au 溶胶体系具有较高的催化活性. 当 PVP/Au 质量比为 40, 氯金酸浓度为100 μg/ml 时, 得到稳定的 Au 溶胶体系具有金粒子尺寸小、分布均匀的特点, 对葡萄糖氧化反应活性高, 葡萄糖的转化率达到 54.4%.     

Au负载SBA-15分子筛上葡萄糖氧化反应

探讨了金与铝改性的SBA-15分子筛催化剂(Au-Al/SBA-15)上活性中心与葡萄糖氧化制葡萄酸反应性能的关系.通过固体核磁共振波谱(ss NMR)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光谱(UV-Vis)和透射电子显微镜(TEM)等手段对不同Au及Al含量的Au-Al/SBA-15催化剂进行了结构表征.发现Al改性能够在SBA-15载体上产生四配位Al物种,Au主要以单质的形式存在; SBA-15上的四配位Al物种具有稳定Au颗粒大小的作用.通过对比发现,催化剂上的Au和骨架四配位Al物种间的相互协作促进了对葡萄糖氧化的活性,而非骨架Al物种会导致副反应的发生,降低葡萄糖酸产物的选择性.通过固体13C NMR揭示了反应体系中的NaOH能够将强吸附的产物葡萄糖酸分子从催化剂表面解离,保持活性位不被覆盖进而促进反应持续进行.     

Ru系双贵金属催化同时去除碳颗粒和NO_x

用等体积浸渍法制备了一系列Ru系双贵金属催化剂(Ru-M/Zr O2,M为Rh、Ir、Pd、Au、Pt),采用程序升温表面反应(TPSR)技术研究了其催化同时去除碳颗粒和NOx的活性,并考察了含硫含水条件对其活性的影响.结果表明,Ru系双贵金属催化同时去除碳颗粒和NOx的活性受贵金属组合的影响较为明显,Ru-Rh/Zr O2、Ru-Ir/Zr O2和Ru-Pd/Zr O2对碳颗粒和NOx同时去除表现了较高的协同活性,Tpeak低于510℃,η高于35%,其协同催化路径为:Ru催化NO氧化成NO2,Rh、Pd或Ir催化NO2与碳颗粒反应,使碳颗粒迅速氧化,同时NOx迅速还原.含硫含水条件对Ru系双贵金属催化去除碳颗粒具有促进作用,对Ru系双贵金属催化去除NOx具有抑制作用.与其他双贵金属催化剂相比,Ru-Rh/Zr O2和Ru-Ir/Zr O2表现了较强的抗硫抗水性能,而Ru-Pd/Zr O2的抗硫抗水性能最差.     

氮杂石墨烯碳纳米管复合材料负载Pt催化剂在甘油选择性氧化中的应用（英文）

生物柴油因原材料来源广、可再生、安全性能好、环境友好及可替代石化柴油等优势被认为是一种极有发展前景的可再生能源,正逐步成为当今国际新能源开发的热点.作为生物柴油生产过程的主要副产物,甘油多相氧化制备具有高附加值的氧化产物是生物柴油产业链上的重要分支.目前,应用于该催化氧化体系的催化剂主要为负载型单金属(Au,Pd和Pt)和双金属(Au-Pd,Au-Pt和Pt-Bi)催化剂.其中,Au催化剂在碱性条件下对甘油氧化反应有较高的催化活性和甘油酸选择性,并且该催化剂稳定性高,不易在较高氧气压力的反应条件下因氧中毒而失活.但是,由于反应过程中碱的存在,反应体系中部分产物间可相互转化,从而掩盖催化剂的产物选择性本质,增大了产物分析、分离和催化剂作用机理研究的难度.而Pd和Pt催化剂不受酸、碱反应条件的限制,能够在无碱助剂作用下实现甘油催化氧化.与Au基和Pd基催化剂相比,Pt基催化剂可实现在酸性或中性反应条件下甘油选择性氧化产物的一步生成,同时具有较高的催化活性及稳定性,且氧化产物收率较高.一直以来,以碳材料为载体负载的金属催化剂被广泛应用于甘油液相氧化反应.研究表明,催化剂活性与碳的孔径分布有关,随着碳载体微孔比例的增加,催化剂活性下降.此外,载体表面基团对金属活性有着重要影响.例如,载体表面含氧基团的吸电子作用可降低载体表面电子的流动性(电子密度和导电性),从而阻碍甘油氧化反应过程中OH–的吸附和再生,导致反应活性降低.因此,开发微孔比例小、富含负电性基团的碳载体成为甘油氧化过程中急需解决的问题之一.本文通过热解碳纳米管(MWCNTs)和三聚氰胺的混合物,在碳纳米管表面直接生长得到氮杂石墨烯(NG-MWCNTs),并采用SEM,N_2吸附,TEM和XRD对所得复合材料进行了表征.实验发现,相比于单纯的MWCNTs和直接热解三聚氰胺所得的产物CN_x,NG-MWCNTs具有更高的比表面积(173 m~2/g)和更大的平均孔径.此外,NG-MWCNTs非常适合作为Pt催化剂的载体,Pt平均粒径可小至1.4±0.4 nm.所制备的Pt/NG-MWCNTs催化剂在甘油选择性氧化反应中具有很高的催化活性和甘油酸选择性(甘油转化率和甘油酸选择性分别可达64.4%和81.0%),且具有可重复使用性能.Pt/NG-MWCNTs催化剂优异的催化活性不仅与载体表面高分散的Pt有关,而且与N原子对Pt的给电子作用有关.     

