Sb对Pd基催化剂用于常压直接合成H2O2的促进效应

丁豆豆 徐兴妍 田鹏飞 刘向林 徐晶 韩一帆

引用本文: 丁豆豆,  徐兴妍,  田鹏飞,  刘向林,  徐晶,  韩一帆. Sb对Pd基催化剂用于常压直接合成H2O2的促进效应[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 673-681. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63031-1 shu
Citation:  Doudou Ding,  Xingyan Xu,  Pengfei Tian,  Xianglin Liu,  Jing Xu,  Yi-Fan Han. Promotional effects of Sb on Pd-based catalysts for the direct synthesis of hydrogen peroxide at ambient pressure[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 673-681. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63031-1 shu

Sb对Pd基催化剂用于常压直接合成H2O2的促进效应

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(91534127,U1463205);河南省中原学者;"111"引智计划(B08021).

摘要: H2O2作为一种高效绿色氧化剂,广泛应用于造纸、纺织、水处理等工业领域.目前蒽醌法是工业上生产H2O2的主要方法,相比之下,利用H2和O2直接合成H2O2,能耗低,污染小,适合与下游工艺技术进行耦合.而缺乏高性能催化剂是制约直接法合成H2O2工业化的主要原因.本文通过浸渍法制备了一系列负载型Pd-Sb/TiO2双金属催化剂,并用于常压下H2O2直接催化合成反应.利用透射电子显微镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS),H2/O2程序升温脱附(H2/O2-TPD),X射线衍射(XRD),原位CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱(CO-DRIFTS)等手段对催化剂的电子和几何结构进行解析,深入研究了助剂Sb对该体系的促进作用.
结果显示,与单金属Pd催化剂相比,适量金属Sb的加入有效提高了催化性能,抑制了副反应的发生.当Pd/Sb摩尔比为50/1(Pd50Sb)时,H2O2的选择性高达73%;但是当Pd/Sb为2时,催化剂对生成H2O2几乎没有活性.TEM和XRD证明,Sb的加入显著促进了Pd颗粒在载体TiO2上的分散.XPS和H2-TPD实验,发现,Sb改变了催化剂表面Pd2+/Pd0的比例,抑制了金属Pd的氧化;同时,Sb主要以氧化态存在,在催化剂表面形成Sb2O3氧化层,覆盖表面的Pd活性位,从而抑制了反应中H2在催化剂表面的活化以及H2O2加氢副反应的发生.O2-TPD结果表明,随着Sb的加入,O2的脱附峰明显减弱,表明Pd-Sb/TiO2不利于O2的解离吸附.此外,原位CO-DRIFTS实验结果表明,Sb均匀分布在Pd-Sb催化剂表面,致使有利于生成H2O的连续Pd活性位明显减少,而有利于合成H2O2的单个Pd原子活性位明显增加.
总的来说,Sb对Pd表面起到了显著的修饰作用,提高了催化剂表面O2的非解离活化,从而促进了H2O2的高选择性合成.但是过量Sb的加入会抑制催化剂对H2的活化作用,致使催化剂活性下降,因此优选Pd/Sb的比例对于提高催化剂性能具有重要作用.

English

    1. [1] G. Goor, J. Glenneberg, and S. Jacobi, in:Hydrogen Peroxide, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000, 1-5.

    2. [2] J. M. Campos-Martin, G. Blanco-Brieva, J. L. G. Fierro, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 6962-6984.

    3. [3] J. K. Edwards, S. J. Freakley, R. J. Lewis, J. C. Pritchard, G. J. Hutchings, Catal. Today, 2015, 248, 3-9.

    4. [4] C. Samanta, Appl. Catal. A, 2008, 350, 133-149.

    5. [5] R. Dittmeyer, J. D. Grunwaldt, A. Pashkova, Catal. Today, 2015, 248, 149-159.

    6. [6] E. J. Beckman, Green Chem., 2003, 5, 332-336.

    7. [7] J. H. Lunsford, J. Catal., 2003, 216, 455-460.

    8. [8] Y. H. Yi, L. Wang, G. Li, H. C. Guo, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 1593-1610.

    9. [9] V. R. Choudhary, C. Samanta, J. Catal., 2006, 238, 28-38.

    10. [10] V. R. Choudhary, C. Samanta, T. V. Choudhary, Appl. Catal. A, 2006, 308, 128-133.

