第23届国际化学奥林匹克竞赛预备题及答案(Ⅰ)

普通化学1.金属Me在其氧化物中的氧化态为+Ⅱ→+V,MeO、Me2O3为碱性,Me2O4、Me2O5呈两性,Me2O5剧毒,溶于碱成MeO43-,后者因溶液pH值减小成聚阴离子。Me2O5溶于热HNO3、热H2SO4成MeO2+离子,与HCl反应成MeOCl2和Cl2。这种缺氧（Me与O非整比）氧化物组成为Me2O5-x（x<0.2）。取2.648g这种样品溶于H2SO4后用0.100mol.     

溶剂化金属原子浸渍法制备高分散负载型催化剂——Ⅸ.K-Fe/硅沸石催化剂的XRD、TEM、XPS和磁测定表征

用溶剂化金属原子浸渍(SMAI)法和普通浸渍(CI)法两种不同的方法制备了组成相同的K-Fe/硅沸石催化剂。TEM,XRD,XPS和磁测定结果表明,SMAI K-Fe/硅沸有催化剂中铁的分散度和还原度都大于CI催化剂,SMAI催化剂中金属颗粒直径小于4nm,具有超顺磁性,而CI催化剂中金属颗粒较大,表现铁磁性。两种方法制备的催化剂反应前后金属的状态发生明显的改变,对CO+H_2反应的催化性质不同。     

由XPS研究CO2在低压甲醇合成中的作用

本文应用XPS,在模拟工业催化剂和实际操作条件下,对低压甲醇合成铜基催化剂的表面形态进行了研究.结果表明,在还原及反应状态下,催化剂表面没有稳定的Cu~(2+)、Cu~+离子存在,仅Cu~0能被检测到;ZnO被还原,形成缺氧结构ZnOx(X≤1),表面出现氧空位.认为高度分散的Cu~0与其紧密接触的部分还原的ZnOx联合组成了甲醇合成的表面活性中心,也即表面上的Cu-Zn-O(“口”为氧空位)构成了最佳合成活性单元.提出反应原料气中适量CO_2的加入有助于金属Cu微晶的分散,认为CO_2的作用主要是使反应气氛中含有一定的氧化势,它与原料气中的CO+H_2一起,对金属Cu微晶起氧化还原作用.CO_2可将Cu~0氧化成Cu~(?+)(甚至Cu~+).但Cu~(?+)会马上被CO+H_2还原成Cu~0.通过这样的氧化还原循环,阻止了Cu微晶的聚集长大,延长了催化剂的使用寿命.     

反应条件对固相合成负载羰基铑原子簇催化剂及其性能的影响

本文报告了由金属盐直接固相合成负载铑络合物或原子簇催化剂的新方法及IR谱表征。CO容易使表面吸附有水分子的RhCl_3/SiO_2还原并生成表面羰基物Rh~+-(CO)_2/SiO_2;CO、CO/H_2和CO/2H_2等不同还原气对表面络合物的生成没有影响。采用H_2还原只能得到金属Rh催化剂。水是重要影响因素,如果RhCl_3/SiO_2先抽空脱水,再用含水的CO还原,就会使Rh~+(CO)_2/SiO_2转化为Rh_6(CO)_(16)/SiO_2。此外,还考察了负载原子簇的CO加氢和热分解反应性能。采用CO还原RhCl_3/SiO_2制备的催化剂同负载原子簇催化剂的反应行为非常相近,而且比传统催化剂具有更高的反应活性。     

氧化钛基深度氧化催化剂的耐硫中毒研究

考察了特定组成的Ti-Cu,Ti-Mn氧化物催化剂在甲苯深度氧化反应中二氧化硫存在下的硫中毒效应,用红外光谱和X射线电子能谱研究了催化剂表面硫中毒的原因。考察了Ti-Cu氧化物催化剂在被二氧化硫中毒前后,甲苯深度氧化催化反应动力学。在氧恒压且大大过量的条件下,催化剂中毒前后的反应速度均可用r=KPC_7H_8/(1+PC_7H_8)~2描述,催化剂中毒后仅表观活化能增大。     

不同金属改性Ni/KIT-6催化剂的制备及其甲烷化性能研究

采用共浸渍法分别制备了用Mg、Ce、V、La金属改性的Ni/KIT-6催化剂,用于CO₂甲烷化反应的研究。利用N₂吸附-脱附、X射线衍射、H₂程序升温还原、H₂程序升温脱附、透射电镜手段对催化剂进行了表征,考查了不同金属助剂对Ni/KIT-6的影响。结果表明,在KIT-6载体上活性金属和助剂的分散度都非常高,Ni粒子的分散度主要取决于KIT-6载体高度有序的介孔结构的限域作用,不受助剂金属添加的影响。各助剂金属的加入几乎不影响Ni/KIT-6催化剂的表面形貌,但对Ni金属还原的难易程度和还原度有影响。在研究的几种金属中,V金属使催化剂中Ni金属的还原最容易,还原度更高,且V金属的氧化物具有改变CO₂反应机理的作用,使得甲烷化反应进行的最好。用V改性后的催化剂与未改性的催化剂相比,CO₂的转化率提高了3.7%,CH₄的选择性提高了11.6%,CH₄的选择性达到了100%。     

