CeO2纳米管负载Pd纳米颗粒催化CO低温氧化

吴静谧 曾亮 程党国 陈丰秋 詹晓力 巩金龙

引用本文: 吴静谧, 曾亮, 程党国, 陈丰秋, 詹晓力, 巩金龙. CeO2纳米管负载Pd纳米颗粒催化CO低温氧化[J]. 催化学报, 2016, 37(1): 83-90. doi: 10.1016/S1872-2067(15)60913-5 shu
Citation:  Jingmi Wu, Liang Zeng, Dangguo Cheng, Fengqiu Chen, Xiaoli Zhan, Jinlong Gong. Synthesis of Pd nanoparticles supported on CeO2 nanotubes for CO oxidation at low temperatures[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(1): 83-90. doi: 10.1016/S1872-2067(15)60913-5 shu

CeO2纳米管负载Pd纳米颗粒催化CO低温氧化

    通讯作者: 程党国, 巩金龙; 程党国, 巩金龙
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21376209, 21376169) (21376209, 21376169)

    浙江省自然科学重点基金(LZ13B060004) (LZ13B060004)

    浙江省重点科技创新团队计划(2013TD07) (2013TD07)

    高等学校学科创新引智计划(B06006). (B06006)

摘要: 高效负载型Pd催化剂的制备及其在CO低温氧化反应中的机理探究是近年来的研究热点.普遍认为,Pd催化剂上的CO氧化反应遵循Langmuir-Hinshelwood机理:首先,CO吸附于Pd物种表面; 然后,CO与催化剂表面的晶格氧发生反应转化为CO2,反应发生在金属-载体界面.另外,高分散的Pd活性物种有利于CO氧化反应.同时载体的形貌、暴露的晶面、氧空位以及孔结构等都是影响催化剂活性的重要因素.CeO2纳米管具有独特的管状特征和较高的比表面积,是一种潜在的CO低温氧化催化剂载体.
本文利用乙醇还原法,以CeO2纳米管为载体,制备不同Pd含量的Pd/CeO2-nanotube纳米催化剂,并利用N2吸附脱附、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、CO程序升温脱附(CO-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,探索纳米催化剂载体形貌对CO氧化反应活性的影响.氮气吸脱附结果表明,Pd/CeO2-nanotube具有较高的比表面积(58.0m2/g),且存在介孔结构.XRD表征发现,Pd/CeO2-nanotube的衍射峰对应立方萤石型结构的CeO2的(111),(200),(220),(311)等晶面.TEM结果表明,Pd/CeO2-nanotube具有均匀的纳米管形貌,其外径为40-60nm,Pd纳米颗粒均匀分散在其表面.CO-TPD结果表明,Pd/CeO2-nanotube在110ºC附近具有很强的脱附峰,在370ºC和600ºC附近分别具有较宽和较弱的脱附峰,这表明该催化剂具有较多的吸附位,且具有很强的CO吸附能力; CO不可逆吸附量计算结果表明,该催化剂上的Pd具有很高的表面分散度(23.3%),Pd颗粒尺寸为7.3nm.XPS表征显示,Pd以Pd2+的形式分散于CeO2纳米管的表面,且与载体发生相互作用,存在Pd-O-Ce键;同时该催化剂表面存在丰富的Ce3+,为反应提供更多的氧空位.0.9Pd/CeO2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性,能在100℃实现CO的完全转化; 通过计算发现,该催化剂具有较高的TOF值(0.63s-1),由Arrhenius曲线可得到该催化剂的活化能为26.5kJ/mol.
综上可见:金属活性组分的尺寸和分散度、载体的结构特征、CO吸附能力以及金属-载体间的相互作用决定催化剂的性能.Pd/CeO2-nanotube的高比表面积有利于Pd的分散; 其强CO吸附能力有利于CO吸附于Pd物种表面; 催化剂表面丰富的Ce3+能为反应提供更多的氧空位,Pd-O-Ce键的形成能增强金属-载体间的相互作用,有利于CO与催化剂表面晶格氧发生反应.同时催化剂介孔结构有利于反应气体和产物气体的吸附和扩散,因此,Pd/CeO2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性.