甲醇重整反应中Pt/γ-Al_2O_3催化剂纳米Pt粒径与催化性能关系研究

利用硝基甲烷还原法在室温条件下得到了纳米Pt粒径可控的担载Pt/γ-Al2O3催化剂,并利用甲醇重整反应为反应探针考察了Pt粒径与催化反应性能之间的关系,发现催化反应的性能与担载贵金属颗粒粒径之间存在明显的相关性.通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)等测试手段对催化剂进行表征,发现钠米Pt的粒径大小不但影响甲醇重整反应的活性,同时也影响反应的选择性,即催化剂的催化性能与担载贵金属粒径之间存在明显的尺度效应.     

甲醇重整反应中Pt/Y-Al2O3催化剂纳米Pt粒径与催化性能关系研究

利用硝基甲烷还原法在室温条件下得到了纳米Pt粒径可控的担载Pt/γ-Al2O3催化剂,并利用甲醇重整反应为反应探针考察了Pt粒径与催化反应性能之间的关系,发现催化反应的性能与担载贵金属颗粒粒径之间存在明显的相关性.通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)等测试手段对催化剂进行表征,发现钠米Pt的粒径大小不但影响甲醇重整反应的活性,同时也影响反应的选择性,即催化剂的催化性能与担载贵金属粒径之间存在明显的尺度效应.     

石墨烯衍生物负载的纳米催化剂用于氧还原反应（英文）

综述了用于燃料电池中氧还原反应(ORR)的石墨烯衍生物负载的各种纳米催化剂的最新进展.介绍了用于表征石墨烯基电催化剂的常规电化学技术以及石墨烯基电催化剂最新的研究进展.负载于还原氧化石墨烯(RGO)上的Pt催化剂的电化学活性和稳定性均得到显著提高.其它贵金属催化剂,如Pd,Au和Ag也表现出较高的催化活性.当以RGO或少层石墨烯为载体时,Pd催化剂的稳定性提高.讨论了氧化石墨烯负载Au或Ag催化剂的合成方法.另外,以N4螯合络合物形式存在的非贵过渡金属可降低氧的电化学性能.Fe和Co是可替代的廉价ORR催化剂.在大多数情况下,这些催化剂稳定性和耐受性的问题均可得到解决,但其整体性能还很难超越Pt/C催化剂.     

第二组分对Au/CeO2催化剂甲醇部分氧化性能的影响

本文研究了Pd、Pt、Ru和Ag对Au/CeO2催化剂以及Pd含量对Au-Pd/CeO2催化剂甲醇部分氧化性能的影响,并运用XRD、TPD和TPR等手段对Au/CeO2和Au-Pd/CeO2催化剂进行了表征.结果表明,Pd和Pt的加入能提高Au/CeO2催化剂的活性,而Ru和Ag的加入效果正好相反.不同的Au/Pd比对Au-Pd/CeO2催化剂的活性和H2选择性的影响不同,其中Au/Pd=60:40的效果最好,因为Au60Pd40/CeO2催化剂形成的富Au型AuxPdy较多,甲醇的吸附温度较低和对反应产物H2的吸附较少.     

超高稳定性的等级孔碳负载高分散铜基选择性加氢催化剂（英文）

负载型Pd, Pt, Au等贵金属催化剂由于具有较高活性而被广泛应用于选择性加氢催化领域,但资源稀缺、价格昂贵等问题严重制约了其在催化领域的长远发展.目前大量研究结果表明,非贵金属催化剂也具有较高的选择性催化加氢能力,在已被报道的非贵金属加氢催化剂中,铜基催化剂由于在选择性加氢反应中表现出较高加氢选择性和活性引起了人们的广泛关注.然而,早期研究的负载型铜基催化剂普遍存在催化稳定性较低的问题,所以提高铜基催化剂的使用寿命成为了问题关键.本文以铜基有机金属框架HKUST-1作为合成目标催化剂的前驱体,首先探究了水热合成条件对HKUST-1合成结构完整性及结晶度的影响,再通过精确调控HKUST-1的原位碳化过程,利用金属有机框架高温分解自还原行为,成功制备出了等级孔碳负载的高分散铜基催化剂,并将所制备的催化剂应用于1,3-丁二烯选择性加氢反应中.扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线衍射、氮气吸脱附、傅里叶红外吸收光谱、X射线光电子能谱等技术用来表征了碳化前后催化剂载体结构的变化,铜粒子尺寸、价态及其在载体中分布的变化.文中也深入探究了以上因素对催化剂选择性催化加氢性能的影响.研究表明...     