包含ptC的Au(I)配合物催化烯丙基醋酸盐重排反应的理论研究（英文）

理论上,采用密度泛函理论研究两类包含平面四配位碳的Au(I)配合物([Au(C_3H_2BR)]~+,R=Me,t-Bu)催化烯丙基醋酸盐的重排反应。计算结果表明,配合物[Au(C_3H_2BR)]~+催化烯丙基醋酸盐重排反应相比较文献中报道的催化剂[Au(NHC)]~+而言,能垒降低了9.2-11.7 k J?mol~(-1)。因此,除了配体CO和NHC之外,配合物[Au(C_3H_2BR)]~+中的新型配体将会在配位化学以及有机化学中具有应用潜力。     

混合硝酸镍和醋酸镍制备的催化剂的特征和催化加氢抗硫性能

使用直接还原镍盐前体[Ni(NO_3)_2/γ-Al_2O_3, NiAc_2/γ-Al_2O_3或Ni (NO_3)_2-NiAc_2/γ-Al_2O_3]和镍氧化物前体的方法制备催化剂,研究了它们的 表面特征和甲苯加氢抗硫性能。还原镍盐得到的催化剂比还原其焙烧成的氧化物制 得的催化剂金属的还原和分散程度高。Ni(NO_3)_2-NiAc_2/γ-Al_2O_3分解得到的 氧化物前体的TPR在约415 ℃出现了较小数量的块状NiO的还原峰;而Ni(NO_3)_2- NiAc_2/γ-Al_2O_3的TPR中镍盐分解成氧化物时的耗氢量变小。用氢溢流的概念和 镍盐分解时的耗氢量可以将TPR的结果和金属的分散性关联起来。在镍盐前体催化 剂上甲苯的加氢具有较高的活性,而两种盐摩尔比为1：1时,盐前体催化剂反应活 性出现了一极大值,同时盐和氧化物前体催化剂都给出了抗硫性能的极大值。     

合成二碳含氧化合物的Rh/VOCl2/SiO2催化剂中V的状态

本文用UV/ViS,ESR,TPR等方法研究了 Rh/VOCl_2/SiO_2催化剂在浸渍、干燥、还原和合成气反应过程中V的状态的变化。溶液中的VOCl·5H_2O和HRhCl_5·H_2O或RhCl_3·3H_2O等在浸渍后的干燥过程中可以以络合的形式一起沉积在载体的表面,还原后的钒化合物紧紧地附到Rh的表面,对生成C-含氧化物的选择性(或活性)起着重要的促进作用。VOCl/SiO_2在H_2中热处理时VOCl_2易发生歧化反应生成VOCl和 VOCl_3,而不易被还原,Rh的存在可显著地促进VOCl还原为VOCl Rh/VOCl/SiO催化剂经 H_2 还原后钒的主要价态为三价,在合成气反应中没有发现钒的价态有升高的现象。     

氧化物担载铑原子簇催化剂的金属载体相互作用的考察——Ⅰ.Rh/V_2O_5和RH/TiO_2催化剂的金属载体强相互作用的比较

本文用XPS和XRD考察了由Rh_4(CO)_(12)出发制得的Rh/V_2O_5和Rh/TiO_2两种催化剂的金属载体强相互作用的差别。实验结果表明,1)高温H_2还原的Rh/TiO_2催化剂,经氧处理后即能恢复吸H_2能力。Rh/V_2O_5催化剂在较低温度(473K)H_2还原时Rh就进入SMSI状态,吸H_2能力被完全抑制,373K氧处理并不能使之恢复,吸H_2性质表现出不可逆性。2)与Rh/TiO_2催化剂的TiO_2相比,Rt/V_2O_5催化剂的V_2O_5更易还原,Rh对V_2O_5的还原有明显的促进作用。3)担载在TiO_2上的Rh比在V_2O_5上更易还原。4)还原后,催化剂表层的Rh/V、RH/Ti均有较大幅度的降低。用氧空位模型能较好地说明Rh/TiO_2催化剂的实验结果,而Rh/V_2O_5催化剂的实验结果适于用钒氧化物覆盖模型解释。     

