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“自上而下”构筑TiO_(2)与Pt纳米簇之间的活性界面I:再分散过程和机制
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作者 杜晓蕊 黄一珂 +8 位作者 潘晓丽 江训柱 苏杨 杨静怡 郭亚琳 韩冰 文承彦 王晨光 乔波涛 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第3期237-246,共10页
负载型金属催化剂广泛应用于现代化学化工过程,其中,金属颗粒的尺寸通常对催化性能起着至关重要的作用.尤其是,那些粒径低于2 nm的高分散金属纳米簇,不仅具有接近单原子催化剂的原子利用效率,而且展现出协同活化底物的能力.这使得它们... 负载型金属催化剂广泛应用于现代化学化工过程,其中,金属颗粒的尺寸通常对催化性能起着至关重要的作用.尤其是,那些粒径低于2 nm的高分散金属纳米簇,不仅具有接近单原子催化剂的原子利用效率,而且展现出协同活化底物的能力.这使得它们在特定反应中能够兼具单原子和纳米催化剂的优势,并逐渐受到关注.然而,制备高稳定负载型纳米簇催化剂仍然是一项挑战.传统的“自下而上”制备策略存在成本高、产率低以及复杂配体难以去除等问题.近年来,通过“自上而下”的方法将金属纳米颗粒等聚集体再分散为单原子已经成为一种较普遍的单原子催化剂制备方法,但利用类似策略合成纳米簇催化剂的报道较少.本文通过对TiO_(2)负载的铂纳米颗粒或PtO_(2)粉末进行简单的煅烧,成功制备了高分散且热稳定的铂纳米簇,并通过系统表征和密度泛函理论(DFT)模拟深入研究了这一再分散过程和机制.首先,使用胶体沉淀法合成了TiO_(2)负载的铂纳米颗粒催化剂.在400°C空气中焙烧除去除保护剂后,铂纳米颗粒平均粒径为3.4 nm.然而,当焙烧温度升高至550°C时,Pt纳米颗粒消失,转化为高度分散的纳米簇,平均粒径约为1 nm.X射线光电子能谱和X射线吸收近边结构结果表明,再分散后铂的价态从金属态转变为+4价为主的氧化态;扩展X射线吸收精细结构的拟合结果进一步证实了再分散后铂的高价态和小尺寸.值得注意的是,与大部分金属再分散均形成单原子分散物种不同,本工作中铂在TiO_(2)载体上的再分散以纳米簇为最终物种.为了解释纳米簇的形成,详细研究了金属再分散过程.通过对照试验,排除了表面活性剂的作用,并证实形成氧化铂物种在再分散过程中起关键作用.通过DFT计算评估了可能的氧化铂中间体的化学势,结果表明铂的氧化单体,尤其是Pt_(1)(O_(2))/r110和气态PtO_(2)(g),具有更低的化学势,使得纳米颗粒的分解更有可能发生.进一步通过DFT模拟排除了以Pt_(1)(O_(2))/r110为中间体的表面扩散机理,并指出对于气相捕获机制,PtO_(2)(g)是最可能的气态中间体.模拟结果表明,PtO_(2)(g)分子优先被VTi_(5)c空位捕获并形成P_(tion)-r110位点;该位点可诱导更多的PtO_(2)(g)单体在其上聚集,从而生长为纳米簇;在550°C下焙烧时,其尺寸稳定分布在1 nm左右.综上,本工作提出一种“自上而下”的制备策略,通过金属颗粒在载体表面的再分散过程,成功合成了负载纳米簇催化剂.该制备方法简单可行,易于放大,为实现宏量制备提供了有效途径.同时,深入研究了再分散过程,揭示了纳米簇物种形成的原因和机理,为金属再分散现象提供了新的理解和认识. 展开更多
关键词 多相催化 纳米簇 再分散 金属-氧化物界面 一氧化碳氧化
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“自上而下”构筑TiO_(2)与Pt纳米簇之间的活性界面II:催化一氧化碳氧化反应性能和机理
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作者 杜晓蕊 黄一珂 +8 位作者 潘晓丽 江训柱 苏杨 杨静怡 郭亚琳 韩冰 文承彦 王晨光 乔波涛 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第3期247-254,共8页
CO氧化是工业生产和汽车尾气处理中的重要反应,对控制环境污染具有重要意义.同时,作为结构敏感的常见探针反应,CO氧化对催化基础理论的发展和新型催化剂的开发都起到重要的推动作用,如L-H、MvK机理的提出和发展、单原子催化剂的发现和... CO氧化是工业生产和汽车尾气处理中的重要反应,对控制环境污染具有重要意义.同时,作为结构敏感的常见探针反应,CO氧化对催化基础理论的发展和新型催化剂的开发都起到重要的推动作用,如L-H、MvK机理的提出和发展、单原子催化剂的发现和相关理论的发展等.深入研究催化剂上的CO氧化机理,不仅能够深化我们对催化剂构效关系的理解,而且可以为催化剂在其他化学反应中的应用提供有益的参考和启示.在本工作的第一部分(Chin.J.Catal.,2024,58,237–246)中,我们通过Pt纳米颗粒(NP)在TiO_(2)表面的再分散,成功合成了Pt/TiO_(2)纳米簇(NC)催化剂,随之以CO氧化为模型反应研究其催化性能.本工作研究发现,Pt/TiO_(2)NC对CO氧化具有较好的表观和本征活性,其在100和20°C下的表观反应速率为2.61和0.24 molCO gPt^(‒1)h^(‒1),分别是Pt NP催化剂的7.2和12倍,也是大部分文献报道的Pt基催化剂的3‒20倍;相应地,Pt NC催化剂上的CO氧化在100和20°C下的TOF值为0.18和0.016 s^(‒1),分别是Pt NP催化剂的2.7和4.4倍.同时,Pt NC稳定性突出,在经过五次循环或长达40 h的反应后,其活性无明显降低.随后,详细研究了催化剂上的CO氧化反应机理.动力学研究表明,Pt NP催化剂上的CO和O_(2)反应级数皆为正(0.15和0.45),推测其上的CO氧化遵循MvK机制或非竞争的L-H机制.而Pt NC催化剂上CO级数为‒0.019,O_(2)级数为0.33,近零CO级数表明CO对反应没有影响,CO氧化的决速步为O_(2)的活化.同位素^(18)O标记实验结果表明,在Pt NP催化剂上主要是晶格氧参与反应,表明其反应路径主要遵循MvK机制.而在Pt NC催化剂上,参与反应的主要是活化的气相氧.为了进一步研究Pt NC上CO氧化反应过程,进行了^(18)O_(2)参与的脉冲反应实验,发现无论在常温或100°C下,当18O2通过预吸附CO饱和的Pt NC样品时,没有CO_(2)产生.排除CO对O_(2)活化的影响(CO级数接近零),这表明吸附在Pt NC上的CO并未发生反应.相反,当CO通过预吸附^(18)O_(2)饱和的Pt NC样品时,立即有CO_(2)产生,表明是气相CO或者弱吸附在载体TiO_(2)表面的CO与催化剂上预吸附并活化的氧发生了反应.低温原位红外光谱实验结果表明,在‒160°C下,弱吸附在TiO_(2)表面的CO的确发生了反应,而吸附在Pt NC上的CO没有反应.由于在低温下,Pt被强吸附的CO覆盖,而TiO_(2)对CO氧化是无活性的,因此这也证实了Pt NC-TiO_(2)界面在低温下活化O_(2)的能力.上述结果表明,Pt NC催化剂上的CO氧化反应机理为:CO吸附在TiO_(2)表面并与在界面处活化的氧发生反应.综上,本文深入研究了TiO_(2)负载的Pt纳米簇催化剂上的CO氧化反应机理,有助于理解负载金属纳米簇催化剂高活性的起因,同时可为高活性催化剂的设计和构筑提供借鉴. 展开更多
