Co3O4/CeO2的氧化还原性能及反应条件对其CO氧化活性的影响

采用沉淀氧化法制备了Co₃O₄/CeO₂催化剂。运用XRD、BET和TPR表征手段,考察了不同钴铈比及焙烧温度对钴铈复合氧化物物理及化学性能的影响,并分别在干、湿条件下进行了一氧化碳氧化反应研究。结果表明,与纯的Co₃O₄相比,在不同比例的Co₃O₄/CeO₂均经723 K焙烧的各种催化剂中,钴铈原子比为9∶1的复合氧化物粒径较小,比表面积较大,说明适当比例铈的添加能使Co₃O₄具有较小的粒径。此氧化物经538 K温度焙烧制得的钴铈比为9∶1的复合氧化物中Co₃O₄平均粒径为7.2 nm, BET比表面积为167.6 m²/g。经TPR考察发现其具有最优的氧化还原性能。     

In situ FT-IR study on CO oxidation over Co3O4/CeO2 catalyst

采用沉淀氧化法制备了Co3O4/CeO2催化剂.分别在干、湿条件下进行了一氧化碳氧化反应研究.运用FT-IR表征手段,在钴铈复合氧化物上进行了CO吸附及CO/O2共吸附研究.结果表明,与纯的Co3O4样品相比,Co3O4/CeO2具有明显的抗湿气能力.Co3O4/CeO2催化剂在进行CO氧化时,表面形成了类碳酸盐物种.当环境温度低于453K时,催化剂上类碳酸盐的生成与形成类碳酸盐物种后受热分解存在着动态平衡.当环境温度高于493K,催化剂上生成的类碳酸盐物全部受热分解.氧化铈的加入提高了催化剂的抗湿气性能.较小粒径的Co3O4与CeO2产生的强相互作用可使CeO2向Co3O4提供氧,因而间接提供了CO氧化需要的氧.     

制备方法及焙烧温度对Co3O4/CeO2催化剂上CO低温氧化反应的影响

 分别采用沉淀氧化法、均匀沉淀法及络合燃烧法制备了Co3O4/CeO2复合氧化物催化剂,并在干燥及湿气条件下进行了CO氧化反应. 结果表明,采用沉淀氧化法经538 K焙烧制得的Co3O4/CeO2催化剂具有优异的CO低温氧化活性和较高的抗湿性能. 在196 K条件下,该催化剂上CO氧化的转化率为99%, 并且可连续保持400 min以上; 当温度上升到298 K时,经过 2400 min反应后, CO的转化率仍可达到94%; 当反应气中含3.1%湿气,温度为383 K时,经过2400 min反应后, CO的转化率仍保持在79%. 实验表明, Co3O4/CeO2催化剂的制备方法及焙烧温度对Co3O4与CeO2之间的相互作用有显著的影响,进而影响催化剂催化CO低温氧化的活性.     

In situ FT-IR and TPD-MS study of carbon monoxide oxidation over a CeO2/Co3O4 catalyst

The forming of surface species during the adsorption of carbon monoxide (CO) and CO/O₂ on a CeO₂/Co₃O₄ catalyst was investigated by in situ Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy and temperature programmed desorption-mass spectroscopy (TPD-MS). When CO was adsorbed on the CeO₂/Co₃O₄ catalyst, two types of surface species were distinguishable at room temperature: carbonate and bicarbonate. Surface carbonate was adsorbed on the cerium and cobalt, while the surface bicarbonate absorbed on the CeO₂/Co₃O₄ catalyst at 1611, 1391, 1216 and 830 cm⁻¹. Furthermore, the TPD-MS profiles revealed that the CeO₂/Co₃O₄ catalyst showed a greater amount of CO₂ than CO at 373 K. The CO desorption from the CeO₂/Co₃O₄ catalyst with increasing temperature showed that the order of thermal stability was surface bicarbonate < surface carbonate < interface carbonate species. Interestingly, the residual carbonate species could remain on the interface up to 473 K. The results revealed that surface bicarbonate could promote the conversion of CO into CO₂ for CO oxidation below 50 K.     

介孔CeO2负载的Co3O4催化剂催化富氢气体中的CO优先氧化反应

采用溶胶-凝胶法制备出介孔氧化铈(meso-CeO2)及其负载的氧化钴(Co3O4/meso-CeO2)催化剂,并将其应用于富氢气体中CO的优先氧化反应.通过N2物理吸附及X射线衍射表征考察了meso-CeO2和Co3O4/meso-CeO2的结构性质.活性评价结果表明,在高空速下,Co3O4/meso-CeO2催化剂上的CO优先氧化性能很好,但水和CO2对CO的氧化有一定的负作用.Co3O4/meso-CeO2催化剂的CO完全氧化温度窗口远大于沉淀法制备CeO2负载的氧化钴催化剂.     

