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WO_(3)-TiO_(2)负载的Pt单原子催化剂光热协同催化丙烷和丙烯氧化
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作者 朱锐杰 康磊磊 +8 位作者 李林 潘晓丽 王华 苏杨 李广亿 程鸿魁 李仁贵 刘晓艳 王爱琴 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第1期26-27,共2页
单原子催化剂(single-atom catalyst,SAC)可以最大化金属原子利用率,并具有独特的电子特性,已经在各种催化反应中进行了广泛的探索。然而,与纳米催化剂相比,贵金属SAC在烃类氧化反应中通常被认为是不活泼的。在本文中,证明了WO_(3)-TiO_... 单原子催化剂(single-atom catalyst,SAC)可以最大化金属原子利用率,并具有独特的电子特性,已经在各种催化反应中进行了广泛的探索。然而,与纳米催化剂相比,贵金属SAC在烃类氧化反应中通常被认为是不活泼的。在本文中,证明了WO_(3)-TiO_(2)负载的Pt SAC(Pt1/WO_(3)-TiO_(2))在光热协同催化氧化C3H8和C3H6这两种典型的挥发性有机化合物(VOCs)中表现出比相应的纳米催化剂(PtNP/WO_(3)-TiO_(2))高得多的活性。研究发现,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)和PtNP/WO_(3)-TiO_(2)都可以通过克服氧中毒来提高光热协同催化C3H8氧化的活性。值得注意的是,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)的反应速率达到了3792μmol∙gPt−1∙s^(−1),这对C3H8氧化是一个新的突破。更有趣的是,由于C3H6在PtNP/WO_(3)-TiO_(2)上的强吸附导致催化剂C3H6中毒,因此PtNP/WO_(3)-TiO_(2)上的光热协同催化C3H6氧化无法进行。但是,得益于C3H6和Pt单原子之间适中的相互作用,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)上的C3H6中毒在光照下可以被克服。因此,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)在光热协同催化C3H6氧化中显示出更高的活性。这项工作表明,SAC的优势不仅在于节约贵金属,还在于可以根据其独特的电子特性发现新的催化反应。 展开更多
关键词 单原子催化剂 光热协同催化 氧化反应 氧中毒 丙烯中毒
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氧化还原驱动的高活性Pd/PdO表面界面促进低温甲烷燃烧
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作者 谈源龙 张亚峰 +10 位作者 高雅 马静远 赵晗 顾青青 苏杨 徐晓燕 王爱琴 杨冰 张国旭 刘晓艳 张涛 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第5期242-252,共11页
天然气汽车尾气中尚未充分燃烧的甲烷是一种典型的温室气体之一,其温室效应远超二氧化碳,达到后者的20倍以上.因此,减少甲烷的排放对于有效应对气候变化至关重要.目前,以Pd/Al_(2)O_(3)为基础催化剂的催化燃烧反应,已被证实为减少甲烷... 天然气汽车尾气中尚未充分燃烧的甲烷是一种典型的温室气体之一,其温室效应远超二氧化碳,达到后者的20倍以上.因此,减少甲烷的排放对于有效应对气候变化至关重要.目前,以Pd/Al_(2)O_(3)为基础催化剂的催化燃烧反应,已被证实为减少甲烷排放的最为切实可行的技术手段.深入了解钯基催化剂的活性结构不仅有助于合理设计高效的催化体系,还能在很大程度上减少贵金属钯的使用量.然而,在甲烷燃烧反应过程中,由于氧化还原气氛的复杂性,Pd金属的表面容易转变为不同结构,这增加了研究其活性结构的难度.此外,催化剂的制备方法、载体的性质、预处理的气氛以及温度等因素均会对Pd的价态和粒径效应产生影响,使得Pd基催化剂在甲烷燃烧反应中的活性结构至今仍存在争议.为了深入研究这一问题,本文选用商业化的纳米级γ-Al_(2)O_(3)作为载体,采用易于工业化应用的浸渍法制备了Pd/Al_(2)O_(3)催化剂,并研究其在低温(200-400℃)贫燃条件下的活性结构.球差电镜结果表明,催化剂中的Pd纳米颗粒在不同气氛中经800℃高温预处理后呈现出不同的结构特点.氦气处理后的催化剂中,Pd以完全金属态的形式存在;氧气处理后的催化剂中,Pd以PdO的形式存在;甲烷燃烧反应气处理后的催化剂中,PdO大颗粒上存在金属Pd小颗粒,呈现出“荔枝型”Pd/PdO结构.准原位X射线光电子能谱和原位X射线吸收谱等结果表明,“荔枝型”Pd/PdO结构是在甲烷燃烧反应中受氧化还原气氛诱导形成的.该独特的“荔枝型”Pd/PdO结构的催化剂在300℃甲烷燃烧反应中,表现出337.8μmol gPd^(-1) s^(-1)的反应速率,分别是纯金属Pd和PdO型催化剂反应速率的10.7倍和15.5倍.进一步研究表明,无论催化剂中Pd的初始状态为金属态或是氧化态,高活性的“荔枝型”Pd/PdO结构都可以在较低温度(500℃)的长时间(12 h)甲烷燃烧反应中缓慢生成.