二氧化碳在负载型钯催化剂上的氢化反应

用H_2-O_2滴定、X射线衍射、透射电镜、带能谱的扫描透射电镜、氢还原下的热分析及正电子湮没寿命测定等技术表征了负载型钯催化剂,并在常压下,测定了5.1%Pd/LaO,4.2%Pd/SiO_2和6.3%La-4.9Pd/SiO_2对CO_(2+)H_2和CO+H_2生成甲醇和甲烷的动力学行为和催化活性,揭示了催化活性上存在显著差异的主要原因是金属与载体间存在相互作用或助催剂镧的作用,并用瞬变应答方法探讨了由CO_2+H_2或CO+H_2合成甲醇可能的反应中间体。     

X-射线吸收谱原位表征Cu-Zn/SiO2催化剂Cu价态

铜基催化剂的价态组成与制备方法、还原温度有关,也是决定其催化性能的关键因素.本文对比研究Cu-Zn/SiO₂和Cu/SiO₂催化剂前驱体在不同还原温度下的价态组成及其醋酸甲酯加氢性能.采用同步辐射X射线吸收谱原位表征催化剂前驱体的Cu K边的X射线近边吸收谱（XANES）,通过线性组合分析方法（LCF）拟合XANES吸收谱得到了催化剂前驱体在不同还原温度下氧化态（Cu²⁺、Cu⁺）和金属态（Cu⁰）的组分含量.结果表明：（1）采用蒸氨法添加Zn制备的Cu-Zn/SiO₂催化剂前驱体铜组分还原度高;（2）催化剂前驱体在还原过程中Cu⁺主要存在于低温还原阶段（<250℃）,且Cu⁰+Cu⁺含量较低（≤ 40%）;（3）金属态铜是醋酸酯加氢反应的活性中心.     

第二金属对Co/SiO_2加氢催化剂结构和性能的影响(英文)

通过考察Co/SiO2催化剂中活性组分的结构变化及其催化乳酸酯液相氢化反应结果,来研究第二金属添加物对催化剂结构及其催化性能的影响.结果表明,随着金属添加物的加入双金属催化剂中金属Co的表面电子性质以及分散度不断变化,而Co物种颗粒粒径不断减小,因此Co物种和载体SiO2间相互作用不断增强,从而降低Co还原度.乳酸酯氢化反应结果表明,催化剂中活性组分的颗粒大小及其比表面积以及Co物种的还原度和分散度均影响其氢化反应的活性.     

第二金属对Co/SiO2加氢催化剂结构和性能的影响（英文）

通过考察Co/SiO2催化剂中活性组分的结构变化及其催化乳酸酯液相氢化反应结果,来研究第二金属添加物对催化剂结构及其催化性能的影响.结果表明,随着金属添加物的加入双金属催化剂中金属Co的表面电子性质以及分散度不断变化,而Co物种颗粒粒径不断减小,因此Co物种和载体SiO2间相互作用不断增强,从而降低Co还原度.乳酸酯氢化反应结果表明,催化剂中活性组分的颗粒大小及其比表面积以及Co物种的还原度和分散度均影响其氢化反应的活性.     

Mn_xCo_(2.5-x)Al_(0.5)O_4尖晶石型三元复合氧化物催化分解N_2O(英文)

用溶胶凝胶法制备了一组Mn_xCo_(2.5-x)Al_(0.5)O_4尖晶石型三元复合氧化物,用于有氧气氛下的N_2O催化分解反应.用N_2物理吸附、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、H_2程序升温还原(H_2-TPR)、O_2程序升温脱附(O_2-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂进行了结构表征,考察了催化剂组成、母液pH、K负载量等制备参数对其催化活性的影响.结果表明:K的加入弱化了催化剂表面的金属-氧化学键,有利于表面氧物种的脱除,改性催化剂有较高的催化活性和抗水性,其中母液pH=2、K/(Mn+Co)比为0.02的K/Mn_(0.2)Co_(2.3)Al_(0. 5)O_4催化剂活性较高,该催化剂在有氧、有氧有水气氛400℃连续反应50 h,N_2O转化率分别达98.5%和76.5%.     