    11. [11] S. Melada, R. Rioda, F. Menegazzo, F. Pinna, G. Strukul, J. Catal., 2006, 239, 422-430.

    12. [12] J. Kim, Y. M. Chung, S. M. Kang, C. H. Choi, B. Y. Kim, Y. T. Kwon, T. J. Kim, S. H. Oh, C. S. Lee, ACS Catal., 2012, 2, 1042-1048.

    13. [13] R. Arrigo, M. E. Schuster, S. Abate, S. Wrabetz, K. Amakawa, D. Teschner, M. Freni, G. Centi, S. Perathoner, M. Hävecker, R. Schlögl, ChemSusChem, 2014, 7, 179-194.

    14. [14] G. M. Lari, B. Puértolas, M. Shahrokhi, N. López, J. Pérez-Ramírez, Angew. Chem., 2017, 56, 1775-1779.

    15. [15] J. K. Edwards, B. Solsona, E. Ntainjua. N, A. F. Carley, A. A. Herzing, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Science, 2009, 323, 1037-1041.

    16. [16] J. K. Edwards, J. Pritchard, L. Lu, M. Piccinini, G. Shaw, A. F. Carley, D. J. Morgan, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 2381-2384.

    17. [17] L. K. Ouyang, G. J. Da, P. F. Tian, T. Y. Chen, G. D. Liang, J. Xu, Y. F. Han, J. Catal., 2014, 311, 129-136.

    18. [18] S. J. Freakley, Q. He, J. H. Harrhy, L. Lu, D. A. Crole, D. J. Morgan, E. Ntainjua N, J. K. Edwards, A. F. Carley, A. Y. Borisevich, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Science, 2016, 351, 965-968.

    19. [19] S. L Wang, K. G Gao, W. Li, J. L Zhang, Appl. Catal. A, 2017, 531, 89-95.

    20. [20] H. C. Ham, G. S. Hwang, J. Han, S. W. Nam, T. H. Lim, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 12943-12945.

    21. [21] S. Maity, M. Eswaramoorthy, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 3233-3237.

    22. [22] P. F. Tian, X.Y. Xu, C. Ao, D. D. Ding, W. Li, R. Si, W. Tu, J. Xu, Y. F. Han, ChemSusChem, 2017, 17, 3342-3346.

    23. [23] P. F. Tian, L. K. Ouyang, X. Y. Xu, C. Ao, X. C. Xu, R. Si, X. J. Shen, M. Lin, J. Xu, Y. F. Han, J. Catal., 2017, 349, 30-40.

    24. [24] S. Gatla, O. Mathon, A. Rogalev, S. Pascarelli, J. Radnik, M. M. Pohl, A. Brückner, J. Phys. Chem. C, 2017, 121, 3854-3861.

    25. [25] A. Benhmid, K. V. Narayana, A. Martin, B. Lucke, Chem. Commun., 2004, 2118-2119.

    26. [26] S. Gatla, N. Madaan, J. Radnik, V. N. Kalevaru, M. M. Pohl, B. Lücke, A. Martin, A. Brückner, Appl. Catal. A, 2011, 398, 104-112.

    27. [27] L. K. Ouyang, P. F. Tian, G. J. Da, X. C. Xu, C. Ao, T. Y. Chen, R. Si, J. Xu, Y. F. Han, J. Catal., 2015, 321, 70-80.

    28. [28] E. Ntainjua N, M. Piccinini, J. C. Pritchard, J. K. Edwards, A. F. Carley, J. A. Moulijn, G. J. Hutchings, ChemSusChem, 2009, 2, 575-580.

    29. [29] C. Ao, P. F. Tian, L. K. Ouyang, G. J. Da, X. Y. Xu, J. Xu, Y. F. Han, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 5060-5068.

    30. [30] V. R. Choudhary, C. Samanta, T. V. Choudhary, J. Mol. Catal. A., 2006, 260, 115-120.

    31. [31] E. H. Voogt, A. J. M. Mens, O. L. J. Gijzeman, J. W. Geus, Surf. Sci., 1997, 373, 210-220.

    32. [32] F. P. Leisenberger, G. Koller, M. Sock, S. Surnev, M. G. Ramsey, F. P. Netzer, B. Klötzer, K. Hayek, Surf. Sci., 2000, 445, 380-393.

