CO氧化反应中的二氧化铈晶面效应

昂美玉 王伟伟 严涵 卫帅 贾春江

引用本文: 昂美玉,  王伟伟,  严涵,  卫帅,  贾春江. CO氧化反应中的二氧化铈晶面效应[J]. 催化学报, 2020, 41(6): 1017-1027. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63533-1 shu
Citation:  Yu Aung May,  Wei-Wei Wang,  Han Yan,  Shuai Wei,  Chun-Jiang Jia. Insights into facet-dependent reactivity of CuO-CeO2 nanocubes and nanorods as catalysts for CO oxidation reaction[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(6): 1017-1027. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63533-1 shu

CO氧化反应中的二氧化铈晶面效应

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21622106,21771117,21805167);山东省自然科学基金(JQ201703,ZR2018BB010);山东省泰山学者计划;山东大学青年学者未来计划(11190089964158).

摘要: 二氧化铈(CeO2)因其具有较强的储放氧能力,被用作氧化还原反应的催化材料.自2005年,研究者制备出形貌可控的CeO2纳米棒、纳米立方块和纳米多面体,在CeO2形貌控制及构效关系研究方面取得长足发展.各种结构表征手段包括原位拉曼(in situ Raman)、原位傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFTS)、核磁共振(NMR)和电镜等被用来研究不同形貌CeO2的表面结构和在催化反应中的活性差异.一般的活性规律为CeO2纳米棒({110}/{100}) > 纳米立方块({100}) > 纳米多面体({111}/{100}).
近年来,负载型CeO2催化剂因其能稳定分散金属,通过金属-载体相互作用调控界面电子结构并表现出优异的催化活性而引起广泛关注,其中晶面效应在负载型CeO2催化体系中显得较为复杂.铜铈催化剂被认为是非常经济有效的CO氧化催化剂,然而由于制备和测试条件差异导致的CeO2晶面对铜铈催化剂催化CO氧化活性的影响规律并不统一.我们之前的研究工作发现纳米棒CeO2-{110}晶面上的Cu-[Ox]-Ce结构不利于形成Cu(I),而纳米颗粒CeO2-{111}晶面上的CuOx团簇很容易形成Cu(I),从而对CO催化氧化极为有利,这与纯载体CeO2的规律并不一致.与此同时,对于铜负载的CeO2纳米棒(NR)及纳米立方体(NC)所体现的性质及活性差异缺少系统深入的研究.
在上述工作基础上,我们采用沉积沉淀法在CeO2NR及CeO2NC上负载1% wt的铜分别得到1CuCe NR和1CuCe NC,并对所合成催化剂的结构和吸附性能进行了表征.高分辨透射电镜(HRTEM)照片显示,CeO2纳米棒主要暴露{110}晶面,而CeO2纳米立方体以{100}晶面为主.催化测试结果表明,1CuCe NC在130 ℃时CO已完全转化为CO2,而相同温度下1CuCe NR只有50%转化.进一步通过氢气程序升温还原(H2-TPR)和一氧化碳程序升温脱附(CO-TPD)分析发现,1CuCe NC催化剂具有较强的还原性且表面氧物种含量高.此外,X射线光电子能谱(XPS)和in situ DRIFTS研究表明,1CuCe NC促进Cu(I)位点生成,导致活性Cu(I)-CO物种增多,这些优异的化学性质导致其具有较高的催化CO氧化活性.

English

    1. [1] A. Trovarelli, Catal. Rev. Sci. Eng., 1996, 38, 439-520.

    2. [2] H. S. Gandhi, G. W. Graham, R. W. McCabe, J. Catal., 2003, 216, 433-442.

    3. [3] C. Schilling, M. V. Ganduglia-Pirovano, C. Hess, J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9, 6593-6598.

    4. [4] S. Park, J. M. Vohs, R. J. Gorte, Nature, 2000, 404, 265-267.

    5. [5] K. B. Zhou, X. Wang, X. M. Sun, Q. Peng, Y. D. Li, J. Catal., 2005, 229, 206-212.