通过调节预处理气氛中甲烷与氧气的相对浓度,可以实现689.2μmol gPd-1 s^(-1)的反应速率,高于文献已报道的Pd基催化剂在相似反应条件下的活性.密度泛函理论计算结果表明,相对于金属Pd和PdO,甲烷在Pd/PdO界面处表现出最低(0.40 eV)的自由能势垒,这表明由于界面处金属Pd和PdO的协同作用,甲烷断裂第一个C-H键的解离活化过程更容易发生,从而解释了“荔枝型”Pd/PdO结构高催化活性的来源.综上,本文通过先进的球差电镜和原位光谱表征技术,为深入认识甲烷燃烧钯基催化剂活性结构提供了新的角度.研究发现,反应过程中因气氛诱导而生成的高活性结构可能是重要的活性中心,这一观点不仅有助于理解甲烷燃烧反应的机理,而且可以为其他氧化还原催化体系的研究以及工业催化剂的设计制备提供参考. 展开更多
关键词 原位表征 纳米颗粒 甲烷燃烧 界面
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Sn1Pt单原子合金催化剂在丙烷脱氢反应中的应用 被引量:2
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作者 邢亚楠 康磊磊 +10 位作者 马静远 蒋齐可 苏杨 张盛鑫 徐晓燕 李林 王爱琴 刘智攀 马思聪 刘晓艳 张涛 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第5期164-174,共11页
丙烯是生产聚丙烯、各类丙烷氧化物、丙烯腈的重要化工原料.近年来,随着丙烯需求量日益增长,作为一种专产丙烯的生产方式,丙烷脱氢(PDH)受到了越来越多的关注.PtSn/Al_(2)O_(3)是一种典型的工业丙烷脱氢催化剂,其特征是催化活性会随反... 丙烯是生产聚丙烯、各类丙烷氧化物、丙烯腈的重要化工原料.近年来,随着丙烯需求量日益增长,作为一种专产丙烯的生产方式,丙烷脱氢(PDH)受到了越来越多的关注.PtSn/Al_(2)O_(3)是一种典型的工业丙烷脱氢催化剂,其特征是催化活性会随反应时间的推移而下降,因此需要反复再生以保证丙烯产率.提高PtSn催化剂的稳定性,需要明确反应状态下PtSn的催化性能与其结构之间的关系.然而,Pt和Sn的价态及其相互作用,对制备方法、预还原条件、载体类型等因素非常敏感,此外,从Pt-Sn二元相图来看,二者在高温(~600℃)还原性反应气氛下可形成多种合金结构,因此,PtSn在丙烷脱氢中的活性位结构的认识颇具挑战,目前文献报道结果仍存在争议.本文选用商业化的纳米级γ-Al_(2)O_(3)作为载体,通过利用纳米载体上只能担载有限数量的金属原子和加入过量的第二金属Sn稀释活性金属Pt的方式,得到高分散的PtSn/nano-Al_(2)O_(3)催化剂.当Pt和Sn的负载量分别为0.1 wt%和1 wt%时,其初始丙烯产率可达到47.6 molC_(3)H_(6)gPt^(-1)h^(-1),高于文献已报道的PtSn双金属催化剂,该催化剂经3-10 h活性快速下降期(k_(d-3h):0.11h^(-1))后,表现出较好的稳定性(k_(d-10~40h):0.0026 h^(-1)).球差电镜(AC-HAADF-STEM)表征结果显示,该催化剂经500℃焙烧后,Pt及Sn在Al_(2)O_(3)载体上均呈单原子分散状态;经600℃氢气还原后,Pt团聚为平均直径约0.85 nm的纳米颗粒;通过对其进行能谱点扫分析,发现Pt纳米颗粒上分布有少量的Sn原子,而剩余大量的Sn原子则继续以单原子形式分布在载体上.进一步原位X射线光电子能谱和原位X射线吸收能谱结果证明,该催化剂中纳米颗粒的具体组成为Sn单原子分散在Pt纳米颗粒表面,形成S_(n1)Pt表面单原子合金结构.密度泛函理论理论计算证明了S_(n1)Pt表面单原子合金结构的稳定性及其在丙烷脱氢中的高活性.最后结合原位CO吸附的漫反射红外光谱等表征,揭示了催化剂反应初期活性下降及后期高稳定性的内在原因:催化剂经还原后形成了高活性的S_(n1)Pt表面单原子合金结构,在反应过程中,该结构演变为纯相Pt_(3)Sn金属间化合物,其与周围呈单分散的SnOx物种协同作用,抑制和转移在活性中心上的积碳,进而实现了高稳定性.这种通过单原子表面合金演变得到的Pt_(3)Sn金属间化合物,与传统Pt与Pt_(3)Sn等金属化合物混相共存的工业催化剂相比,可以避免丙烯在催化剂表面单金属Pt平台位点上的深度脱氢和积碳,进而提高了催化剂稳定性.综上,本文从原子水平上为PDH反应中PtSn/Al_(2)O_(3)催化剂的活性位结构及其演化过程提供了新的见解,并为工业催化剂的设计制备提供了理论参考. 展开更多
关键词 丙烷脱氢 丙烯 Pt-Sn催化剂 结构重构 单原子合金
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硫酸化氧化锆负载的Ru单原子催化甲烷直接转化制甲醇 被引量:2
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作者 刘华 康磊磊 +3 位作者 王华 蒋齐可 刘晓艳 王爱琴 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第3期64-71,共8页