Investigation of CO and formaldehyde oxidation over mesoporous Ag/Co3O4 catalysts

CO and formaldehyde (HCHO) oxidation reactions were investigated over mesoporous Ag/Co₃O₄ catalysts prepared by one-pot (OP) and impregnation (IM) methods. It was found that the one-pot method was superior to the impregnation method for synthesizing Ag/Co₃O₄ catalysts with high activity for both reactions. It was also found that the catalytic behavior of mesoporous Co₃O₄ and Ag/Co₃O₄ catalysts for the both reactions was different. And the addition of silver on mesoporous Co₃O₄ did not always enhance the catalytic activity of final catalyst for CO oxidation at room temperature (20 °C), but could significantly improve the catalytic activity of final catalyst for HCHO oxidation at low temperature (90 °C). The high surface area, uniform pore structure and the pretty good dispersion degree of the silver particle should be responsible for the excellent low-temperature CO oxidation activity. However, for HCHO oxidation, the addition of silver played an important role in the activity enhancement. And the silver particle size and the reducibility of Co₃O₄ should be indispensable for the high activity of HCHO oxidation at low temperature.     

自发氧化还原法制备Co3O4/CeO2纳米复合材料及其CO催化氧化反应结构优化

采用简单的自发氧化还原法合成了Co3O4/CeO2纳米复合材料,采用透射电子显微镜(TEM)\,X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对样品进行了表征,并探究了反应参数对其催化CO氧化反应活性的影响.结果表明,Co/Ce摩尔比、pH值、反应温度和煅烧温度均显著影响Co3O4/CeO2纳米复合材料的催化性能;性能最优的样品用于催化CO氧化反应在140℃时即可实现100%的转化率,并且在循环测试中其催化活性保持不变,显示出良好的稳定性.     

钴铈复合金属氧化物催化剂上氧化亚氮催化分解性能研究

采用共沉淀法制备了一系列钴铈复合金属氧化物催化剂CoCex(x=0～0.2,x为Ce/Co摩尔比),进行了比表面积和XRD表征,并考察了它们对氧化亚氮催化分解反应的活性.结果表明,随着铈添加量的增加,催化剂上钴尖晶石相的衍射峰逐渐宽化,同时催化剂的比表面积逐渐增大;催化剂的活性随着铈添加量的增加先升高,然后下降,CoCe0.05催化剂表现出了最佳催化活性.在对CoCe0.05催化剂制备条件的考察实验中发现,共沉淀过程中控制pH值在9左右,于400 ℃焙烧得到的催化剂的活性最好.当反应气氛中存在O2或H2O时,CoCe0.05催化剂上N2O的分解反应受到抑制,但这种影响是可逆的,可能是由于它们与N2O在相同的活性位上存在竞争吸附.     

介孔Co3O4-CeO2复合氧化物的制备及在CO选择性氧化中的应用

以硝酸钴和硝酸铈为前驱物，SBA-15为硬模板，利用双溶剂法制备了Co3O4-CeO2介孔复合氧化物，通过X-射线衍射、N2吸脱附测试、程序升温还原和透射电子显微镜等技术对活性组分及载体进行了表征，并且与浸渍法和共沉淀法所制备的催化剂进行了对比分析。结果表明，相比于浸渍法和共沉淀法，采用双溶剂法制备的介孔Co3O4-CeO2复合氧化物具有均匀的介孔结构、较小的颗粒尺寸、较大的比表面积和较高的活性组分分散度。此外，CO氧化脱除评价显示与常规的共沉淀法和浸渍法所制备的催化剂相比该介孔复合氧化物具有较高的反应活性和选择性，其高活性主要归因于较高的比表面积和活性组分的高分散度。     

Ultrathin Co3O4 nanowires with high catalytic oxidation of CO

Ultrathin Co(3)O(4) nanostructures with high catalytic oxidation of CO were synthesized by heating cobalt foils under atmospheric conditions. The Co(3)O(4) nanostructures were selectively exposing (111) planes composed of plenty of Co(3+) cations. We observed ultrahigh catalytic oxidation of CO in Co(3)O(4) nanowires with about 3 nm diameter.     