甲醇重整反应中Pt/γ-Al2O3催化剂纳米Pt粒径与催化性能关系研究

利用硝基甲烷还原法在室温条件下得到了纳米Pt粒径可控的担载Pt/γ-Al₂O₃催化剂, 并利用甲醇重整反应为反应探针考察了Pt粒径与催化反应性能之间的关系, 发现催化反应的性能与担载贵金属颗粒粒径之间存在明显的相关性. 通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)等测试手段对催化剂进行表征, 发现钠米Pt的粒径大小不但影响甲醇重整反应的活性, 同时也影响反应的选择性, 即催化剂的催化性能与担载贵金属粒径之间存在明显的尺度效应.     

不同载体稳定的纳米金催化剂室温催化氧化甲醛研究

甲醛是一种常见的室内空气污染物,人们针对其消除已经做了大量的研究工作.催化氧化法是脱除挥发性有机物的一种重要方法,能在较低温度下通过催化剂作用将甲醛完全氧化为无毒的CO2和H2O.所用催化剂主要为负载型贵金属催
　　化剂和非贵金属催化剂,但只有担载贵金属Pt或Pd的催化剂可在室温下将甲醛完全氧化,而非贵金属一般则需要较高的温度. Au催化剂是近年来催化领域的一个研究热点,但是关于纳米Au催化剂室温消除甲醛的研究较少.本课题组前期研究发现,以可还原性氧化物(CeO2, FeOx)为载体负载的Au催化剂具有优异的室温氧化甲醛活性;并且突破以可还原性载体负载金的传统思路,首次发现“惰性载体”γ-Al2O3,负载的金催化剂在室温、有水条件下具有优异的甲醛氧化活性.本文对比了还原性氧化物(CeO2, FeOx)和非还原性氧化物(Al2O3, SiO2和HSZM-5)载体负载金催化剂,研究了载体氧化还原性质对负载金催化剂在高空速(600000 ml/(g·s))条件下室温催化氧化甲醛的活性和稳定性影响.结果表明,在室温、高空速且相对湿度为50%的条件下, Au/Al2O3催化剂的初活性最高,且较为稳定. Au/SiO2和Au/HZSM-5催化剂的初活性虽然较高,但很快失活.而还原性氧化物载体(CeO2, FeOx)负载的金催化剂初活性较低,但是稳定性较好.通过电镜对负载金催化剂表面Au粒子大小的表征,并将粒子尺寸与负载金催化剂室温氧化甲醛初活性相关联,它与催化氧化甲醛反应速率成线性关系. Au粒子尺寸较小的催化剂(Au/Al2O3和Au/SiO2),在高空速条件下具有更高的氧化甲醛活性,而Au粒子尺寸较大的Au/FeOx催化剂活性较差.载体的氧化还原性质虽然不直接影响Au催化剂初活性,但直接影响催化剂稳定性.由于Au与SiO2或HZSM-5载体的相互作用较弱,导致反应过程中Au粒子聚集长大,使其失活较快;而Au/Al2O3催化剂表面则富含羟基物种,能够与Au形成配体或产生锚定作用,因此反应过程中金粒子没有明显长大.而表面中间物种的沉积并覆盖活性位是负载金催化剂缓慢失活的主要原因.     

石墨烯衍生物负载的纳米催化剂用于氧还原反应

综述了用于燃料电池中氧还原反应(ORR)的石墨烯衍生物负载的各种纳米催化剂的最新进展。介绍了用于表征石墨烯基电催化剂的常规电化学技术以及石墨烯基电催化剂最新的研究进展。负载于还原氧化石墨烯(RGO)上的Pt催化剂的电化学活性和稳定性均得到显著提高。其它贵金属催化剂,如Pd, Au和Ag也表现出较高的催化活性。当以RGO或少层石墨烯为载体时, Pd催化剂的稳定性提高。讨论了氧化石墨烯负载Au或Ag催化剂的合成方法。另外,以N4螯合络合物形式存在的非贵过渡金属可降低氧的电化学性能。 Fe和Co是可替代的廉价ORR催化剂。在大多数情况下,这些催化剂稳定性和耐受性的问题均可得到解决,但其整体性能还很难超越Pt/C催化剂。     

