负载金属对WO3-TiO2光催化剂结构与催化性能的影响

用溶胶-凝胶和浸渍-还原相结合的方法制得M/WO₃-TiO₂ (M＝Pd, Cu, Ni, Ag)光催化剂. 利用X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)、红外(IR)、程序升温脱附(TPD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)和光反应器等技术研究了复合半导体负载金属的物相结构、光吸收性能和光催化反应性能. 结果表明: 金属负载在复合半导体上延迟了TiO₂由锐钛矿向金红石相转化, 增强W与载体TiO₂的相互作用, 使TiO₂光吸收限发生蓝移, 对可见光部分的吸收明显增加; 固体材料吸光性能强弱顺序Pd/WO₃-TiO₂＞Cu/WO₃-TiO₂＞Ag/WO₃-TiO₂＞Ni/WO₃-TiO₂; 金属Pd对CO₂吸附能力过强, 卧式吸附态脱附温度高, 光催化效率不高; 金属Cu对CO₂吸附能力适中, CO₂与C₃H₆脱附温度较接近, 实现了“光-表面-热”协同作用, 光量子效率最高, 达到19.7%.     

负载金属对WO3-TiO2光催化剂结构与催化性能的影响

用溶胶-凝胶和浸渍-还原相结合的方法制得M/WO₃-TiO₂ (M＝Pd, Cu, Ni, Ag)光催化剂. 利用X射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)、红外(IR)、程序升温脱附(TPD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)和光反应器等技术研究了复合半导体负载金属的物相结构、光吸收性能和光催化反应性能. 结果表明: 金属负载在复合半导体上延迟了TiO₂由锐钛矿向金红石相转化, 增强W与载体TiO₂的相互作用, 使TiO₂光吸收限发生蓝移, 对可见光部分的吸收明显增加; 固体材料吸光性能强弱顺序Pd/WO₃-TiO₂＞Cu/WO₃-TiO₂＞Ag/WO₃-TiO₂＞Ni/WO₃-TiO₂; 金属Pd对CO₂吸附能力过强, 卧式吸附态脱附温度高, 光催化效率不高; 金属Cu对CO₂吸附能力适中, CO₂与C₃H₆脱附温度较接近, 实现了“光-表面-热”协同作用, 光量子效率最高, 达到19.7%.     

Cu/NiO-V2O5/SiO2催化剂光催化CO2和甲醇合成碳酸二甲酯的研究

采用表面改性法和等体积浸渍法制备了NiO-V₂O₅/SiO₂和Cu/NiO-V₂O₅/SiO₂光催化剂. 用TPR, XRD, UV-Vis DRS, IR和TPD-MS技术对催化剂的结构、吸光性能和化学吸附性能进行了表征, 研究了催化剂上CO₂和甲醇光促表面催化反应的反应性能. 结果表明, 半导体NiO和V₂O₅复合后部分形成了Ni^2＋—O—V^5＋键联, 而且NiO和V₂O₅在催化剂表面有相互修饰作用, NiO的加入有助于提高V₂O₅在载体SiO₂表面的分散程度, 抑制V₂O₅的聚集, 而且金属Cu和NiO的引入扩展了催化剂的光响应范围. 在催化剂表面存在多种活性吸附位, 催化剂对CO₂和甲醇的有效吸附使得其在较低温度下就能促进碳酸二甲酯的紫外光化学合成. 用Cu/NiO-V₂O₅/SiO₂催化剂, 在常压、空速300 h^－1、140 ℃和125 W紫外灯辐照的情况下, CH₃OH的转化率为14.2%, 碳酸二甲酯的选择性可达89.9 %.     