Co3O4纳米晶表面晶格氧催化氧化CO的理论研究

近年来,纳米科学技术的迅速发展给催化领域,特别是多相催化带来了新的机遇和挑战.科学家们开始着眼于在纳米尺度上对催化剂结构和催化性能进行表征、控制和设计.Co3O4作为一种重要的半导体金属氧化物材料,由于其优异的氧化还原性质,在锂电池、气体传感器以及多相催化领域得到了十分广泛的应用.最近,研究者发现Co3O4纳米晶在催化CO低温氧化和CH4活化等一系列重要反应中表现出显著的反应活性和晶面效应,表明有效设计和合成特定的高活性、高选择性的纳米晶面,对催化领域的发展将具有十分重要的意义.因而,从原子层面对纳米晶所表现出的这种高活性和晶面效应进行深入解释,将为高效催化剂设计提供重要指导.低温CO氧化作为一种重要的催化反应在燃料电池、空气净化与汽车尾气处理中具有重要的应用价值.本文采用密度泛函理论对Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的机理、晶面效应以及结构敏感性进行了理论研究.首先,研究了CO在Co3O4(001)和(011)表面Co,CoOo和Co-Ot三种不同位点的吸附扩散行为,发现CO在Co位点表现出较强的吸附行为,但这种吸附构型需要克服很高的能垒(～1 eV)才能转变到Co-O离子对位点,在低温下这种转变将不可能发生,因此我们推断CO在Co位点的吸附对Co3O4催化CO氧化的晶面效应没有显著影响.接着,对CO在Co-O离子对位点抽提晶格氧生成CO2的反应机理进行了研究.我们发现,(011)表面Co-Ot位点可以较强地吸附CO(吸附能-1.15 eV),并十分容易夺取晶格氧离子(能垒0.26 eV),具有很低的势能面,因而其CO氧化活性明显大于(001)面.为了更清楚地理解这种晶面效应和结构敏感效应的本质,我们提出将CO2形成步的过渡态在反应路径上的能级作为反应活性指标.这种活性指标兼顾考虑了CO在Co-O氧位点的吸附覆盖度和CO2形成步的反应能垒,可以近似理解为反应的表观活化能.据此我们得出,Co3O4不同表面不同品格位点催化CO氧化的反应活性顺序为:(011)-Co-Ot＞＞(001)-Co-Oo＞(011)-Co-Oo＞(001)-Co-Ot.由于CO吸附和CO2形成步都涉及到表面被还原的过程,我们因此发现CO催化氧化活性的高低与表面晶格氧位点的可还原性具有正相关性.这种表面不同位点的还原性可以直接通过对空穴形成能的计算获得,降低表面氧空穴的生成能将有利于提高CO氧化的活性.催化设计的终极目标是在对催化活性位点的本质及反应机理深入认识的基础上在原子层面上对催化剂进行可控设计,从而实现催化剂材料的高效、经济的利用.本文研究表明离子对活性位点是Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的活性位点,其中阳离子负责对CO的吸附,阴离子则负责CO2的形成过程,这种协同作用实现了Co3O4纳米晶的高反应活性.我们相信,寻找有效的方法在催化剂表面增加离子对位点活性中心的数目是一种实现高性能催化剂设计的途径.     

费-托合成Co/ZrO2-Al2O3催化剂反应性能的研究

以ZrOCl2·6H2O和AlCl3为原料,采用共沉淀方法制得一系列不同ZrO2质量分数的ZrO2-Al2O3混合氧化物载体;并以该混合氧化物为载体,采用初湿浸渍法制得钴质量分数为12％的Co/ZrO2-Al2O3催化剂。XRD、NH3-TPD、TPR和原位IR等表征结果表明,随着混合载体中ZrO2质量分数的增加,载体比表面积先增加后减少,混合载体的平均孔径则小于单一氧化物ZrO2和Al2O3的平均孔径。ZrO2和Al2O3载体混合后会导致氧化物的比表面积和酸性增大并且有新的物相生成。当混合氧化物用作载体时,能够抑制载体表面金属钴的分散,改变催化剂的还原行为,降低催化剂对CO物种的吸附能力。CO加氢反应表明,与单一金属氧化物相比,钴负载ZrO2-Al2O3混合氧化物催化剂的加氢活性和重质烃选择性有所降低。     

制备方法对Co_3O_4-CeO_2催化剂催化性能的影响研究

用水热法、共沉淀法、柠檬酸络合物法和多元醇法分别合成了铈钴摩尔比1∶1的Co3O4-CeO2催化剂,并用XRD、TPR、TPD、FT-IR、BET等对催化剂的晶相结构、还原性能、吸附性能及比表面积等进行了表征.结果表明,制备方法对Co3O4-CeO2催化剂的催化性能具有较大的影响,其中多元醇法制备的催化剂能促进Co3O4和CeO2的相互作用,该催化剂还原温度较低、CO脱附面积较大,在140℃温度下,CO的转化率达到90%以上.     