关键词 多相催化 纳米簇 再分散 金属-氧化物界面 一氧化碳氧化
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锐钛矿型TiO_(2)负载Ni单原子用于催化丙烷脱氢
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作者 张倩 江训柱 +2 位作者 苏杨 赵阳 乔波涛 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第2期105-113,共9页
丙烯市场需求日益增长,丙烷脱氢(PDH)被认为是最有前途的丙烯定向生产技术之一.作为PDH商业催化剂,贵金属Pt的高成本和CrO_(x)基催化剂的毒性使它们的发展受到限制.镍基催化剂因具有廉价、环保的特点,在多种催化反应的应用中引起了研究... 丙烯市场需求日益增长,丙烷脱氢(PDH)被认为是最有前途的丙烯定向生产技术之一.作为PDH商业催化剂,贵金属Pt的高成本和CrO_(x)基催化剂的毒性使它们的发展受到限制.镍基催化剂因具有廉价、环保的特点,在多种催化反应的应用中引起了研究人员的广泛关注.然而,镍在高温烷烃脱氢反应中的应用较少,目前,保持反应中镍(II)物种的稳定存在仍然是镍基PDH催化剂的主要挑战.近来,单原子催化剂(SAC)在烷烃碳氢键活化过程中表现出优异的催化性能,具有较好的丙烯选择性和出色的稳定性.当镍以单个原子的形式分散在载体上时,它更有可能以带正电的状态存在,但金属单原子的稳定存在是具有挑战性的.本文以锐钛矿型的二氧化钛为载体,采用等体积浸渍法分别制备了0.05 wt%载量的单个原子分散的催化剂(Ni SAC,Ni_(1)/A-TiO_(2))和5 wt%载量的纳米颗粒(NP)催化剂(Ni_(NP)/A-TiO_(2)).结合球差电镜、原位漫反射傅里叶变换红外光谱和X射线吸收光谱等表征结果表明,Ni SAC催化剂主要含有单个Ni原子,以Ni(II)价态孤立地分散在载体上,而Ni_(NP)/A-TiO_(2)催化剂中的Ni物种主要以纳米粒子(1±0.2 nm)的形式存在.在580℃的PDH反应中,Ni_(1)/A-TiO_(2)催化剂表现出较好的本征活性和丙烯选择性,而且比相应的Ni NPs催化剂具有更好的抗积炭稳定性,在Ni_(1)/A-TiO_(2)上得到的丙烯产率约为1.96 molC_(3)H_(6)gNi^(-1)h^(-1),超过NiNP/A-TiO_(2)样品(0.03 molC_(3)H_(6)gNi^(-1)h^(-1))的65倍,Ni SAC催化剂的丙烯时空收率(STYC_(3)H_(6))约为0.2 kg h^(-1) kg_(cat)^(-1),与文献报道的大部分非贵金属催化剂STY值相当(0.02-0.3 kg h^(-1) kg_(cat)^(-1)).还原后的TiO_(2)载体因具有丰富的氧空位(OVs)和配位不饱和的Ti^(3+)表现出一定的活性,而Ni SAC得到了更高的丙烷转化率,但Ni单原子的引入并没有增加OVs和Ti^(3+)的浓度,Ni单原子催化剂的活化能低于纯载体,说明两者的活性位不同.此外,在还原条件下,由于Ni NPs与TiO_(2)载体之间的强相互作用,Ni NPs位点被TiO_(x)覆盖层(~2 nm)包裹,从而显示出较差的反应活性.综上所述,本文报道了Ni单原子催化剂在丙烷直接脱氢反应中比相应的Ni NP催化剂表现出更好的反应性能,体现了具有孤立活性位点的单原子催化剂在丙烷脱氢反应中的优势,为今后探究可用于丙烷脱氢反应的单原子催化剂的制备和应用提供参考. 展开更多
关键词 丙烷脱氢 单原子催化剂 原子利用率 丙烯选择性 稳定性
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Fabrication of a sinter-resistant Fe-MFI zeolite dragonfruit-like catalyst for syngas to aromatics conversion
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作者 Chenguang Wang Chengyan Wen +8 位作者 Zheng Liang Zhipeng Tian Qian jiang Yuhe Liao xunzhu jiang Lungang Chen Qiying Liu Longlong Ma Michiel Dusselier 《Journal of Energy Chemistry》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第2期70-79,I0003,共11页
Direct conversion of syngas to aromatics has great potential to decrease fossil fuel dependence.Here,a unique structured hybrid catalyst composed of Fe_(3)O_(4) nanoparticles intimately dispersed inside an acidic zeol... Direct conversion of syngas to aromatics has great potential to decrease fossil fuel dependence.Here,a unique structured hybrid catalyst composed of Fe_(3)O_(4) nanoparticles intimately dispersed inside an acidic zeolite is developed.1 to 4 nm sized Fe_(3)O_(4) nanoparticles end up evenly dispersed in an acidic and slightly mesoporous Al-ZSM-5 based on Fe_(3)O_(4) restructuring during co-hydro thermal synthesis using organosilane modification.A very