Cu/NiO-V2O5/SiO2催化剂光催化CO2和甲醇合成碳酸二甲酯的研究

采用表面改性法和等体积浸渍法制备了NiO-V₂O₅/SiO₂和Cu/NiO-V₂O₅/SiO₂光催化剂. 用TPR, XRD, UV-Vis DRS, IR和TPD-MS技术对催化剂的结构、吸光性能和化学吸附性能进行了表征, 研究了催化剂上CO₂和甲醇光促表面催化反应的反应性能. 结果表明, 半导体NiO和V₂O₅复合后部分形成了Ni^2＋—O—V^5＋键联, 而且NiO和V₂O₅在催化剂表面有相互修饰作用, NiO的加入有助于提高V₂O₅在载体SiO₂表面的分散程度, 抑制V₂O₅的聚集, 而且金属Cu和NiO的引入扩展了催化剂的光响应范围. 在催化剂表面存在多种活性吸附位, 催化剂对CO₂和甲醇的有效吸附使得其在较低温度下就能促进碳酸二甲酯的紫外光化学合成. 用Cu/NiO-V₂O₅/SiO₂催化剂, 在常压、空速300 h^－1、140 ℃和125 W紫外灯辐照的情况下, CH₃OH的转化率为14.2%, 碳酸二甲酯的选择性可达89.9 %.     

V2O5-TiO2复合半导体光催化材料结构及光响应性能研究

采用溶胶凝胶法制备了V₂O₅-TiO₂复合半导体材料，通过Raman、XRD及UV-Vis DRS等实验方法研究了V₂O₅与TiO₂复合对材料表面组成、晶体结构以及光响应性能的影响。结果表明：钒加入后优先与TiO₂作用形成较为稳定的金红石型TiVO₄晶相，其中V⁴⁺是促进TiO₂发生相变的关键；随着钒加入量的增加，V₂O₅由表面高分散状态逐渐聚集形成晶相，并释放部分Ti⁴⁺使之形成锐钛矿型TiO₂晶相，使得体相中金红石型TiO₂的含量有所下降；复合后形成的TiVO₄晶相显著提高了材料对可见光的吸收率，并使其吸光域红移至460 nm左右。     

Cu、N共掺杂TiO2纳米管光催化重整甘油制备合成气

通过碱性水热-离子交换法制备了Cu、N共掺杂TiO₂纳米管(Cu/N-TNT),对其光催化重整甘油制备合成气性能进行了研究。结果表明,Cu/N-TNT具有富含氧空位(O_V)的管状结构,N以Ti-N形式取代部分O形成杂质能级,Cu以Cu²⁺形式掺杂在催化剂晶格间隙和表面,Cu、N共掺杂促进TiO₂表面电荷有效分离,有利于其光催化重整甘油制备合成气活性和选择性的提高。紫外光照射8 h时,掺Cu量为0.15%的Cu/N-TNT催化剂上CO和H₂产量分别为7.3和8.5 mmol·g^-1,是原始TiO₂的9.1和70.8倍,n_H2/n_CO从0.52提高为1.18,n_CO/n_CO2从0.21提高至0.42。Cu/N-TNT表面N和O_V为醛类脱羰和甲酸脱水生成CO提供反应活性位点,Cu作为浅势阱提高光生电子-空穴分离效率。光生空穴(h⁺)是光催化重整甘油制备合成气过程中的主要活性物种,大量羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O₂^-)会导致甘油过度氧化,使CO选择性降低。     

FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极的制备及其光电催化氧化水性能

采用溶胶-凝胶法制备了TiO₂ 纳米晶, 并通过浸渍技术在其表面引入了FeO(OH). 采用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱确定了引入FeO(OH)的最佳Fe³⁺浓度. 通过电化学法在FeO(OH)-TiO₂光阳极上沉积了催化水分解制备氧气的钴基催化剂(CoPi), 得到了FeO(OH)-TiO₂/CoPi 复合光阳极. 利用透射电镜(TEM), 高分辨透射电镜(HRTEM), X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM)对TiO₂纳米晶, FeO(OH)-TiO₂以及FeO(OH)-TiO₂/CoPi复合光阳极进行了表征, 采用电化学和光电化学技术研究了中性条件下FeO(OH)-TiO₂/CoPi 复合光阳极的光电催化分解水性能. 结果表明, TiO₂纳米晶为梭形的锐钛矿, 其表面修饰的FeO(OH)为针铁矿型, 且当前驱体溶液中Fe³⁺与TiO₂的质量比为0.05%时得到的FeO(OH)-TiO₂具有最佳的光吸收效果. 形成FeO(OH)-TiO₂/CoPi复合光阳极后, 在光照条件下CoPi 电催化分解水制备氧气的过电位显著降低. TiO₂表面FeO(OH)的引入增加了光阳极对可见光的吸收能力, 同时光阳极表面沉积的CoPi有效地利用了FeO(OH)-TiO₂产生的光生空穴, 将水氧化形成氧气, 从而在光照条件下显著提高了CoPi催化氧化水的效率.     