English

    1. [1] Y. Zeng, L. Qiao, Y. F. Bing, M. Wen, B. Zou, W. T. Zheng, T. Zhang, G. T. Zou, Sens. Actuators B, 2012, 173, 897.[1] Y. Zeng, L. Qiao, Y. F. Bing, M. Wen, B. Zou, W. T. Zheng, T. Zhang, G. T. Zou, Sens. Actuators B, 2012, 173, 897.

    2. [2] T. Y. Wang, L. D. Li, N. J. Guan, Fuel Process. Technol., 2013, 108, 41.[2] T. Y. Wang, L. D. Li, N. J. Guan, Fuel Process. Technol., 2013, 108, 41.

    3. [3] X. D. Zhang, Z. P. Qu, F. L. Yu, Y. Wang, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1277.[3] X. D. Zhang, Z. P. Qu, F. L. Yu, Y. Wang, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1277.

    4. [4] Y. Zhou, Z. Y. Wang, C. J. Liu, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 69.[4] Y. Zhou, Z. Y. Wang, C. J. Liu, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 69.

    5. [5] G. J. Hutchings, M. Hartuta, Appl. Catal. A, 2005, 291, 2.[5] G. J. Hutchings, M. Hartuta, Appl. Catal. A, 2005, 291, 2.

    6. [6] J. M. Campelo, D. Luna, R. Luque, J. M. Marinas, A. A. Romero, ChemSusChem, 2009, 2, 18.[6] J. M. Campelo, D. Luna, R. Luque, J. M. Marinas, A. A. Romero, ChemSusChem, 2009, 2, 18.

    7. [7] P. Bera, A. Gayen, M. S. Hegde, N. P. Lalla, L. Spadaro, F. Frusteri, F. Arena, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 6122.[7] P. Bera, A. Gayen, M. S. Hegde, N. P. Lalla, L. Spadaro, F. Frusteri, F. Arena, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 6122.

    8. [8] S. N. Pavlova, V. A. Sadykov, N. N. Bulgakov, M. N. Bredikhin, J. Catal., 1996, 161, 517.[8] S. N. Pavlova, V. A. Sadykov, N. N. Bulgakov, M. N. Bredikhin, J. Catal., 1996, 161, 517.

    9. [9] A. M. Venezia, L. F. Liotta, G. Deganello, Z. Schay, D. Horvath, L. Guczi, Appl. Catal. A, 2001, 211, 167.[9] A. M. Venezia, L. F. Liotta, G. Deganello, Z. Schay, D. Horvath, L. Guczi, Appl. Catal. A, 2001, 211, 167.

    10. [10] S. Y. Wang, N. Li, R. M. Zhou, L. Y. Jin, G. S. Hu, J. Q. Lu, M. F. Luo, J. Mol. Catal. A, 2013, 374, 53.[10] S. Y. Wang, N. Li, R. M. Zhou, L. Y. Jin, G. S. Hu, J. Q. Lu, M. F. Luo, J. Mol. Catal. A, 2013, 374, 53.

    11. [11] M. Q. Shen, G. X. Wei, H. M. Yang, J. Wang, X. Q. Wang, Fuel, 2013, 103, 869.[11] M. Q. Shen, G. X. Wei, H. M. Yang, J. Wang, X. Q. Wang, Fuel, 2013, 103, 869.

    12. [12] G. Glaspell, H. M. A. Hassan, A. Elzatahry, V. Abdalsayed, M. S. El-Shall, Top. Catal., 2008, 47, 22.[12] G. Glaspell, H. M. A. Hassan, A. Elzatahry, V. Abdalsayed, M. S. El-Shall, Top. Catal., 2008, 47, 22.

    13. [13] G. Q. Yi, Z. N. Xu, G. C. Guo, K. I. Tanaka, Y. Z. Yuan, Chem. Phys. Lett., 2009, 479, 128.[13] G. Q. Yi, Z. N. Xu, G. C. Guo, K. I. Tanaka, Y. Z. Yuan, Chem. Phys. Lett., 2009, 479, 128.