high aromatic productivity of 214 mmolaromatics h^(-1) gFe^(-1) can be obtained with a remarkable 62%aromatic selectivity in hydrocarbons.This catalyst has excellent sintering resistance ability and maintains stable aromatics production over 570 h.The synthetic insights that postulate a mechanism for the metastable oxide-zeolite reorganization during hydrothermal synthesis could serve as a generic route to sinter-resistant oxide-zeolite composite materials with uniform,well-dispersed oxide nanoparticles in close intimacy with-and partially confined in-a zeolite matrix. 展开更多
关键词 SYNGAS AROMATICS Sinter resistant Oxide-zeolite catalyst
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Single-atom catalysis: Bridging the homo-and heterogeneous catalysis 被引量:20
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作者 Fang Chen xunzhu jiang +2 位作者 Leilei Zhang Rui Lang Botao Qiao 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期893-898,共6页
Single-atom catalysis,the catalysis by single-atom catalysts(SACs),has attracted considerable attention in recent years as a new frontier in the heterogeneous catalysis field.SACs have the advantages of both homogeneo... Single-atom catalysis,the catalysis by single-atom catalysts(SACs),has attracted considerable attention in recent years as a new frontier in the heterogeneous catalysis field.SACs have the advantages of both homogeneous catalysts(isolated active sites)and heterogeneous catalysts(stable and easy to separate),and are thus predicted to be able to bridge the homo-and heterogeneous catalysis.This prediction was first experimentally demonstrated in 2016.In this mini-review,we summarize the few homogeneous catalysis progresses reported recently where SACs have exhibited promising application:a)Rh/ZnO and Rh/CoO SAC have been used successfully in hydroformylation of olefin of which the activity are comparable to the homogeneous Wilkinson’s catalyst;b)a Pt/Al2O3 SAC has shown excellent performance in hydrosilylation reaction;and c)M-N-C SACs(M=Fe,Co etc.)have been applied in the activation of C–H bonds.All of these examples suggest that fabrication of suitable SACs could provide a new avenue for the heterogenization of homogeneous catalysts.These pioneering works shed new light on the recognition of single-atom catalysis in bridging the homo-and heterogeneous catalysis. 展开更多
关键词 Single-atom catalysis Heterogenization of homogeneous catalysts Hydroformation HYDROSILYLATION Activation of C–H bonds
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Direct synthesis of a disinfectant with fresh scent of green plants by semi-hydrogenation of alkynol on Pd single-atom catalysts
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作者 Yan jiang Xuetong Yu +8 位作者 Yuxia Ji xunzhu jiang Yalin Guo Tianbo Li Liang Gao Rui Lang Yanxiong Fang Botao Qiao Jinxiang Dong 《Nano Research》 SCIE EI CSCD 2024年第5期3872-3878,共7页