纳米复合材料Ag/MxOy-TiO2(MxOy=ZnO、Al2O3和Fe2O3)的制备及其微波辅助光催化降解甲基橙

采用溶胶-凝胶-程序升温溶剂热一步法,利用表面活性剂EO₂₀PO₇₀EO₂₀(P123)作为模板剂,分别制备了三元纳米复合材料Ag/ZnO-TiO₂、Ag/Al₂O₃-TiO₂和Ag/Fe₂O₃-TiO₂。通过XRD、氮气吸附-脱附测定、TEM以及扫描电子显微镜配合X-射线能量色散谱仪(SEM-EDS)等对合成的3种催化剂进行了对比表征分析。结果表明,复合材料Ag/M_xO_y-TiO₂中Ag以单质形式存在并较好地分布在M_xO_y-TiO₂表面上。所合成产物颗粒尺寸较小(约10 nm左右),形貌较好。其中,Ag/ZnO-TiO₂的比表面积与Ag/Al₂O₃-TiO₂十分相近,略大于Ag/Fe₂O₃-TiO₂。光催化活性研究中,以甲基橙为模型分子且辅以微波场作用。结果显示,上述三元复合材料的活性均明显高于未掺杂银的二元复合材料,其中Ag/ZnO-TiO₂的光催化活性最好,在90 min内对甲基橙的降解率高达86%。     

Pd(Cu)在MgO(100)表面吸附CO和O2的理论研究

采用固体镶嵌势能模型和DFT/B3LYP方法研究了在Pd/MgO和Cu/MgO表面吸附CO和O₂分子的电子性质. 计算结果表明, 在完美MgO(100)表面Pd原子对CO和O₂的吸附能分别为206.5和84.8 kJ/mol, 因此可知Pd原子更容易吸附CO分子; 而当Pd原子附着于有氧缺陷的MgO表面时, 它对两种分子的吸附都非常弱. 相反, 附着于MgO表面的Cu原子对O₂分子的吸附更为有利, 其吸附能在140～155 kJ/mol之间. 研究结果还表明, 对于双分子吸附体系, 即CO＋CO, CO＋O₂, O₂＋O₂体系, 双分子之间的结合力可减小完美MgO表面上Pd原子与被吸附分子的相互作用, 使吸附能减少了46～96 kJ/mol. 而对于在MgO表面上的Cu原子, 只有O₂＋O₂ 体系使吸附能减少了大约50～71 kJ/mol.     

TiO2-V2O5纳米复合膜的制备及防腐蚀性能

采用溶胶-凝胶法和浸渍提拉技术在316L不锈钢表面构筑纳米TiO₂薄膜和“夹心”式TiO₂-V₂O₅复合薄膜（TiO₂/TiO₂-V₂O₅/TiO₂）, 应用AFM和XRD表征膜的形貌及纳米颗粒的晶型. 结合光、电化学方法测试了复合膜在0.5 mol•L^-1 NaCl溶液(pH=4.6)中暗态或紫外照射条件下的防腐蚀性能. 结果表明, TiO₂/TiO₂-V₂O₅/TiO₂复合膜具有双重保护功能, 即在紫外光照下可以起到光生阴极保护的作用, 特别是当停止光照后, 光生电位仍可维持在较低的电位长达6 h以上. 同时作为表面阻挡层, 可显著提高金属的耐腐蚀性.     