Dual-template synthesis of defect-rich mesoporous Co3O4 for low temperature CO oxidation

CO oxidation is a benchmark in heterogeneous catalysis for evaluation of redox catalysts due to its practical relevance in many applications and the fundamental problems associated with its very high activity at low temperatures. Among which, Co₃O₄ is one of the most active non-precious metal catalysts. Exposed crystal planes and cobalt sites are considered to be important for its high catalytic activity. Herein, we demonstrate an enhanced CO oxidation activity by a defect-rich mesoporous Co₃O₄ that prepared by a designed dual-template method. Two different kinds of silicas are used as hard-templates at the same time, resulting in a defect-rich mesoporous Co₃O₄ with a surface area as high as 169 m²/g. This catalyst exhibited a very high catalytic activity for low temperature CO oxidation with a light-off temperature at −73 ^oC under the space velocity of 80,000 mL h^-1 g_cat^-1. Further studies reveal that the high surface area promotes the lattice oxygen mobility, surface rich of Co²⁺ species and active oxygen species are crucial for the high catalytic activity. Moreover, the dual-template approach paves a way towards the design and construction of high-surface-area mesoporous metal oxides for various applications.     

高活性Co3O4负载单原子Au催化剂室温催化CO氧化

CO低温氧化是多相催化领域研究最多的反应之一.作为简单、典型的探针反应,其不仅具有重要的基础研究价值,而且在环境污染消除等方面也有着非常重要的实际应用价值.金属氧化物如铜锰(Hopcalite)、铜铬复合氧化物以及氧化钴等都具有优异的低温CO氧化活性.然而氧化物催化剂热稳定性低、反复启动性能差、以及对硫化物、水等物质敏感,严重制约了其实际应用.相对而言,负载型贵金属催化剂因具有较高的CO氧化活性、反应稳定性以及热稳定性而受到关注.但是贵金属价格昂贵、资源稀少,使其持续应用面临严峻挑战.为了提高贵金属利用效率、降低贵金属使用量,在负载型贵金属催化剂中,贵金属多以纳米尺度分散于高比表面载体上.由于多相催化一般在纳米粒子表面发生,只有表面金属原子能够接触到反应物,因而贵金属原子利用率仍然有待提高.最近本课题组成功开发以原子级分散的单原子催化剂并提出“单原子催化”的概念.后续研究以及其他研究人员相继证明氧化物负载贵金属单原子具有高活性和/或不同于纳米粒子的反应性能,表明开发单原子催化剂是最大化贵金属利用效率、降低贵金属用量的可行途径.对于CO氧化而言,目前普遍认为负载Au催化剂具有最高活性.然而负载Au单原子催化剂是否具有活性仍存争议：理论计算表明氧化物负载Au单原子催化剂具有很好的活性,但是缺少实验证据;目前已有一些氧化物负载Au正价离子催化剂的报道,结果也都表明Au单原子活性远低于纳米粒子或纳米团簇.最近本课题组发现氧化铁负载Au单原子不仅具有与Au纳米粒子相当的单位活性位(TOF)活性而且具有更高的单位金属重量(反应速率)活性以及非常高的反应稳定性.本文将载体拓展到氧化钴,开发了具有更高活性的氧化钴负载Au单原子催化剂, Au负载量仅为0.05 wt%即可在室温条件下实现CO完全转化. Co3O4载体用Co(NO3)3与Na2CO3通过共沉淀法制备,400 oC焙烧.然后通过简单的沉淀吸附法制备Co3O4负载Au单原子催化剂(Au1/Co3O4),确保Au单原子能够分散于载体的表面.具有原子分辨率的球差校正高分辨电镜照片显示Au原子确实以单原子形式分散于载体上.催化剂在第一个循环中活性并不非常高,但是在第二个循环中活性提高非常明显,可以在室温条件下实现CO全转化.为了弄清楚活性提高的原因,我们用惰性气体(He)、氧化性气体(5%O2/He)以及还原性气体(5%CO/He)对催化剂进行了热处理,但是活性提高并不明显.由此推断催化剂是在第一个循环反应过程中发生了某些变化,导致活性显著提高.空白载体实验表明Co3O4载体本身虽然具有反应活性,但是远不如负载少量Au原子活性高,表明Au原子或Au原子与载体一起起到高活性的作用.稳定性研究表明该催化剂在室温条件下容易失活,但经惰性气体或氧化气体处理后活性可恢复,表明不是结构性失活而是可逆失活,说明单原子非常稳定.     

