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金属载体强相互作用增强Au/TiO2催化剂在3-硝基苯乙烯选择性加氢反应的活性
引用本文:洪峰,王升扬,张军营,付俊红,蒋齐可,孙科举,黄家辉.金属载体强相互作用增强Au/TiO2催化剂在3-硝基苯乙烯选择性加氢反应的活性[J].催化学报,2021,42(9):1530-1537.
作者姓名:洪峰  王升扬  张军营  付俊红  蒋齐可  孙科举  黄家辉
作者单位:中国科学院大连化学物理研究所, 洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连116023;中国科学院大学, 北京100049;中国科学院大连化学物理研究所, 洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连116023;中国科学院大连化学物理研究所, 催化基础国家重点实验室, 辽宁大连116023;中国科学院大连化学物理研究所, 洁净能源国家实验室(筹), 辽宁大连116023;燕山大学环境与化学工程学院, 应用化学重点实验室, 河北秦皇岛066004
基金项目:Projects of International Cooperation and Exchanges NSFC;National Key R&D Program of China;自然科学基金国际交流合作计划;国家重点研发计划;中国科学院创新研究院合作基金;This work was supported by the"Transformational Technologies for Clean Energy and Demonstration",Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences;洁净能源示范变革性技术-中科院战略先导专项;DNL Cooperation Fund,CAS;and the National Natural Science Foundation of China;国家自然科学基金
摘    要:自Haruta与Hutchings于上世纪八十年代末发现金纳米催化剂优异的反应活性以来,科研人员对金催化的应用领域进行了广泛而深入地研究.对金催化科学和应用领域的研究一直在进行.大量的研究表明,金催化剂在各种选择性氧化反应中具有优异的催化性能(高活性和高选择性).然而,在催化加氢反应中,尽管金催化剂相比于铂族金属显示出优越的选择性,但是由于金催化剂选择性加氢反应的活性较差,使其在选择性催化加氢反应中的应用受到了极大的限制.研究表明,金催化剂较弱的活化氢气能力是其催化加氢反应活性低的主要原因.研究发现,氢气活化的活性中心可能是界面、负价金、低配位的金原子等.金催化剂具有明显的载体效应,金属-载体之间的相互作用能够显著地改变金催化剂的催化性能.Tauster等研究发现,铂族金属与还原性载体之间存在强相互作用,能够引发载体包覆金属表面,并且使得电子从载体向金属迁移,导致金属带负电.受金属-载体强相互作用(SMSI)效应的启发,本文探究了Au/TiO2催化剂中SMSI对金催化剂加氢性能的影响.在H2或O2气氛下高温焙烧Au/TiO2,获得一系列金催化剂(Au/TiO2-TA,T为焙烧温度(oC):300、400、500和600;A为气氛:H2或O2).对比在3-硝基苯乙烯(3-NS)选择性加氢反应中的活性发现,Au/TiO2-500H的TOF值是Au/TiO2-500O的3.3倍;动力学测试表明,Au/TiO2-500H和Au/TiO2-500O的反应表观活化能分别为79.5和105.1 kJ/mol.这表明两类催化剂催化活性中心的结构存在差异.X射线光电子能谱测试结果表明,Au/TiO2-H样品中Au带部分负电,而Au/TiO2-O中Au显示为金属态.HAADF-STEM和EELS显示,Au/TiO2-H中Au NPs的表面有TiOx物种,增加了Au-TiO2的界面.EPR结果表明,Au/TiO2-H中存在表面Ti3+物种,而Au/TiO2-O样品中则没有.为确认加氢反应的活性中心到底是界面还是负价金物种,本文探究了不同温度下氢气处理的Au/TiO2的结构与性能的关系,发现Au/TiO2-300H/400H/500H催化剂都显示出较好的催化3-NS加氢活性,而Au/TiO2-600H虽然具有更多的负价金物种,但是3-NS选择性加氢反应的活性反而降低,因此,负价金不是活性中心.这是因为不同温度处理的Au/TiO2-H样品中,SMSI的强弱不同,在300、400、500 oC下,SMSI能够增加Au-TiO2的界面长度,从而增强了3-NS加氢反应的活性;而温度达到600 oC,SMSI效应太强,Au NPs被包覆更密实,导致Au/TiO2-600H的3-NS选择性加氢反应的活性下降.密度泛函理论计算表明,Au/TiO2-H样品具有更低的H2解离活化能以及氢转移活化能.氢氘交换反应也进一步验证了SMSI有利于H2的活化.

关 键 词:金催化  金属-载体强相互作用  界面  3-硝基苯乙烯选择性加氢  增强活性

Strong metal-support interaction boosting the catalytic activity of Au/TiO2 in chemoselective hydrogenation
Feng Hong,Shengyang Wang,Junying Zhang,Junhong Fu,Qike Jiang,Keju Sun,Jiahui Huang.Strong metal-support interaction boosting the catalytic activity of Au/TiO2 in chemoselective hydrogenation[J].Chinese Journal of Catalysis,2021,42(9):1530-1537.
Authors:Feng Hong  Shengyang Wang  Junying Zhang  Junhong Fu  Qike Jiang  Keju Sun  Jiahui Huang
Abstract:Gold catalysts have been reported as highly effective catalysts in various oxidation reactions. How-ever, for chemoselective hydrogenation reactions, gold-based catalysts normally show much lower catalytic activity than platinum group metals, even though their selectivities are excellent. Here, we report that the chemoselective hydrogenation activity of 3-nitrostyrene to 3-vinylaniline over Au/TiO2 can be enhanced up to 3.3 times through the hydrogen reduction strategy. It is revealed that strong metal-support interaction, between gold nanoparticles (NPs) and TiO2 support, is intro-duced through hydrogen reduction, resulting in partial dispersion of reduced TiOx on the Au surface. The partially covered Au not only increases the perimeter of the interface between the gold NPs and the support, but also benefits H2 activation. Reaction kinetic analysis and H2-D2 exchange reaction show that H2 activation is the critical step in the hydrogenation of 3-nitrostyrene to 3-vinylaniline. Density functional theory calculations verify that hydrogen dissociation and hydrogen transfer are favored at the interface of gold NPs and TiO2 over the hydrogen-reduced Au/TiO2. This study pro-vides insights for fabricating highly active gold-based catalysts for chemoselective hydrogenation reactions.
Keywords:Gold catalysis  Strong metal support interaction  Interface 3-  Nitrostyrene chemoselective hydrogenation  Boosting activity
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