负载金属对MoO3-TiO2光催化剂结构与催化性能的影响

用溶胶-凝胶和浸渍-还原相结合的方法制得M/MoO3-TiO2 (M=Pd, Cu, Ni和Ag)光催化剂。利用X-射线衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)、红外光谱(IR)、程序升温脱附(TPD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDRS)和光反应等技术,研究了负载金属复合半导体的物相结构、吸附性能、吸光性能和光催化反应性能。结果表明,金属M(M=Pd, Cu)负载在复合半导体上,延迟了TiO2由锐钛矿向金红石相的转化,增强了Mo与载体TiO2的相互作用,促进Mo物种由四面体配位向八面体配位转化,使TiO2光吸收限发生蓝移,对可见光部分的吸收明显增加,拓宽了催化剂的光响应范围;固体材料吸光性能强弱顺序Pd/MoO3-TiO2 >Cu/MoO3-TiO2>Ag/MoO3-TiO2>Ni/MoO3-TiO2;Pd对CO2吸附能力过强,卧式吸附态脱附温度高,光催化效率不高;金属Cu对CO2吸附能力适中,CO2与C3H6脱附温度较接近,实现了光-表面-热的协同作用,光量子效率最高。     

掺Cu对MoO3-TiO2/SiO2上光促甲烷和水表面反应的影响

 在固定床环隙反应器中,借助紫外光的激发,气相甲烷和水在MoO3-TiO2/SiO2催化剂表面生成了甲醇和氢气,当在催化剂中掺杂Cu2+后,光催化剂的活性明显提高. XRD,IR,UVDRS和TPD的研究结果表明,在催化剂表面形成了具有Mo-O-Ti和Mo-O-Cu基元的高度分散物种,不但使得吸光带边明显蓝移,而且扩展了催化剂的光响应范围. 所形成的复合结构还可以优化单组分的吸光性能并促进对反应物分子的吸附活化,同时可以有效地转移光生电子和空穴. 掺杂Cu2+能够进一步延长光生电子-空穴对的寿命,进而提高反应的量子产率.     

过渡金属（Cu，Fe，Mn，Co）改性高分散V2O5/TiO2作为高效NH3-SCR脱硝催化剂

选择性催化还原(SCR)是目前固定源及移动源中控制NOx排放最为有效的技术手段之一.工业上应用最广泛的商业SCR催化剂是钒基催化剂.钒基催化剂经钨(钼)改性后具有较好的活性、稳定性和抗水抗硫性能,但在应用过程中仍存在N2选择性较低、活性温度窗口(300–400 oC)较窄及高温下V2O5极易流失等不足,且钨(钼)的价格十分昂贵.因此,用廉价组分提高钒基催化剂的催化性能在实际工业应用中仍具有重要意义.研究发现,很多非贵金属(如Cu, Fe, Mn, Co, Ce, Zr, Nb, Sn, La等)都可以代替钨(钼)用来提高钒基催化剂的选择性、活性温度窗口和(热)稳定性能等.引入的金属通常以氧化物或钒酸盐形式存在,并与活性组分钒物种有很强的相互作用,从而提高钒物种的氧化还原性能及分散度,同时增大表面酸性位数量,抑制锐钛矿向金红石相转变.近年来很多研究发现,经金属改性的钒基催化剂以钒酸盐形式存在时可有效提高催化剂活性和 N2选择性,尤其可显著提高催化剂的(热)稳定性.本文采用浸渍法以廉价易得、储量丰富的过渡金属改性钒基催化剂,得到高度分散的M-V/TiO2(M = Cu, Fe, Mn, Co)脱硝催化剂.结果发现, Cu-V/TiO2和Fe-V/TiO2催化剂表现出较好的催化活性和N2选择性以及优异的稳定性和抗H2O/SO2性能,其中Cu-V/TiO2的工作温度窗口扩展到225–375oC. X射线衍射、拉曼光谱和EDX-mapping表征结果证明,钒物种及引入的金属高度分散在TiO2载体表面,并生成了钒酸盐.氢气程序升温还原结果表明,钒酸盐的形成导致钒物种的还原峰向低温区移动,有利于催化剂氧化还原性能的提升. X射线光电子能谱结果表明, Cu-V/TiO2催化剂表面具有更多的活性氧物种(Oα),且具有较强的电子间相互作用,是SCR活性提高的关键原因之一. NH3程序升温脱附和原位红外光谱实验结果表明,金属的引入可以提高酸量和酸强度; Cu-V/TiO2催化剂表面主要为Lewis酸性位,而Fe-V/TiO2催化剂表面主要为Br?nsted酸性位,两者可能导致不同的SCR反应机理,但均可以提高催化剂在高温下的N2选择性.综上所述,过渡金属改性的钒基催化剂中Cu-V/TiO2具有最好的活性和N2选择性以及较强的稳定性和抗H2O/SO2性能,可能得益于其表面更多的活性氧物种和更多更强的酸性位.     