    14. [14] J. Y. Luo, M. Meng, H. Xian, Y. B. Tu, X. G. Li, T. Ding, Catal. Lett., 2009, 133, 328.[14] J. Y. Luo, M. Meng, H. Xian, Y. B. Tu, X. G. Li, T. Ding, Catal. Lett., 2009, 133, 328.

    15. [15] H. Q. Zhu, Z. F. Qin, W. J. Shan, W. J. Shen, J. G. Wang, J. Catal., 2005, 233, 41.[15] H. Q. Zhu, Z. F. Qin, W. J. Shan, W. J. Shen, J. G. Wang, J. Catal., 2005, 233, 41.

    16. [16] M. S. Hegde, G. Madras, K. C. Patil, Acc. Chem. Res., 2009, 42, 704.[16] M. S. Hegde, G. Madras, K. C. Patil, Acc. Chem. Res., 2009, 42, 704.

    17. [17] Y. Zhu, S. R. Zhang, J. J. Shan, L. Nguyen, S. H. Zhan, X. L. Gu, F. Tao, ACS Catal., 2013, 3, 2627.[17] Y. Zhu, S. R. Zhang, J. J. Shan, L. Nguyen, S. H. Zhan, X. L. Gu, F. Tao, ACS Catal., 2013, 3, 2627.

    18. [18] D. Mendez, R. Vargas, C. Borras, S. Blanco, J. Mostany, B. R. Scharifker, Appl. Catal. B, 2015, 166, 529.[18] D. Mendez, R. Vargas, C. Borras, S. Blanco, J. Mostany, B. R. Scharifker, Appl. Catal. B, 2015, 166, 529.

    19. [19] Y. F. Su, Z. C. Tang, W. L. Han, P. Zhang, Y. Song, G. X. Lu, CrystEngComm, 2014, 16, 5189.[19] Y. F. Su, Z. C. Tang, W. L. Han, P. Zhang, Y. Song, G. X. Lu, CrystEngComm, 2014, 16, 5189.

    20. [20] K. B. Zhou, Z. Q. Yang, S. Yang, Chem. Mater., 2007, 19, 1215.[20] K. B. Zhou, Z. Q. Yang, S. Yang, Chem. Mater., 2007, 19, 1215.

    21. [21] T. Teranishi, M. Miyake, Chem. Mater., 1998, 10, 594.[21] T. Teranishi, M. Miyake, Chem. Mater., 1998, 10, 594.

    22. [22] Y. H. Zhang, N. Zhang, Z. R. Tang, Y. J. Xu, ACS Sust. Chem. Eng., 2013, 1, 1258.[22] Y. H. Zhang, N. Zhang, Z. R. Tang, Y. J. Xu, ACS Sust. Chem. Eng., 2013, 1, 1258.

    23. [23] X. B. Zhao, J. You, X. W. Lu, Z. G. Chen, J. Inorg. Mater., 2011, 26, 159.[23] X. B. Zhao, J. You, X. W. Lu, Z. G. Chen, J. Inorg. Mater., 2011, 26, 159.

    24. [24] K. S. W. Sing, D. H. Everett, R. A. W. Haul, L. Moscou, R. A. Pierotti, J. Rouquérol, T. Siemieniewska, Pure Appl. Chem., 1985, 4, 603.[24] K. S. W. Sing, D. H. Everett, R. A. W. Haul, L. Moscou, R. A. Pierotti, J. Rouquérol, T. Siemieniewska, Pure Appl. Chem., 1985, 4, 603.

    25. [25] M. F. Luo, Z. Y. Hou, X. X. Yuan, X. M. Zheng, Catal. Lett., 1998, 50, 205.[25] M. F. Luo, Z. Y. Hou, X. X. Yuan, X. M. Zheng, Catal. Lett., 1998, 50, 205.

    26. [26] H. Guo, Y. B. He, Y. P. Wang, L. X. Liu, X. J. Yang, S. X. Wang, Z. J. Huang, Q. Y. Wei, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 7494.[26] H. Guo, Y. B. He, Y. P. Wang, L. X. Liu, X. J. Yang, S. X. Wang, Z. J. Huang, Q. Y. Wei, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 7494.