Solid solutions based on iron-substituted cobaltites MnFe x Co2-x O4 in CO oxidation

The influence of the chemical composition and conditions of heat treatment of MnFe _x Co_2?x O₄ system on its phase composition and catalytic properties in CO oxidation was studied. The formation of substitutional solid solutions of spinel structure was established. The optimum chemical composition of the catalyst, ensuring complete CO conversion at 190°C, was determined.     

The role of low-coordinate oxygen on Co3O4(110) in catalytic CO oxidation

A complete catalytic cycle for carbon monoxide (CO) oxidation to carbon dioxide (CO(2)) by molecular oxygen on the Co(3)O(4)(110) surface was obtained by density functional theory plus the on-site Coulomb repulsion (DFT + U). Previously observed high activity of Co(3)O(4) to catalytically oxidize CO at very low temperatures is explained by a unique twofold-coordinate oxygen site on Co(3)O(4)(110). The CO molecule extracts this oxygen with a computed barrier of 27 kJ/mol. The extraction leads to CO(2) formation and an oxygen vacancy on Co(3)O(4)(110). Then, the O(2) molecule dissociates without a barrier between two neighboring oxygen vacancies (which are shown to have high surface mobility), thereby replenishing the twofold-coordinate oxygen sites on the surface and enabling the catalytic cycle. In contrast, extracting the threefold-coordinate oxygen site on Co(3)O(4)(110) has a higher barrier. Our work furnishes a molecular-level mechanism of Co(3)O(4)'s catalytic power, which may help understand previous experimental results and oxidation catalysis by transition metal oxides.     

氧化铈对Pd／Al2O3表面上CO氧化性能的影响

采用ＴＰＤ－ＭＳ及ＴＰＳＲ－ＭＳ技术研究了添加ＣｅＯ２对Ｐｄ／Ａｌ２Ｏ３催化剂上ＣＯ脱附、表面反应及表面氧脱附等性能的影响，考察了不同含氧量的气氛下ＣＯ的氧化活性，结果表明，Ｐｄ－Ｃｅ间的相互作用有利于各自原子上表面氧的吸脱附及ＣＯ的表面反应，并发现ＣＯ２脱附量大小及峰温次序与对ＣＯ的催化氧化活性有一致的对应关系。     

碱土Sr对Co/Al2O3催化剂甲烷部分氧化反应的影响

以γ-Al₂O₃为载体,采用共浸渍法制备了Sr-Co/Al₂O₃系列催化剂,研究了助剂Sr对Co/Al₂O₃催化剂上甲烷部分氧化(POM)制合成气反应的影响,并利用N₂物理吸附、X射线衍射、H₂-程序升温还原和热重等技术对催化剂的理化性质进行了表征。结果表明,未添加助剂的Co/Al₂O₃和800℃焙烧的Sr-Co/Al₂O₃催化剂在POM反应初期催化活性很低,然而,当添加Sr的质量分数高于2%时,催化剂表现出很好的催化活性和稳定性。焙烧后的新鲜催化剂上主要存在两类Co物种,一类是与载体相互作用较弱、易被H₂还原为单质的Co₃O₄;另一类是与载体相互作用较强、难还原、无催化活性的CoAl₂O₄尖晶石。在焙烧过程中,Sr易形成Sr₄Al₁₄O₂₅,从而削弱Co与Al₂O₃之间的相互作用,能在一定程度上抑制CoAl₂O₄物种的形成,提高催化剂的稳定性和活性。未添加Sr的Co/Al₂O₃在反应时易发生物相改变生成尖晶石,导致催化剂迅速失活;但当焙烧温度达到800℃时,添加有限量的Sr还是无法阻止CoAl₂O₄的产生。     

Propane oxidation with chemically bound oxygen on Pt/TiO2/Al2O3 and Pt/CeO2/Al2O3 catalysts

Possible mechanisms are suggested for propane oxidation on Pt/TiO₂/Al₂O₃ and Pt/CeO₂/Al₂O₃ catalysts in the cyclic reactant supply mode. As compared to the steady-state process, the process conducted as catalyst oxidation-reduction cycles results in a very different product composition: it is more selective toward partial oxidation products and yields much smaller amounts of complete oxidation products. It is established by isothermal and temperature-programmed oxygen desorption that, under the reaction conditions examined, the oxygen desorbed from the catalyst surface into the gas phase makes a negligible contribution to propane oxidation. It is proved by XPS that propane oxidation is due to the chemically bound oxygen of the catalyst. The hypothetical mechanism of the process includes propane activation on Pt followed by the transfer of the activated species to the oxygen-storing component (TiO₂ or CeO₂), where the intermediates are oxidized by chemically bound oxygen.