Pd/MoO3-TiO2/SiO2光催化CO2与C2H6合成烃类氧化物的反应性能

 采用化学反应改性和等体积浸渍法制备了负载型Pd/MoO3-TiO2/SiO2催化剂,并用IR,FT-Raman,TPD-MS,UV-Vis DRS和活性评价等方法研究了催化剂的表面结构、光吸收性能、化学吸附性能及光催化CO2与C2H6合成烃类氧化物的反应性能. 结果表明,SiO2负载的MoO3和TiO2之间存在着强相互作用,并能部分形成Mo-O-Ti键联,使得两种氧化物微粒均匀分布于载体表面; 表面MoO3和TiO2的复合作用使TiO2/SiO2的吸光带边红移,扩展了其吸光域,Pd的引入明显提高了固体材料的可见光吸收率; CO2和C2H6能较好地吸附在催化剂表面,在紫外光的激发下,CO2吸附态能解离生成CO,而C2H6单位吸附态能部分转化为C和H同时吸附在两个晶格氧上的双位吸附态; 光促CO2和C2H6反应主要生成丙醛、乙醇和乙醛; 在合适的条件下,烃类氧化物的选择性可超过90%.     

光促甲烷和水合成甲醇和氢催化剂的研究

用表面改性法制备TiO2/SiO2，以等体积浸渍法制备负载型复合半导体催化剂(MoO3,ZnO)-TiO2/SiO2，通过XRD、BET、TPR、IR、UV-Vis DRS和TPD等技术对材料的表面形态结构、吸光特性、化学吸附性能及光催化甲烷和水的反应性能进行了表征和分析。结果表明，MoO3-TiO2/SiO2和ZnO-TiO2/SiO2的表面物种均具有显著的量子尺寸效应，在表面分别形成Mo—O—Ti和Zn—O—Ti复合结构；MoO3和TiO2在载体表面的复合可提高对光能的利用率并可增强对甲烷的化学吸附性能， 结果使得MoO3-TiO2/SiO2的光催化反应性能明显优于ZnO-TiO2/SiO2；在固定床环隙反应器中，150℃MoO3-TiO2/SiO2光催化气相甲烷和水合成了目的产物甲醇和氢，甲醇的选择性达到87.3％。     

Sm2O3掺杂TiO2光催化剂的制备和性能

 采用溶胶-凝胶法制备了Sm2O3掺杂TiO2光催化剂,通过X射线衍射、程序升温脱附和漫反射紫外-可见光谱等手段对催化剂进行了表征,并以苯酚为光催化降解反应模型化合物考察了光催化剂的活性,测定了苯酚在TiO2和Sm2O3掺杂TiO2光催化剂上的吸附常数. 结果表明,Sm2O3掺杂TiO2光催化剂具有较强的紫外光吸收性能. Sm2O3掺杂使TiO2粒径减小,比表面积增大,同时导致氧脱附温度提高及脱氧量增大. Sm2O3掺杂有利于反应底物在催化剂表面的吸附,Sm2O3的最佳掺入量为Sm/Ti摩尔比=0.8%.     