    27. [27] M. Cargnello, N. L. Wieder, T. Montini, R. J. Gorte, P. Fornasiero, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1402.[27] M. Cargnello, N. L. Wieder, T. Montini, R. J. Gorte, P. Fornasiero, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1402.

    28. [28] Z. R. Tang, X. Yin, Y. H. Zhang, N. Zhang, Y. J. Xu, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1123.[28] Z. R. Tang, X. Yin, Y. H. Zhang, N. Zhang, Y. J. Xu, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1123.

    29. [29] M. S. Jin, J. N. Park, J. K. Shon, Z. H. Li, M. Y. Yoon, H. J. Na, Y. K. Park, J. M. Kim, Res. Chem. Intermed., 2011, 37, 1181.[29] M. S. Jin, J. N. Park, J. K. Shon, Z. H. Li, M. Y. Yoon, H. J. Na, Y. K. Park, J. M. Kim, Res. Chem. Intermed., 2011, 37, 1181.

    30. [30] K. V. R. Chary, D. Naresh, V. Vishwanathan, M. Sadakane, W. Ueda, Catal. Commun., 2007, 8, 471.[30] K. V. R. Chary, D. Naresh, V. Vishwanathan, M. Sadakane, W. Ueda, Catal. Commun., 2007, 8, 471.

    31. [31] T. Pillo, R. Zimmermann, P. Steiner, S. Hufner, J. Phys. Condens. Matter., 1997, 9, 3987.[31] T. Pillo, R. Zimmermann, P. Steiner, S. Hufner, J. Phys. Condens. Matter., 1997, 9, 3987.

    32. [32] S. Hinokuma, H. Fujii, M. Okamoto, K. Ikeue, M. Machida, Chem. Mater., 2010, 22, 6183.[32] S. Hinokuma, H. Fujii, M. Okamoto, K. Ikeue, M. Machida, Chem. Mater., 2010, 22, 6183.

    33. [33] E. M. Slavinskaya, R. V. Gulyaev, A. V. Zadesenets, O. A. Stonkus, V. I. Zaikovskii, Y. V. Shubin, S. V. Korenev, A. I. Boronina, Appl. Catal. B, 2015, 166-167, 91.[33] E. M. Slavinskaya, R. V. Gulyaev, A. V. Zadesenets, O. A. Stonkus, V. I. Zaikovskii, Y. V. Shubin, S. V. Korenev, A. I. Boronina, Appl. Catal. B, 2015, 166-167, 91.

    34. [34] K. R. Priolkar, P. Bera, P. R. Sarode, M. S. Hegde, S. Emura, R. Kumashiro, N. P. Lalla, Chem. Mater., 2002, 14, 2120.[34] K. R. Priolkar, P. Bera, P. R. Sarode, M. S. Hegde, S. Emura, R. Kumashiro, N. P. Lalla, Chem. Mater., 2002, 14, 2120.

    35. [35] H. H. Liu, Y. Wang, A. P. Jia, S. Y. Wang, M. F. Luo, J. Q. Lu, Appl. Surf. Sci, 2014, 314, 725.[35] H. H. Liu, Y. Wang, A. P. Jia, S. Y. Wang, M. F. Luo, J. Q. Lu, Appl. Surf. Sci, 2014, 314, 725.

    36. [36] L. Q. Liu, F. Zhou, L. G. Wang, X. J. Qi, F. Shi, Y. Q. Deng, J. Catal., 2010, 274, 1.[36] L. Q. Liu, F. Zhou, L. G. Wang, X. J. Qi, F. Shi, Y. Q. Deng, J. Catal., 2010, 274, 1.

    37. [37] M. S. Jin, J. N. Park, J. K. Shon, J. H. Kim, Z. H. Li, Y. K. Park, J. M. Kim, Catal. Today, 2012, 185, 183.[37] M. S. Jin, J. N. Park, J. K. Shon, J. H. Kim, Z. H. Li, Y. K. Park, J. M. Kim, Catal. Today, 2012, 185, 183.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  858
  • HTML全文浏览量:  99
文章相关
  • 收稿日期:  2015-04-30
  • 网络出版日期:  2015-05-27
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