    6. [6] P. X. Huang, F. Wu, B. L. Zhu, X. P. Gao, H. Y. Zhu, T. Y. Yan, W. P. Huang, S. H. Wu, D. Y. Song, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 19169-19174.

    7. [7] U. M. Bhatta, D. Reid, T. Sakthivel, T. X. T. Sayle, D. Sayle, M. Molinari, S. C. Parker, I. M. Ross, S. Seal, G. Möbus, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 24561-24569.

    8. [8] P. Sudarsanam, B. Hillary, B. Mallesham, B. G. Rao, M. H. Amin, A. Nafady, A. M. Alsalme, B. M. Reddy, S. K. Bhargava, Langmuir, 2016, 32, 2208-2215.

    9. [9] S. Agarwal, X. Zhu, E. J. M. Hensen, B. L. Mojet, L. Lefferts, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 12423-12433.

    10. [10] E. Aneggi, D. Wiater, C. de Leitenburg, J. Llorca, A. Trovarelli, ACS Catal., 2014, 4, 172-181.

    11. [11] A. Trovarelli, J. Llorca, ACS Catal., 2017, 7, 4716-4735.

    12. [12] Y. Cao, L, Zhao, T. Gutmann, Y. P. Xu, L. Dong, G. Buntkowsky, F. Gao, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 20402-20409.

    13. [13] Y. Y. Lin, Z. L. Wu, J. G. Wen, K. L. Ding, X. Y. Yang, K. R. Poeppelmeier, L. D. Marks, Nano Lett., 2015, 15, 5375-5381.

    14. [14] M. Cargnello, P. Fornasiero, R. J. Gorte, Catal. Lett., 2012, 142, 1043-1048.

    15. [15] M. Konsolakis, Z. Ioakeimidis, Appl. Surf. Sci., 2014, 320, 244-255.

    16. [16] S. Gatla, D. Aubert, G. Agostini, O. Mathon, S. Pascarelli, T. Lunkenbein, M. G. Willinger, H. Kaper, ACS Catal., 2016, 6, 6151-6155.

    17. [17] Z. C. Zhang, B. Xu, X. Wang, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 7870-7886.

    18. [18] R. Si, M. Flytzani-Stephanopoulos, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 2884-2887.

    19. [19] Z. Hu, X. F. Liu, D. M. Meng, Y. Guo, Y. L. Guo, G. Z. Lu, ACS Catal., 2016, 6, 2265-2279.

    20. [20] M. Zabilskiy, P. Djinovic, E. Tchernychova, O. P. Tkachenko, L. M. Kustov, A. Pintar, ACS Catal., 2015, 5, 5357-5365.

    21. [21] Z. L. Wu, M. J. Li, J. Howe, H. M. Meyer III, S. H. Overbury, Langmuir, 2010, 26, 16595-16606.

    22. [22] M. Nolan, S. C. Parker, G. W. Watson, Surf. Sci., 2005, 595, 223-232.

    23. [23] H. X. Mai, L. D. Sun, Y. W. Zhang, R. Si, W. Feng, H. P. Zhang, H. C. Liu, C. H. Yan, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 24380-24385.

    24. [24] C. W. Yang, X. J. Yu, S. Heißler, P. G. Weidler, A. Nefedov, Y. M. Wang, C. Wöll, T. Kropp, J. Paier, J. Sauer, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16399-16404.

    25. [25] Z. L. Wu, M. J. Li, S. H. Overbury, J. Catal., 2012, 285, 61-73.

    26. [26] M. Piumetti, T. Andana, S. Bensaid, N. Russo, D. Fino, R. Pirone, Nanoscale. Res. Lett., 2016,11, 165.

    27. [27] G. N. Li, B. H. Wu, L. Li, J. Mol. Catal. A, 2016, 424, 304-310.

    28. [28] J. Gimenez-Manogil, A. Garcia-Garcia, Appl. Catal. A, 2017, 542, 226-239.

    29. [29] S. S. Sun, D. S. Mao, J. Yu, Z. Q. Yang, G. Z. Lu, Z. Ma, Catal. Sci. Technol., 2015, 5(6), 3166-3181.

