负载型铜基催化剂组分间相互作用及其催化性能

负载型铜基催化剂因其良好的催化性能和相对低廉的价格在诸多重要工业催化反应中得到广泛的应用.探讨负载型铜基催化剂中组分间的相互作用,有助于了解相关催化作用的本质,为现有催化剂的改进和新催化剂的设计提供科学依据.本文综述了近年来我们就CuO在不同载体上的分散、铜物种和载体的改性及其物理化学性质以及催化CO完全氧化、CO+NO和NH₃+NO+O₂反应性能等方面的研究进展.结果表明,CuO在多种氧化物载体表面的分散和所得负载型铜基催化剂的一些物理化学性质可参考“嵌入模型”得到解释,本文主要讨论了以CeO₂,Ce_xZr_1-xO₂和Mo₃-CeO₂为载体的一些铜基催化剂的组成-结构-性质间的关系.     

KCl对Cu-K-La/γ-Al2O3催化剂上HCl氧化反应性能的影响

采用等体积浸渍法制备了Cu-K-La/γ-Al₂O₃催化剂,考察了KCl对该催化剂催化HCl氧化制Cl₂反应性能的影响. 当KCl的负载量为5 wt%时,Cu-K-La/γ-Al₂O₃催化剂表现出较好的催化活性和稳定性,可在较大的原料气空速变化范围内使用. 在0.1 MPa,360 ℃,空速450 L/（kg-cat·h）和HCl/O₂摩尔比为2：1的反应条件下,Cu-K-La/γ-Al₂O₃催化剂上HCl转化率在100 h内保持85%以上. 表征结果表明,Cu,K和La物种均高度分散于γ-Al₂O₃载体表面;一定量KCl的加入可降低Cu²⁺ → Cu⁺的还原温度,从而提高Cu²⁺活性中心的催化活性.     

Ni2+在γ-Al2O3上的分散状态及负载型Ni/γ-Al2O3催化剂的α-蒎烯加氢活性

用X-射线衍射(XRD)、紫外-可见漫散射光谱(UV-Vis DRS)、程序升温还原(TPR)、CO化学吸附和微反测试等方法研究了Ni²⁺在γ-Al₂O₃上的分散状态和负载型Ni/γ-Al₂O₃催化剂的α-蒎烯加氢催化活性。结果表明，当Ni²⁺负载量远低于其在γ-Al₂O₃载体表面分散容量时，Ni²⁺优先嵌入载体表面四面体空位，随着Ni²⁺负载量的增加，嵌入载体表面八面体空位Ni²⁺的比例增大。由于八面体Ni²⁺易被还原为金属态Ni⁰，NiO/γ-Al₂O₃样品的还原度随Ni²⁺负载量的增加而大幅度地增加，经氢还原所得Ni/γ-Al₂O₃催化剂的CO吸附量和α-蒎烯加氢催化活性大幅度增加。对La₂O₃助剂的作用进行了研究，结果表明分散在γ-Al₂O₃上的La³⁺物种可阻止Ni²⁺嵌入γ-Al₂O₃表面四面体空位，增大了八面体Ni²⁺物种所占比例，提高了催化剂的还原度，故Ni-La₂O₃/γ-Al₂O₃催化剂催化活性高于Ni/γ-Al₂O₃催化剂。     

CuO/TiO2/γ-Al2O3催化剂表征及对NO+CO反应性能研究

采用色谱-微反流动法反应装置考察了w%CuO/15%TiO₂/γ-Al₂O₃催化剂对NO+CO的反应活性;催化剂经空气氛或氢气氛预处理后,NO转化率达100%的反应温度分别是325和275 ℃;XRD仅能检测到γ-Al₂O₃晶相,负载15%CuO后可以检测到微弱的CuO晶相;H₂-TPR能检测到2个CuO的还原峰(α和β峰),将其归属于高度分散的CuO分别在裸露的γ-Al₂O₃和TiO₂/γ-Al₂O₃载体上的还原;原位红外分析结果表明催化剂经空气氛或氢气氛预处理后,吸附NO+CO反应气后,反应的中间产物N₂O出现的温度分别为200和150 ℃。     