天然气作为一种低碳清洁能源,其储量大、价格低、热值高,被认为是最有前途的石油替代资源之一.甲烷是天然气的主要成分,直接转化为甲醇是有效利用甲烷的一种途径,也是一个极具挑战性的课题.一方面,甲烷的C-H键(439.3 kJ^·mol^(-1)... 天然气作为一种低碳清洁能源,其储量大、价格低、热值高,被认为是最有前途的石油替代资源之一.甲烷是天然气的主要成分,直接转化为甲醇是有效利用甲烷的一种途径,也是一个极具挑战性的课题.一方面,甲烷的C-H键(439.3 kJ^·mol^(-1))强度非常高,活化十分困难;另一方面,在反应条件下,甲醇等产物比甲烷更容易被氧化,从而导致目标产物的选择性不高.因此,设计高效催化剂是解决该难题的有效途径之一.研究(J. Catal., 1993, 144.238-253和Catal. Today, 2021, 365,71-79)发现,硫酸化的氧化锆(SZ)负载的贵金属(例如Pt等)等超强酸催化剂能够促进甲烷在脱氢芳构化反应中的活化.受该工作启发,本文通过模拟均相催化设计了固体超强酸负载的Ru单原子催化剂(SAC),并在温和条件(70 ℃)下将其用于甲烷直接转化制甲醇反应.结果发现,在Ru/SZSAC上的含氧化合物(CH_(3)OH, CH_(3)OOH和HCOOH)收率(18.32 μmol,≥80 h^(-1))显著超过SZ(0.67 μmol)和Ru/ZrO_(2)(0.29 μmol),这表明在Ru/SZSAC上形成了新的活性中心.结合^(13)CH_(4)同位素标记实验、吡啶吸附红外光谱(PY-IR)、电子顺磁共振(EPR)和X射线光电子能谱(XPS)等表征结果,提出了Ru单原子和超强酸位点协同催化甲烷转化制甲醇的反应机理.首先,通过AC-HADDF-STEM证明了Ru/SZSAC的成功制备;PY-IR谱和氨气程序升温脱附结果证明了在该体系中硫酸化处理有效增加了催化剂表面的强酸位点(包括B-酸和L-酸).EPR结果表明,与ZrO_(2)和0.1Ru/ZrO_(2)相比,在SZ和0.1Ru/SZ上产生更多^(·)OH.进一步结合催化剂表面酸性变化情况和文献报道说明,催化剂表面的强酸位点(包括B-酸和L-酸)可以促进H_(2)O_(2)有效分解成^(·)OH和^(·)OOH,而^(·)OH在甲烷活化的过程中起着至关重要的作用,这合理解释了0.1Ru/SZ比0.1Ru/ZrO_(2)催化性能更好的原因.结合XPS结果推测,硫酸根的强吸电子作用使与其相邻的Ru^(δ+)和Zr^(γ+)的价态都高于+4 (δ> 4, γ> 4).综上提出了Ru^(δ+)和Zr^(γ+)协同催化甲烷C-H键断裂的反应机理:CH_(4)和H_(2)O_(2)分别在Ru^(δ+)和Zr^(γ+)上形成Ru^(δ+)-CH_(4)和Zr^(γ+)-^(·)OH;然后, Zr^(γ+)-^(·)OH提取相邻Ru^(δ+)-CH_(4)的氢原子并生成CH_(3)OH.Ru单原子与SZ的协同作用有效地促进了CH_(4)向C1含氧化合物的转化,这为设计高效的多功能协同催化甲烷直接转化制甲醇反应的SACs开辟了新途径. 展开更多
关键词 单原子钌 硫酸化氧化锆 强酸位点 直接CH4转化 协同催化
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Sub-nanometer Pt_(2)In_(3) intermetallics as ultra-stable catalyst for propane dehydrogenation
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作者 yanan Xing Guiyue Bi +11 位作者 xiaoli Pan Qike Jiang Yuanlong Tan yang Su Leilei Kang Bonan Li Lin Li Aiqin Wang Jingyuan Ma xiaofeng yang xiao yan liu Tao Zhang 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第8期304-312,I0009,共10页
Pt-based catalysts are the typical industrial catalysts for propane dehydrogenation(PDH),which still suffer from insufficient lo ng-term durability due to the structu ral instability and coke deposition.A commercial ... Pt-based catalysts are the typical industrial catalysts for propane dehydrogenation(PDH),which still suffer from insufficient lo ng-term durability due to the structu ral instability and coke deposition.A commercial γ-Al_(2)O_(3) supported thermally robust sub-nanometer Pt2In3intermetallic catalyst with atomically ordered structure and rigorously separated Pt single atoms was fabricated,which showed outstanding robustness in 240 h long-term operation at 600℃ with the deactivation rate