添加钒对Pd/Al2O3-TiO2 催化剂上醇醛催化氧化性能及表面特性的影响

采用浸渍法分别制备了Pd/Al₂O₃-TiO₂、V/Al₂O₃-TiO₂和不同钒含量的V-Pd/Al₂O₃-TiO₂催化剂,并对乙醇、乙醛的完全催化氧化性能进行了测试。结果表明,添加适量的钒组分(1%~3%)能够有效地提高催化剂的深度氧化活性。采用XRD、NH₃-TPD、N₂吸附等技术分析研究催化剂的表面特性与催化活性之间的关系,发现Pd/Al₂O₃-TiO₂催化剂添加适量钒组分后,调变了催化剂的表面酸性、比表面积和孔容,使得V组分和Pd组分与载体之间产生较强的相互作用,双金属组分的协同效应提高了催化剂对乙醇、乙醛的深度氧化活性。     

MoO3-TiO2/SiO2上光促表面催化甲烷和水合成甲醇和氢气

用分步等体积浸渍法制备了负载型复合半导体催化剂MoO3-TiO2/SiO2,通过XRD,BET,TPR,IR,UVDRS和TPD等手段对其进行了表征,结果表明,活性组分在载体表面高度分散,并具有量子尺寸效应,吸光阈值显著蓝移;TiO2在SiO2表面分散可增强MoO3与载体的相互作用,调变吸光性能,所形成的表面活性基元能够有效地吸附活化甲烷和水.在100℃下利用固定床环隙反应器借助紫外光的激发,通过“光-表面-热”协同作用,气相甲烷和水在MoO3-TiO2/SiO2表面生成了甲醇和氢,选择性达到85.6%.     

CO adsorption on pure and binary-alloy gold clusters: a quantum chemical study

We performed density-functional theory analysis of nondissociative CO adsorption on 22 binary Au-alloy (Au(n)M(m)) clusters: n=0-3, m=0-3, and m+n=2 (dimers) or 3 (trimers), M=Cu/Ag/Pd/Pt. We report basis-set superposition error corrections to adsorption energies and include both internal energy of adsorption (DeltaU(ads)) and Gibbs free energy of adsorption (DeltaG(ads)) at standard conditions (298.15 K and 1 atm). We found onefold (atop) CO binding on all the clusters except Pd2 (twofold/bridged), Pt2 (twofold/bridged), and Pd3 (threefold). In agreement with the experimental results, we found that CO adsorption is thermodynamically favorable on pure Au/Cu clusters but not on pure Ag clusters and also observed the following adsorption affinity trend: Pd>Pt>Au>Cu>Ag. For alloy dimers we found the following patterns: Au2>M Au>M2 (M=Ag/Cu) and M2>M Au>Au2 (M=Pd/Pt). Alloying Ag/Cu dimers with (more reactive) Au enhanced adsorption and the opposite effect was observed for PdPt dimers. The Ag-Au, Cu-Au, and Pd-Au trimers followed the trends observed on dimers: Au3>M Au2>M2Au>M3 (M=Ag/Cu) and Pd3>Pd2Au>PdAu2>Au3. Interestingly, Pt-Au trimers reacted differently and alloying with Au systematically increased the adsorption affinity: PtAu2>Pt2Au>Pt3>Au3. A strikingly different behavior of Pt is also manifested by the triplet spin state and onefold (atop) binding in Pt3-CO which is in contradiction with the singlet spin state and threefold binding in Pd3-CO. We found a linear correlation between CO binding energy (BE) and elongation of the CO bond. For Ag-Au and Cu-Au clusters, the increase in CO BE (and elongation of the C-O bond which is probably due to the back donation) is accompanied by the decrease in the cluster-CO distance suggesting that the donation (from 5sigma highest occupied molecular orbital in CO to cluster lowest unoccupied molecular orbital) mechanism also contributes to the BE. For Pd-Au clusters, the cluster-CO distance (and CO bond length) increases with increase in the BE, suggesting that the donation mechanism may not be important for those clusters. No clear trend was observed for Pt-Au clusters.