预处理气氛对CuO/CeO2/γ-Al2O3催化剂表面性质及“NO+CO”反应性能的影响

用不同的预处理气氛制备了CeO₂/γ-Al₂O₃载体以调节表面Ce的价态,并以Cu(CH₃COO)₂为前驱体制备了CuCeAl催化剂。XRD和H₂-TPR的结果表明在还原气氛下处理的CeO₂/γ-Al₂O₃载体具有更多的活性氧原子,因此相应的CuCeAl催化剂表面有更多分散态的Cu²⁺/Cu⁺物种。NO+CO反应的结果表明分散态的Cu²⁺/Cu⁺是NO转化的活性物质,而Cu⁰在低温下具有较好的N₂选择性。因此,同时含有分散态Cu²⁺/Cu⁺和少量晶相Cu⁰的催化剂具有最好的催化性能。     

Mn / Ce / La / Al2O3催化剂中锰物种的精细结构研究

采用浸渍法制备了La、Ce助剂改性的γ-Al₂O₃负载锰氧化物催化剂，运用XANES、EXAFS、XRD、XPS和H₂-TPR等方法对催化剂的结构进行了表征，探讨了助剂对于催化剂中高分散Mn物种的精细结构、分散状态和存在形式的影响，并与样品的CO氧化活性相关联。XANES和EXAFS结果表明，500 ℃焙烧的样品中Mn物种主要以超细Mn₂O₃微晶形式存在，该物种由于高度分散使其配位对称性显著降低，无长程有序结构。TPR结果表明，样品中存在3种不同分散状态的表面Mn物种，即较难还原的Mn³⁺-O-Al³⁺相互作用物种，尺寸相对较大的三维分散的Mn₂O₃微晶，以及二维高度分散的Mn物种，后者是CO氧化反应的主要活性相。虽然Ce的加入使Mn物种的分散度有所降低，但Ce与Mn物种间的相互作用弱化了Mn-O键，加速了反应过程中活性氧物种的传递，提高了氧化还原循环的效率。同时，La的加入进一步促进了Ce物种在载体表面的分散，加强了Ce物种与Mn物种间的相互作用及催化协同性。     

MO(M=Cu和Ni)/TiO2/γ-Al2O3催化剂在CO+O2反应中的活性

采用X射线衍射(XRD)，程序升温还原(TPR)等表征手段考察了TiO₂改性对CuO(或NiO)在γ-Al₂O₃表面上分散以及还原性能的影响，同时检测了这些改性的催化剂在CO+O₂反应中的活性。结果表明:TiO₂的改性使得CuO和NiO在γ-Al₂O₃载体上的分散复杂化，产生了多种状态的氧化铜(氧化镍)物种。当负载量低于其在γ-Al₂O₃上的分散容量(0.56 mmol Ti⁴⁺/100 m² γ-Al₂O₃)时，TiO₂的加入主要是抑制了CuO和NiO在γ-Al₂O₃载体上的分散;而当负载量远大于其分散容量时，出现了CuO和NiO在晶相TiO₂(锐钛矿)上的分散。无论其负载量如何，TiO₂的加入促进了CuO的还原。因此，在250 ℃的CO+O₂反应中，改性的催化剂中具有更多的活性位，因而显示出更高的活性;相反，TiO₂的改性则抑制了NiO的还原。因此，在350 ℃的CO+O₂反应中，可还原的氧化镍的量明显少于未经改性的催化剂，导致改性催化剂的活性降低。     

