准原位XPS和HS-LEIS研究载体对PtCu合金纳米催化剂表面组成的影响

黄俊杰 宋艳英 马冬冬 郑燕萍 陈明树 万惠霖

引用本文: 黄俊杰,  宋艳英,  马冬冬,  郑燕萍,  陈明树,  万惠霖. 准原位XPS和HS-LEIS研究载体对PtCu合金纳米催化剂表面组成的影响[J]. 催化学报, 2017, 38(7): 1229-1236. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62857-2 shu
Citation:  Junjie Huang,  Yanying Song,  Dongdong Ma,  Yanping Zheng,  Mingshu Chen,  Huilin Wan. The effect of the support on the surface composition of PtCu alloy nanocatalysts:In situ XPS and HS-LEIS studies[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(7): 1229-1236. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62857-2 shu

准原位XPS和HS-LEIS研究载体对PtCu合金纳米催化剂表面组成的影响

  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展计划(973计划,2013CB933102);国家自然科学基金(21273178,21573180,91545204);厦门卓越生物质柴油有限公司.

摘要: Pt是一类高效、稳定的催化剂,但Pt资源短缺且价格昂贵,限制了其广泛商业化应用.合金化可以使Pt的用量大为减少,且往往能显著提高其催化性能,因而广泛应用于多相催化和电催化.其中PtCu合金是一类很有前景的催化剂,Cu资源丰富、价格低廉,不仅降低了成本,而且由于合金效应提高了催化剂的活性和稳定性.由于合金的粒径、形状、组成及结构是影响其催化性能的重要因素,目前研究大多关注这些特征的可控合成.
然而,大多工业金属催化剂都是负载于氧化物上以提高催化性能,合金纳米粒子的形貌以及表面组成因与载体作用而发生改变,也就是所谓的载体效应.这体现在金属/氧化物界面处,能够促进金属粒子分散、改变其形貌甚至化学态、进而改变其催化性能,其中最具代表性的金属-载体强相互作用.因此,研究不同氧化物载体上合金催化剂的分散度、表面组成、化学态,特别是不同气氛的影响,对明确影响催化剂性能的关键控制因素非常重要.但是由于多相催化剂的复杂性,且表面灵敏的测试手段很少,目前相关报道还不多.近年发展起来的高灵敏度低能离子散射谱(HS-LEIS)是表面层灵敏的测试技术,可以测定最表面层的组成和含量.
本文采用溶剂热共还原法成功制备了均一单相、粒径分布较窄的PtCux合金纳米颗粒,并运用浸渍法将其负载在TiO2载体上,以保证载体上纳米粒子组成的均一性.应用准原位X-射线光电子能谱(XPS)和高HS-LEIS对负载的PtCu合金纳米催化剂在不同条件处理后的表面组成和化学状态进行表征,发现催化剂的表面组成、分布、形貌和化学状态显著受到载体和处理条件的影响,同时得到负载和未负载的催化剂表面组成与体相组成关系的相图.结果表明,PtCux/TiO2催化剂在连续氧化过程中,Cu被氧化并较好在载体表面铺展,Pt-Cu合金状态被破坏,Pt可能主要形成单一金属的纳米粒子,并在界面处形成Ptδ+.在连续还原过程中,部分被还原的Cu,与Pt形成富Pt合金粒子.催化剂表面层主要是Cu,Pt很少,与体相组成有很大差别,说明载体对Cu的分散起到重要作用.

English

    1. [1] M. S. Chen, D. Kumar, C. W. Yi, D. W. Goodman, Science, 2005, 310, 291-293.

    2. [2] M. S. Chen, D. W. Goodman, Chin. J. Catal., 2008, 29, 1178-1186.

    3. [3] T. Komatsu, A. Tamura, J. Catal., 2008, 258, 306-314.

    4. [4] D. Liang, J. Gao, J. H. Wang, P. Chen, Y. F. Wei, Z. Y. Hou, Catal. Commun., 2011, 12, 1059-1062.

    5. [5] S. H. Zhou, B. Varughese, B. Eichhorn, G. Jackson, K. McIlwrath, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4539-4543.

    6. [6] L. Y. Li, Z. Y. Xu, F. L. Liu, Y. Shao, J. H. Wang, H. Q. Wan, S. R. Zheng, J. Photochem. Photobio. A, 2010, 212, 113-121.

    7. [7] J. Knudsen, A. U. Nilekar, R. T. Vang, J. Schnadt, E. L. Kunkes, J. A. Dumesic, M. Mavrikakis, F. Besenbacher, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6485-6490.

    8. [8] F. Papa, A. Miyazaki, M. Scurtu, A. C. Ianculescu, I. Balint, J. Nano-part. Res., 2014, 16, 2249/1-2249/12.

    9. [9] W. J. Kang, R. Li, D. H. Wei, S. L. Xu, S. Y. Wei, H. B. Li, RSC Adv., 2015, 5, 94210-94215.

    10. [10] H. Xu, Q. Fu, X. H. Bao, Chin. J. Catal., 2013, 34, 2029-2035.

    11. [11] H. D. Zhao, C. Z. Yu, H. J. You, S. C. Yang, Y. Guo, B. J. Ding, X. P. Song, J. Mater. Chem., 2012, 22, 4780-4789.

    12. [12] Y. X. Wang, H. J. Zhou, P. C. Sun, T. H. Chen, J. Power Sources, 2014, 245, 663-670.

    13. [13] Y. J. Li, F. X. Quan, E. B. Zhu, L. Chen, Y. Huang, C. F. Chen, Nano Res., 2015, 8, 3342-3352.

    14. [14] G. L. Zhang, Z. Z. Yang, W. Zhang, H. W. Hu, C. Z. Wang, C. D. Huang, Y. X. Wang, Nanoscale, 2016, 8, 3075-3084.