    33. [33] M. Brun, A. Berthet, J. C. Bertolini, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom., 1999, 104, 55-60.

    34. [34] A. K. Datye, J. Bravo, T. R. Nelson, P. Atanasova, M. Lyubovsky, L. Pfefferle, Appl. Catal. A, 2000, 1, 179-196.

    35. [35] Y. F. Han, Z. Y. Zhong, K. Ramesh, F. X. Chen, L. W. Chen, T. White, Q. Tay, S. N. Yaakub, Z. Wang, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 8410-8413.

    36. [36] F. Garbassi, Surf. Interface Anal., 1980, 2, 165-169.

    37. [37] T. A. Carlson, in:Photoelectron and Auger Spectroscopy, Springer, Boston, MA, 1975, 99-164.

    38. [38] G. Martra, Appl. Catal. A, 2000, 200, 275-285.

    39. [39] J. C. Dupin, D. Gonbeau, P. Vinatier, A. Levasseur, Phys.Chem. Chem. Phys., 2000, 2, 1319-1324.

    40. [40] P. J. Berlowitz, C. H. F. Peden, D. W. Goodman, J. Phys. Chem., 1988, 92, 5213-5221.

    41. [41] C. W. Yi, K. Luo, T. Wei, D. W. Goodman, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 18535-18540.

    42. [42] F. Gao, Y. L. Wang, D. W. Goodman, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 14993-15000.

    43. [43] F. Gao, Y. L. Wang, D. W. Goodman, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 5734-5735.

    44. [44] P. Hu, D. A. King, M. H. Lee, M. C. Payne, Chem. Phys. Lett., 1995, 246, 73-78.

    45. [45] M. Skotak, Z. Karpiński, W. Juszczyk, J. Pielaszek, L. Kȩpiński, D. V. Kazachkin, V. I. Kovalchuk, J. L. d'Itri, J. Catal., 2004, 227, 11-25.

    46. [46] J. Xu, L. K. Ouyang, W. Mao, X. J. Yang, X. C. Xu, J. J. Su, T. Z. Zhuang, H. Li, Y. F. Han, ACS Catal., 2012, 2, 261-269.

    47. [47] K. I. Hadjiivanov, G. N. Vayssilov, Adv. Catal., 2002, 47, 307-511.

    48. [48] K. Zorn, S. Giorgio, E. Halwax, C. R. Henry, H. Grönbeck, G. Rupprechter, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 1103-1111.

    49. [49] A. M. Doyle, S. K. Shaikhutdinov, S. D. Jackson, H. J. Freund, Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 5240-5243.

    50. [50] M. Morkel, G. Rupprechter, H. J. Freund, Surf. Sci., 2005, 558, L209-L219.

    51. [51] N. A. Khan, S. Shaikhutdinov, H. J. Freund, Catal. Lett., 2006, 108, 159-164.

    52. [52] X. C. Guo, A. Hoffman, J. T. Y. Jr., J. Chem. Phys., 1989, 90, 5787-5792.

    53. [53] S. Penner, P. Bera, S. Pedersen, L. T. Ngo, J. J. W. Harris, C. T. Campbell, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 24577-24584.

    54. [54] J. A. Hinojosa, H. H. Kan, J. F. Weaver, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 8324-8331.

    55. [55] N. M. Wilson, D. W. Flaherty, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 574-586.

    56. [56] P. F. Tian, L. K Ouyang, X. C. Xu, J. Xu, Y. F. Han, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1002-1012.

    57. [57] D. W. Yuan, Z. R. Liu, Y. Xu, Phys. Lett. A, 2012, 376, 3432-3438.

    58. [58] J. Pritchard, L. Kesavan, M. Piccinini, Q. He, R. Tiruvalam, N. Dimitratos, J. A. Lopez-Sanchez, A. F. Carley, J. K. Edwards, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Langmuir, 2010, 26, 16568-16577.

    59. [59] R. F. Nie, D. Liang, L. Shen, J. Gao, P. Chen, Z. Y. Hou, Appl. Catal. B, 2012, 127, 212-220.

    60. [60] A. Plauck, E. E. Stangland, J. A. Dumesic, M. Mavrikakis, Proc. Natl. Acad. Sci., 2016, 113, E1973-E1982.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  1005
  • HTML全文浏览量:  138
文章相关
  • 收稿日期:  2017-11-30
  • 修回日期:  2018-01-10
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