CO预处理对CuO/γ-Al2O3催化剂性能的影响

采用XRD，TPR，CO吸附in-situ IR，CO氧化反应等对CuO/γ-Al₂O₃催化剂经CO处理前后的结构、组成和催化性能进行了研究。结果表明，经CO在250 ℃下处理1 h后CuO/γ-Al₂O₃催化剂中出现了分散态Cu⁺物种，该物种的产生使催化剂的活性明显提高。     

镍基催化剂上稻草水蒸气重整制富氢合成气

采用浸渍法制备了SiO₂, γ-Al₂O₃, CaO和TiO₂负载的Ni催化剂, 以及不同MgO含量的MgO-7.5%Ni/γ-Al₂O₃催化剂,利用X射线衍射和N₂吸附-脱附技术表征了催化剂的结构,在固定床反应器上评价了它们在稻草水蒸气催化重整制合成气反应中的催化性能,考察了反应条件对催化剂性能的影响.结果表明, 以γ-Al₂O₃为载体时Ni催化剂活性最高,其中7.5%Ni/γ-Al₂O₃催化剂的H₂收率可达1071.3ml/g,H₂:CO的体积比为1.4:1;同时,MgO的添加进一步提高了该催化剂的性能,当MgO含量为1.0%时,H₂收率可达1194.6ml/g,H₂:CO体积比可达3.9:1.可见MgO的加入促进了Ni基催化剂上稻草水蒸气催化重整制合成气反应的进行,同时使得合成气中CO发生水-汽转换反应,从而大大提高了合成气中H₂含量.     

整体式Co3O4/YSZ- -Al2O3＋CYZ催化剂上的甲烷催化燃烧

用质量比为3∶2的YSZ-γ-Al₂O₃和CeO₂-Y₂O₃-ZrO₂的混合物(以YSZA＋CYZ表示)作载体, 制备了不同Co₃O₄含量的整体式甲烷燃烧催化剂, 同时制备了分别以YSZA和CYZ为载体的催化剂作为对比, 研究了它们老化前后的反应性能, 并用BET, XPS, XRD, TPR等研究了催化剂的比表面、表面状态、晶相结构和还原性能. 结果表明, YSZ- -Al₂O₃和CeO₂-Y₂O₃-ZrO₂混合载体能有效地抑制CoAl₂O₄的生成, 并能充分发挥各自的优点, 因此负载一定量的钴后表现出很高的甲烷催化燃烧活性和抗老化性, 尤其是含8 wt% Co₃O₄的样品性能最佳, 有望成为实用的甲烷燃烧催化剂之一.     

Cu/SO42-/La2O3-ZrO2-Al2O3催化剂的制备及其对C3H6选择还原NO的催化性能

以Al₂O₃为基质，添加ZrO₂和La₂O₃，制成La₂O₃-ZrO₂-Al₂O₃复合载体，然后采用SO₄^2-进行改性，再负载上Cu²⁺，制备了铜基SO₄^2-改性的复合载体催化剂(Cu/SO₄^2-/La₂O₃-ZrO₂-Al₂O₃)。考察了它在富氧条件下对丙烯选择还原NO的催化性能，并借助XRD、SEM、TG、Py-IR、NH₃-TPD、FTIR和TPR等方法研究了Cu/SO₄^2-/La₂O₃-ZrO₂-Al₂O₃的结构和性能的关系。结果表明，ZrO₂的加入主要有利于提高催化剂的低温活性；La₂O₃的加入则主要有利于提高催化剂的热稳定性和还原性能；SO₄^2-能够与Zr形成螯合双配位结构，大幅度促使催化剂表面酸量增加并且酸性增强；因此，有效地提高了Cu/SO₄^2-/La₂O₃-ZrO₂-Al₂O₃在富氧条件下对丙烯选择还原NO的催化活性和水热稳定性。在无水条件下，Cu/SO₄^2-/La₂O₃-ZrO₂-Al₂O₃能使NO的最大转化率高达84.3%，即使在275 ℃ 10%水蒸气存在的情况下，仍能使NO的转化率高达81.2%。     