    15. [15] D. Xu, S. Bliznakov, Z. D. Liu, J. Y. Fang, N. Dimitrov, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 1282-1285.

    16. [16] X. Y. Zhao, B. B. Luo, R. Long, C. M. Wang, Y. J. Xiong, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4134-4138.

    17. [17] Y. Q. Jiang, Y. Y. Jia, J. W. Zhang, L. Zhang, H. Huang, Z. X. Xie, L. S. Zheng, Chem. Eur. J., 2013, 19, 3119-3124.

    18. [18] Y. Y. Jia, Y. Q. Jiang, J. W. Zhang, L. Zhang, Q. L. Chen, Z. X. Xie, L. S. Zheng, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 3748-3751.

    19. [19] J. P. Lai, L. Zhang, W. J. Qi, J. M. Zhao, M. Xu, W. Y. Gao, G. B. Xu, ChemCatChem, 2014, 6, 2253-2257.

    20. [20] M. L. Xiao, S. T. Li, X. Zhao, J. B. Zhu, M. Yin, C. P. Liu, W. Xing, ChemCatChem, 2014, 6, 2825-2831.

    21. [21] W. Hong, J. Wang, E. Wang, Nano Res., 2015, 8, 2308-2316.

    22. [22] B. Y. Xia, H. B. Wu, X. Wang, X. W. Lou, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 13934-13937.

    23. [23] E. Taylor, S. T. Chen, J. Tao, L. J. Wu, Y. M. Zhu, J. Y. Chen, ChemSus-Chem, 2013, 6, 1863-1867.

    24. [24] S. F. Fu, C. Z. Zhu, Q. R. Shi, H. B. Xia, D. Du, Y. H. Lin, Nanoscale, 2016, 8, 5076-5081.

    25. [25] X. H. Sun, K. Z. Jiang, N. Zhang, S. J. Guo, X. Q. Huang, ACS Nano, 2015, 7, 7634-7640.

    26. [26] J. N. Wang, H. X. Dai, H. He, Chin. J. Catal., 2011, 32, 1329-1335.

    27. [27] C. M. Wang, S. Bai, Y. J. Xiong, Chin. J. Catal. 2015, 36, 1476-1493.

    28. [28] S. J. Tauster, Acc. Chem. Res., 1987, 20, 389-394.

    29. [29] Q. Fu, T. Wagner, Surf. Sci. Rep., 2007, 62, 431-498.

    30. [30] D. S. Mao, G. Z. Lu, Q. L. Chen, Chin. J. Catal., 2004, 25, 501-510.

    31. [31] S. Schauermann, N. Nilius, S. Shaikhutdinov, H. J. Freund, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1673-1681.

    32. [32] Q. Fu, F. Yang, X. H. Bao, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1692-1701.

    33. [33] X. N. Chen, J. Y. Chen, Y. Zhao, M. S. Chen, H. L. Wan, Chin. J. Catal., 2012, 33, 1901-1905.

    34. [34] L. Dong, X. J. Yao, Y. Chen, Chin. J. Catal., 2013, 34, 851-864.

    35. [35] X. J. Yao, F. Gao, L. Dong, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1975-1985.

    36. [36] Y. Y. Jia, J. Y. Su, Z. B. Chen, K. Tan, Q. L. Chen, Z. M. Cao, Y. Q. Jiang, Z. X. Xie, L. S. Zheng, RSC Adv., 2015, 5, 18153-18158.

    37. [37] C. D. Wagner, W. M. Riggs, L. E. Davis, J. F. Mouler, G. E. Muilenberg, Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, Perkin-elmer Cor-poration, Physical Electronics Division, Eden Prairie, Minnesota, USA, 1979, 190.

    38. [38] C. C. Chusuei, D. W. Goodman, X-ray Photoelectron Spectroscopy, In Encyclopedia of Physical Science and Technology, 3rd edition. R. A. Meyers, ed. Academic Press, NY, 2002, 17, 921-938.

    39. [39] E. B. Fox, A. F. Lee, K. Wilson, C. S. Song, Top. Catal., 2008, 49, 89-96.

    40. [40] S. Cao, J. R. Monnier, C. T. Williams, W. J. Diao, J. R. Regalbuto, J. Catal., 2015, 326, 69-81.

    41. [41] S. Alayoglu, G. A. Somorjai, Top. Catal., 2015, 59, 420-438.

    42. [42] E. Taglauer, W. Heiland, Appl. Phys., 1976, 9, 261-275.

    43. [43] M. Casagrande, S. Lacombe, L. Guillemot, V. A. Esaulov, Surf. Sci. Rep., 2000, 445, L36-L40.

    44. [44] H. R. J. ter Veen, T. Kim, I. E. Wachs, H. H. Brongersma, Catal. To-day, 2009, 140, 197-201.

    45. [45] Z. Xu, H. M. Zhang, S. S. Liu, B. S. Zhang, H. X. Zhong, D. S. Su, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37, 17978-17983.

    46. [46] N. Barrabés, A. Frare, K. Föttinger, A. Urakawa, J. Llorca, G. Rup-prechter, D. Tichit, Appl. Clay Sci., 2012, 69, 1-10.

    47. [47] D. R. Butcher, M. E. Grass, Z. H. Zeng, F. Aksoy, H. Bluhm, W. X. Li, B. S. Mun, G. A. Somorjai, Z. Liu, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 20319-20325.

    48. [48] R. T. Mu, Q. Fu, H. Y. Liu, D. L. Tan, R. S. Zhai, X. H. Bao, Appl. Surf. Sci., 2009, 255, 7296-7301.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  1250
  • HTML全文浏览量:  153
文章相关
  • 收稿日期:  2017-04-11
  • 修回日期:  2017-05-12
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章