Ti(OC4H9)4-Al(C2H5)3催化剂的老化及其在乙炔聚合中的行为

Ti(OC_4H_9_4)-Al(C_2H_5)_3是乙炔聚合最常用的催化剂体系。催化剂中的两个组分一般在聚合前于反应器中就地混合后使用。它们在反应过程中不断地相互作用,包括络合物的形成、中心金属的烷基化、钛的还原等等,同时生成活性物种。因此,如果使催化剂先老化,然后再进行聚合反应,估计将会对它的反应行为有所影响。本文报道我们实验的主要结果。     

氧化还原预处理对一氧化碳低温氧化Pd/CeO2-TiO2催化剂性能的影响

研究了氧化还原预处理对溶胶-凝胶法制备的CeO2-TiO2复合氧化物负载Pd催化剂上CO低温氧化性能的影响，并对催化剂的稳定性进行了考察。H2-TPR结果表明，83 ℃的耗氢峰是PdO和载体中CeO2共同还原的结果，高温还原后Pd与载体之间相互作用加强。经高温氧化(500 ℃)低温还原(150 ℃)预处理的催化剂CO低温氧化活性最好，在反应气组成为0.5% CO＋1.6% O2＋6.0%N2＋Ar，空速为30 000 mL·g－1·h－1，程序升温反应显示CO完全转化温度为48 ℃，这种预处理方式能够形成适宜的载体与金属间相互作用。稳定性实验在室温下进行，反应气组成为0.6% CO＋14.7% O2+55.3％N2＋Ar，Pd/CeO2-TiO2催化剂具有较好的低温反应稳定性，100%CO转化率可持续12 h。     

茂金属催化剂催化1-癸烯齐聚研究（英文）

考察了1-癸烯和不同结构的茂金属催化剂((η~5-C_5H_5)_2ZrC l_2,A;[μ,μ-(Me_2Si)_2(η~5-C_5H_3)_2][(η~5-C_5H_5)ZrC l_52)]2,B;[(C_6H_5)C(Me)_2(η~5-C_5H_4)]_2ZrC l_2,C;t BuN C(Me)_2(η-C_5H_4)ZrC l_2,D;(η-C_5H_4)C(C_5H_(10))(η~5-C_513H_8)ZrC l_2,E;(η~5-C_5H_4)C(Me)_2(η-C_(13)H_8)ZrC l_2,F;(η_5-C_5H_4)C(C_6H_5)_2(η~5-C_(13)H_8)ZrC l_2,G)/MAO的齐聚反应,并探讨了茂金属F的用量,聚合温度和Al/Zr比对聚合反应和齐聚物性能的影响.实验结果表明,由于其不同的位阻效应和电子效应,不同结构的茂金属对1-癸烯的催化活性和齐聚物组分分布影响显著.其中,Cp_2ZrCl_2,双核硅桥联的茂金属B和大位阻的茂金属C主要合成低粘度的齐聚物(100℃Kv:2~3 cS t,二聚体含量约为60%);限制构型的茂金属D因为有更加开放的配位结构呈现出高的催化活性,齐聚物的粘度也略高(100℃Kv:3~4 cS t);Cs-对称型茂金属E,F,G都有较高的催化活性,合成的齐聚物粘度也较高(100℃Kv20cS t),主要归因于茂金属的特殊结构和聚合机理.GC-MS结果表明茂金属催化1-癸烯合成的齐聚物异构化较少,主要由二聚体到五聚体的混合物组成.茂金属F催化1-癸烯较优的齐聚条件是催化剂用量10μmol,聚合温度80℃,Al/Zr比300∶1.     

磷前驱体对金属磷化物甲烷化催化性能的影响（英文）

采用氢气程序升温还原方法制备了系列金属磷化物催化剂,研究了磷前驱体和H_2/CO比对其甲烷化催化性能的影响。结果表明,与磷酸氢二铵相比,由植酸制备的金属磷化物催化剂具有较高的甲烷化活性;植酸作为螯合剂可以有效地分散金属前驱体,降低还原温度,使催化剂具有较高的比表面积和较小的晶粒尺寸,并更好地还原为纯磷化物晶相。不同金属磷化物催化剂的活性顺序为MoP WP CoP NiP。高H_2/CO比有利于甲烷化反应进行,随着反应物H_2/CO比的增加,所有磷化物催化剂的甲烷选择性都增加。     

活化条件对负载Ru催化剂的Ru粒子化学环境的影响

本文应用动态脉冲吸附技术测定了H_2和CO的吸附量,结合透射电镜(TEM)和程序升温还原(TPR)等表征技术考察了活化条件对金属Ru粒子化学环境的影响.发现活化条件对Ru催化剂H_2和CO吸附量的影响很显著,H_2和CO低温吸附量随焙烧温度的升高而锐减;改由在惰性气体中焙烧或载体经HCI或HF预处理,大大增加了低温吸附量.TEM测定结果表明:金属Ru平均粒径(?)值随焙烧温度(在623K以下的范围内)的升高而减小,说明在此活化条件下处理的催化剂,其低温H_2和CO化学吸附量不能反映金属的分散度.TPR结果说明在空气中焙烧催化剂,Ru非氧化物前身转变成为RuO_2,并且导致金属与载体之间产生较强的相互作用,改变金属Ru粒子的化学环境,吸附活化能垒增高,在低温下H_2和CO的吸附量很小.