Alcohol-based disinfectants have protected people in the coronavirus disease 2019(COVID-19)pandemic,but olfactory stimuli of ethanol may evoke unpleasant memories associated with stressful situations in the devastatin... Alcohol-based disinfectants have protected people in the coronavirus disease 2019(COVID-19)pandemic,but olfactory stimuli of ethanol may evoke unpleasant memories associated with stressful situations in the devastating infectious disease.The smell of ethanol in household cleaning and disinfectant products can be covered up by the fragrance additives,and 3-hexenol is especially appreciated for the characteristic,strong odor of green plants.Industrial production of 3-hexenol relies on the selective hydrogenation of 3-hexyn-1-ol,where Lindlar catalyst is normally used for the superior selectivity.Although achieving such catalytic transformation in ethanol solution seems as a direct way to produce a disinfectant with green aroma,a popular consumer product in the post-COVID era,severe leaching of toxic Pb hinders Lindlar catalyst as a promising candidate.We find that the Fe_(2)O_(3) supported Pd single-atom catalyst is highly selective to fulfill semi-hydrogenation of 3-hexyn-1-ol in 75%ethanol,and the aforementioned household product is readily generated after filtrating the stable,solid catalyst out of reaction solution.Single-atom catalysts have been frequently utilized for fine-chemical synthesis,while in this work they make stunning debut in practical manufacture of daily used products. 展开更多
关键词 single-atom catalysis HYDROGENATION FRAGRANCE household product coronavirus disease 2019(COVID-19)
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Oxidative Dehydrogenation of Propane over Supported Nickel Single-Atom Catalyst
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作者 Qian Zhang xunzhu jiang +4 位作者 Yangyang Li Yuanlong Tan Qike jiang Xiaoyan Liu Botao Qiao 《Chinese Journal of Chemistry》 SCIE CAS CSCD 2024年第4期370-376,共7页
Oxidative dehydrogenation of propane has been an ever-growing field for propylene production due to its exothermic properties,of which overoxidation is the major drawback,with CO and even CO_(2) as undesired by-produc... Oxidative dehydrogenation of propane has been an ever-growing field for propylene production due to its exothermic properties,of which overoxidation is the major drawback,with CO and even CO_(2) as undesired by-products.For the purpose of getting higher propylene selectivity as well as yield,herein,we report Ni single atoms supported on calcium aluminate as an efficient catalyst candidate for propane oxidative dehydrogenation.Beneficial from higher valence states of Ni1 species,it shows 2—3 times as much propylene selectivity as that of Ni nanoparticles.About 14.2%C_(3)H_(6) yield with 47.3%propylene selectivity has been achieved on Ni single atom catalyst and a good stability during 20 h test can be obtained as well. 展开更多
关键词 Oxidative dehydrogenation/Nickel Single-atom catalysts PROPANE Propylene selectivity
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