H2SO4处理的Nb2O5/γ -Al2O3催化剂表面酸性与催化性能研究

用Hammett指示剂法、红外光谱（IR）、示差扫描量热-热重法（DSC-TG）和微型催化反应装置等研究了H₂SO₄处理的负载型Nb₂O₅/γ-Al₂O₃催化剂表面酸性和催化异丁烯（IB）与异丁醛（IBA）反应生成2，5-二甲基-2，4-己二烯（DMHD）的催化性能。结果表明随所用H₂SO₄浓度增加，Nb₂O₅/γ-Al₂O₃催化剂表面酸性增强，B酸量增加，L酸量先增加后下降。经H₂SO₄处理的Nb₂O₅/γ-Al₂O₃催化剂的催化活性明显增加，但当H₂SO₄浓度超过0.05 mol·L^-1时催化活性又急剧下降，这可能是因为在H₂SO₄处理的催化剂表面形成的强酸中心上，产物分子进一步转化为积炭且封闭催化剂活性表面，导致催化活性下降。     

Fe3O4改性的Ru/γ-Al2O3催化剂的原位液相加氢性能

采用分步浸渍法制备负载型Ru-Fe₃O₄/γ-Al₂O₃ 催化剂, 并利用透射电子显微镜(TEM)、X 射线衍射(XRD)、N₂吸附-脱附(BET)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱与X射线光电子能谱(XPS)表征催化剂的纳米颗粒粒径分布、晶相组成、表面结构及吸附物种等性质. 将Ru-Fe₃O₄/γ-Al₂O₃催化剂用于3,4-二氯硝基苯选择性原位液相加氢反应, 考察了反应条件对催化活性的影响, 并讨论了不同制备条件下催化剂的稳定性能. 结果表明, 在473 K、液压3 MPa、原料质量分数2%, 乙醇/水体积比75:25 的反应条件下, 3,4-二氯硝基苯的转化率为100%, 3,4-二氯苯胺的选择性高达96.4%. Fe₃O₄含量对催化剂稳定性能有显著影响, 当Ru和Fe 的质量分数分别为2%和6%时, 催化剂可稳定200 h以上. 表面吸附CO与积碳是导致催化剂失活的主要原因, 以Fe₃O₄作为高效的助剂, 进行水汽转换(WGS)反应与费托合成(FTS)可移除CO, 而采用煅烧法去除表面积碳. 晶相变化与纳米颗粒的聚集可能导致催化剂部分失活, 其原因以及再生方法需进一步考察.     

面向异丁烷脱氢介孔γ-Al2O3基催化剂的合成及其高催化性能

采用溶剂蒸发自组装法调控载体形貌及孔道结构,成功制备了有序介孔氧化铝载体。以铬氧物种为活性组分,碱金属钾为助剂,采用浸渍法制备负载型催化剂,用于异丁烷催化脱氢反应,研究了反应温度、原料流速、催化剂粒径等因素对催化性能的影响。采用X射线粉末衍射、透射电子显微镜、N₂物理吸附、氢气程序升温还原及热重等表征方法探讨了载体形貌、孔道结构与催化性能的构效关系,结果表明,低温下有利于控制异丙醇铝的水解和缩合及介孔γ-Al₂O₃的研制。与常规的γ-Al₂O₃相比,所制备的介孔γ-Al₂O₃的有更大的比表面积和良好的有序性,在600℃、101.325kPa、GHSV=1 000 h^-1的条件下,10%（w/w）Cr₂O₃/γ-Al₂O₃催化剂性能最佳,异丁烷的转化率达63.1%,异丁烯的选择性达到85.5%。与传统的催化剂相比,介孔Cr₂O₃/γ-Al₂O₃催化剂具有大的比表面积,高度分散的活性组分,优良的催化性能和良好的抗积碳能力。     