双介孔硅基材料负载Pd催化剂上甲苯氧化性能的研究

催化氧化技术是挥发性有机物(VOCs)减排与控制的主流技术之一,其关键之处在于高效催化材料的研究与开发,负载型贵金属催化材料由于其低温下优越的VOCs催化氧化性能,受到国内外研究者的广泛关注.对于负载型催化剂而言,载体的性质直接影响活性相的分散,反应物和生成物的扩散与吸脱附,是影响负载型催化剂性能的主要因素.近年来,多级孔结构硅基材料由于具有多级的孔道结构、高比表面积和大的孔体积,逐渐成为VOCs催化氧化材料的研究热点.本文采用溶胶凝胶法和浸渍法制备了系列双介孔结构硅基材料负载Pd催化剂(Pd/BMS-x),通过控制合成过程中氨水的用量以调节催化剂的介孔结构分布. X射线衍射(XRD)结果表明,所合成的Pd/BMS-x催化剂在~2.0°的衍射峰,类似于MCM-41的(100)晶面衍射峰,表明所有的样品均具有有序的介孔结构. N2吸脱附实验表明所有样品的比表面积均高于1000m2/g,孔径分布表明Pd/BMS-30样品为单一介孔结构,而Pd/BMS-5~Pd/BMS-20样品具有2.64 nm以及18–45 nm范围内的双介孔结构,且Pd/BMS-15样品介孔分布较为集中. Pd/BMS-x催化剂上甲苯催化氧化性能测试表明,双介孔结构的Pd/BMS-5~Pd/BMS-20催化剂上甲苯催化氧化活性远高于单一介孔结构的Pd/BMS-30催化剂,表明载体结构对催化剂性能有重要影响.其中, Pd/BMS-15催化剂性能最佳(T90为228°C)且具有较强的稳定性,250°C条件下,反应持续60h催化剂未见明显失活. SEM和TEM结果表明, Pd/BMS-15催化剂中Pd高度分散于载体上,平均粒径在~3 nm左右.而Pd/BMS-30催化剂中Pd颗粒间有明显的团聚,平均粒径在8~17 nm之间.分散度测试表明,单一介孔结构的Pd/BMS-30催化剂, Pd分散度仅为27%,而双介孔结构Pd/BMS-5–Pd/BMS-20催化剂介于39%到69%,其中Pd/BMS-15催化剂中Pd分散度高达69%.与常规单一介孔MCM-41和MCM-48负载Pd催化剂相比,在低空速(42000 h–1)条件下, Pd/BMS-15催化剂上甲苯催化氧化性能与Pd/MCM-41和Pd/MCM-48催化剂相当.高空速(70000h–1)条件下, Pd/BMS-15催化剂的活性远高于单一介孔的Pd/MCM-41和Pd/MCM-48催化剂. Pd/BMS-15催化剂独特的双介孔结构,有利于活性相Pd的分散、反应物的扩散和传输,特别是在高空速条件下,有利于反应物与活性相的接触,提高了材料的氧化反应性能.进一步考察了材料的水热稳定性,将11 vol%的水蒸气引入到反应体系中,测试结果表明水蒸气的加入导致Pd/MCM-41和Pd/MCM-48催化剂的甲苯催化氧化性能显著下降,反应500 min后甲苯转化率分别从100%下降到76%和81%,而对于Pd/BMS-15催化剂,水蒸气的引入并未导致其活性明显下降,从而表明Pd/BMS-15催化材料具有较高的水热稳定性.     

Pd/SAPO-34催化剂上CO低温氧化反应

 采用水热法合成了小晶粒的 SAPO-34, MnSAPO-34 和 CuSAPO-34 分子筛, 并以它们为载体采用浸渍法制备了一系列不同 Pd 含量的催化剂用于催化 CO 氧化反应. 结果表明: 分子筛载体、催化剂制备条件、反应条件、Pd 含量及预还原等对催化剂的活性影响较大. 催化剂活性随焙烧温度的增加而降低, 而随着反应温度的升高而提高, 担载在 SAPO-34 上 Pd 含量为 1.35% 时性能最佳. X射线衍射和透射电镜结果表明 Pd 物种高度分散于催化剂上, 粒子粒径在 2~8 nm; X射线光电子能谱及氢气程序升温还原结果表明, 高度分散的 Pd2+ 物种是 CO 氧化反应活性位. 随着反应进行被还原为 Pd0 物种, 因而导致催化剂活性下降. H2 预还原处理催化剂致使活性下降的实验结果也支持了这一结论.