constant kdas low as0.00078 h^(-1), ranking among the lowest reported values.Based on various in situ characterizations and theoretical calculations,it was proved that the catalyst stability not only resulted from the separated Pt single-atom sites but also significantly affected by the distance of adjacent Pt atoms.An increasing distance to 3.25 A in the Pt_(2)In_(3)could induce a weak π-adsorption configuration of propylene on Pt sites,which facilitated the desorption of propylene and restrained the side reactions like coking. 展开更多
关键词 Propane dehydrogenation PROPYLENE Pt-In catalyst Intermetallic compounds Pt_(2)ln_(3)
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Effective removal of the protective ligands from Au nanoclusters by ambient pressure nonthermal plasma treatment for CO oxidation 被引量:2
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作者 Yuan Tan Hua liu +3 位作者 xiao yan liu Aiqin Wang Changjun liu Tao Zhang 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期929-936,共8页
We used a dielectric barrier discharge(DBD)plasma technique to eliminate the protective ligand of ZnAl-hydrotalcite-supported gold nanoclusters.We used X-ray powder diffraction,ultraviolet-visible spectrophotometry,th... We used a dielectric barrier discharge(DBD)plasma technique to eliminate the protective ligand of ZnAl-hydrotalcite-supported gold nanoclusters.We used X-ray powder diffraction,ultraviolet-visible spectrophotometry,thermogravimetric analysis,and high angle annular dark-field-scanning transmission electron microscopy characterization to show that the samples pretreated with/without DBD-plasma displayed different performances in CO oxidation.The enhanced activity was obtained on the plasma-treated samples,implying that the protective ligand was effectively removed via the plasma technique.The crystal structure of the plasma-treated samples changed markedly,suggesting that the plasma treatment could not only break the chemical bond between the gold and the protective agent but could also decompose the interlayer ions over the hydrotalcite support.The particle sizes of the gold after DBD-plasma treatment implied that it was a good way to control the size of the gold nanoparticles under mild conditions. 展开更多
关键词 Gold cluster PLASMA Supported gold catalyst Protective ligand Carbon monoxide oxidation
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