Pd-Cu/γ-Al2O3催化苯乙炔选择性加氢反应

为了提高苯乙炔加氢反应中的苯乙烯选择性, 本文采用“胶体-等体积浸渍”两步法制备了Pd-Cu/γ-Al₂O₃双金属催化剂. 利用高分辨率透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)、CO脉冲化学吸附、N2物理吸附、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)等技术表征了Pd-Cu/γ-Al₂O₃的结构性质, 考察了Cu/Pd 摩尔比、Pd负载量以及金属引入顺序对Pd-Cu/γ-Al₂O₃催化苯乙炔选择性加氢性能的影响. 结果表明, 与Pd/γ-Al₂O₃单金属催化剂相比, Pd-Cu/γ-Al₂O₃的苯乙烯选择性大幅度提高, 尤其是当Pd负载量为0.3%(w), 且Cu/Pd摩尔比为0.6时, Pd-Cu/γ-Al₂O₃表现出优异的加氢选择性; 在0.1 MPa和40 ℃下, 当苯乙炔转化率为90%时, 双金属催化剂的苯乙烯选择性可达95%; 当转化率达到99%以上时, 苯乙烯选择性仍保持在82%左右. 分析表明, Pd-Cu/γ-Al₂O₃中形成了Pd-Cu合金, 但是两种金属间不存在电子转移, Cu对Pd的几何效应才是导致Pd-Cu/γ-Al₂O₃苯乙烯选择性增加的主要原因.     

Pt/ZrO2-Al2O3催化剂催化氧化C3H6和CO性能

采用共沉淀法合成了ZrO₂与Al₂O₃的不同质量比的ZrO₂-Al₂O₃复合氧化物,并以此为载体通过等体积浸渍法制备了1.5% Pt/ZrO₂-Al₂O₃（w/w）催化剂。以C₃H₆和CO为反应物的催化性能评价显示,在系列催化剂中以Pt/Zr（0.4）-Al₂O₃催化剂催化氧化活性最为优异,其C₃H₆和CO的起燃温度（T₅₀）小于125℃,完全转化温度（T₉₀）小于150℃。采用XRD、低温N₂吸附、H2-TPR、CO脉冲吸附等分析表征技术探索了催化剂物相结构、比表面积、颗粒尺寸等对催化活性的影响规律。结果发现,ZrO₂-Al₂O₃复合氧化物具有Al₂O₃材料的介孔织构和大比表面积特性,且产生了Al_xZr_1-xO_y固溶体新物相。适当的ZrO₂与Al₂O₃的质量比,是改善Pt与ZrO₂-Al₂O₃的相互作用强度,促进贵金属Pt的分散,提升Pt/ZrO₂-Al₂O₃催化剂的低温氧化活性的关键。     

Pt/ZrO2-Al2O3催化剂催化氧化C3H6和CO性能

采用共沉淀法合成了ZrO₂与Al₂O₃的不同质量比的ZrO₂-Al₂O₃复合氧化物,并以此为载体通过等体积浸渍法制备了1.5% Pt/ZrO₂-Al₂O₃（w/w）催化剂。以C₃H₆和CO为反应物的催化性能评价显示,在系列催化剂中以Pt/Zr（0.4）-Al催化剂催化氧化活性最为优异,其C₃H₆和CO的起燃温度（T₅₀）小于125℃,完全转化温度（T₉₀）小于150℃。采用XRD、低温N₂吸附、H₂-TPR、CO脉冲吸附等分析表征技术探索了催化剂物相结构、比表面积、颗粒尺寸等对催化活性的影响规律。结果发现,ZrO₂-Al₂O₃复合氧化物具有Al₂O₃材料的介孔织构和大比表面积特性,且产生了Al_xZr_1-xO_y固溶体新物相。适当的ZrO₂与Al₂O₃的质量比,是改善Pt与ZrO₂-Al₂O₃的相互作用强度,促进贵金属Pt的分散,提升Pt/ZrO₂-Al₂O₃催化剂的低温氧化活性的关键。     