    30. [30] W. W. Wang, W. Z. Yu, P. P. Du, H. Xu, Z. Jin, R. Si, C. Ma, S. Shi, C. J. Jia, C. H. Yan, ACS Catal., 2017, 7, 1313-1329.

    31. [31] M. Lykakia, E. Pachatouridoub, S. A. C. Carabineiro, E. Iliopoulou, C. Andriopoulou, N. Kallithrakas-Kontos, S. Boghosian, M. Konsolakis, Appl. Catal. B, 2018, 230, 18-28.

    32. [32] G. M. Lyu, Y. J. Wang, X. Huang, H. Y. Zhang, L. D. Sun, Y. J. Liu, C. H. Yan, Nanoscale, 2016, 8, 7923-7932.

    33. [33] X. J. Yao, L. Chen, J. Cao, F. M. Yang, W. Tan, L. Dong, Ind. Eng. Chem. Res., 2018, 57, 37, 12407-12419.

    34. [34] Y. Liu, C. Wen, Y. Guo, G. Z. Lu, Y. Q. Wang, J. Mol. Catal. A, 2010, 316, 59-64.

    35. [35] S. Y. Lai, Y. F. Qiu, S. J. Wang, J. Catal., 2006, 237, 303-313.

    36. [36] L. Qi, Q. Yu, Y. Dai, C. J. Tang, L. J. Liu, H. L. Zhang, F. Gao, L. Dong, Y. Chen, Appl. Catal. B, 2012, 119-120, 308-320.

    37. [37] C. Shi, H. Chang, C. Wang, T. Zhang, Y. Peng, M. G. Li, Y. Y. Wang, Ind. Eng. Chem. Res., 2018, 57, 3, 920-926.

    38. [38] D. K. Chen, D. D. He, J. C. Lu, L. P. Zhong, F. Liu, J. P. Liu, J. Yu, G. P. Wan, S. F. He, Y. M. Luo, Appl. Catal. B, 2017, 218, 249-259.

    39. [39] W. W. Wang, P. P. Du, S. H. Zou, H. Y. He, R. X. Wang, Z. Jin, S. Shi, Y. Y. Huang, R. Si, Q. S. Song, C. J. Jia, C. H. Yan, ACS Catal., 2015, 5, 2088-2099.

    40. [40] W. Q. Song, A. S. Poyraz, Y. T. Meng, Z. Ren, S. Y. Chen, S. L. Suib, Chem. Mater., 2014, 26, 4629-4639.

    41. [41] A. Hornes, P. Bera, A. L. Camara, D. Gamarra, G. Munuera, A. Martinez-Arias, J. Catal., 2009, 268, 367-375.

    42. [42] M. Manzoli, R. D. Monte, F. Boccuzzi, S. Coluccia, J. Kaspar, Appl. Catal. B, 2005, 61, 192-205.

    43. [43] R. Kydd, D. Ferri, P. Hug, J. Scott, W. Y. Teoh, R. Amal, J. Catal., 2011, 277, 64-71.

    44. [44] X. L. Guo, R. X. Zhou, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 3862-3871.

    45. [45] M. B. Padley, C. H. Rochester, G. J. Hutchings, F. King, J. Catal., 1994, 148, 438-452.

    46. [46] S. Wei, X. P. Fu, W. W. Wang, Z. Jin, Q. S. Song, C. J. Jia, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 4928-4936.

    47. [47] M. Tinoco, S. Fernandez-Garcia, M. Lopez-Haro, A. b. Hungria, X. Chen, G. Blanco, J. A. Perez-Omil, S. E. Collins, H. Okuno, J. J Calvino, ACS Catal., 2015, 5, 3504-3513.

    48. [48] N. Ta, J. Y. Liu, S. Chenna, P. A. Crozier, Y. Li, A. Chen, W. J. Shen, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 20585-20588.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  23
  • 文章访问数:  473
  • HTML全文浏览量:  62
文章相关
  • 收稿日期:  2019-10-30
  • 修回日期:  2019-12-17
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