TiO2-Al2O3载体的制备方法对其负载的磷化镍催化剂加氢脱氮反应性能的影响

采用共沉淀法和原位溶胶-凝胶法制备了TiO₂-Al₂O₃复合载体,其负载的磷化镍催化剂采用等体积浸渍法和H₂原位还原法制备. 通过N₂吸附（BET）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、程序升温还原（TPR）,X射线光电子能谱（XPS）和等离子体发射光谱（ICP-AES）表征技术对催化剂进行了表征,并通过喹啉的加氢脱氮反应评价了催化剂的加氢脱氮性能. 结果表明,原位溶胶-凝胶法制成的复合载体基本保留了原有的γ-Al₂O₃的孔特征,具有较大的比表面积和较宽的孔分布,TiO₂主要以表面富集的形式分散在管状的γ-Al₂O₃表面,其负载的磷化镍催化剂还原后所形成的活性相为Ni₂P和Ni₁₂P₅;而共沉淀法制成的复合载体比表面积较小,孔径分布更加集中,TiO₂趋于在块状的Al₂O₃表面均匀分散,其负载的磷化镍催化剂具有更好的可还原性,还原后所形成的活性相为Ni₂P. 不同的载体制备方法和不同的钛铝比对催化剂加氢脱氮性能影响较大,当n（Ti）/n（Al）=1/8时,共沉淀法载体负载的催化剂表现出最佳的加氢脱氮性能,在340 ℃,3 MPa,氢油体积比500,液时空速3 h^-1的反应条件下,喹啉的脱氮率可以达到91.3%.     

α-Fe2O3、γ-Al2O3、SiO2混合体系的表面配位反应

运用自动电位滴定技术分别研究了纳米α-Fe₂O₃、γ-Al₂O₃、SiO₂单一体系及三组分混合体系中氧化物表面的酸碱性质和对重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺的吸附行为. 依据表面配位理论恒电容模式(CCM), 计算了相应的表面酸碱配位常数. 结果表明: α-Fe₂O₃/γ-Al₂O₃/SiO₂三组分混合体系的表面化学反应并非是单一体系的简单叠加, 而是存在着不同矿物表面间复杂的交互作用. 三组分表面酸碱反应平衡式和相应的酸碱反应平衡常数分别为: ≡XOH₂⁺?≡XOH+H⁺ (lgK_a1=-4.23), ≡XOH?≡XO^-+H⁺(lgK_a2=-8.41). 根据重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺在α-Fe₂O₃/γ-Al₂O₃/SiO₂混合体系表面的吸附行为, 计算得到Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺在混合体系表面配位反应及其平衡常数如下: ≡XOH＋M²⁺?≡XOM⁺+H⁺; lgK=-2.20, -1.90, -3.20 (M=Cu, Pb, Zn).     

乙醇辅助的化学沉积法制备硫化型Mo/γ-Al2O3加氢脱硫催化剂

以硫代乙酰胺为硫源,钼酸钠为钼源,乙醇为分散剂,采用化学沉积法制备了MoS₃/Al₂O₃催化剂前驱体,再用H₂高温处理得到高分散硫化型MoS₂/γ-Al₂O₃催化剂,运用N₂吸附-脱附、X射线光电子能谱以及高分辨透射电子显微镜等技术对MoS₂/γ-Al₂O₃催化剂进行了表征,并以二苯并噻吩作为模型化合物评价了催化剂的加氢脱硫(HDS)活性.结果表明,与浸渍法相比,所制催化剂具有更大的比表面积和孔体积、更高的活性金属分散度、更佳的Mo物种硫化度以及更短的MoS₂片层长度和更高的堆积度,因而在二苯并噻吩HDS反应中表现出远优于浸渍法所制催化剂的活性.乙醇可通过S?H-O氢键吸附至MoS₃纳米粒子表面,可有效防止其生长和团聚,起到分散剂的作用.