Construction of a Highly Active Rh/CeO2-ZrO2-Al2O3 Catalyst Based on Rh Micro-Chemical State Regulation and Its Three-Way Catalytic Activity

Jialin Mou ,  Liuling Chen ,  Jun Fan ,  Lu Zeng ,  Xue Jiang ,  Yi Jiao ,  Jianli Wang ,  Yaoqiang Chen

Citation:  Jialin Mou, Liuling Chen, Jun Fan, Lu Zeng, Xue Jiang, Yi Jiao, Jianli Wang, Yaoqiang Chen. Construction of a Highly Active Rh/CeO2-ZrO2-Al2O3 Catalyst Based on Rh Micro-Chemical State Regulation and Its Three-Way Catalytic Activity[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(12): 230204. doi: 10.3866/PKU.WHXB202302041 shu

基于活性组分微化学状态调控的高性能Rh/CeO2-ZrO2-Al2O3催化剂构筑及三效催化性能

    通讯作者: 焦毅, jiaoyiscu@163.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22072097

    国家自然科学基金 21902110

摘要: 近年来,贵金属Pt、Pd、Rh价格不断攀升,提高贵金属利用效率成为未来汽油车三效催化剂的发展趋势之一。本文协同液相还原和气氛热处理技术精细调控贵金属铑(Rh)的微化学状态,以优化低含量Rh基催化剂的催化性能。同时,采用X射线粉末衍射(XRD)、H2-程序升温还原(H2-TPR)、CO化学吸附、X射线光电子能谱(XPS)、CO-漫反射红外(CO-FTIR)、透射电镜(TEM)和原位漫反射傅里叶变换红外吸收光谱(in situ DRIFTS)等催化剂表征方法,详细研究了Rh微化学状态(价态比例、分散性等)与催化性能之间的关系。活性测试结果表明,通过上述协同方法制备的re-Rh/CeO2-ZrO2-Al2O3-H2 (re-Rh/CZA-H2)催化剂表现出最好的催化活性,并且拓宽了空燃比操作窗口,其T90值分别比液相还原法和浸渍法合成的催化剂低30–73 ℃和51–86 ℃。此外,通过协同方法制备的催化剂老化后也表现出优异的催化活性和高温热稳定性,其T50和T90值均低于新鲜样品。构效关系结果表明,re-Rh/CZA-H2催化剂优异的催化性能归因于Rh物种具有最佳价态比例和高分散性,从而增加了活性位点的数量。同时,re-Rh/CZA-H2-a催化剂具有相当优异的高温热稳定性,这归因于载体材料的结构稳定性,及活性Rh物种的高含量和高分散,从而暴露出更多的活性位点,促进反应物的吸附和转化。因此,采用本工作提出的协同方法来调整贵金属的微化学状态,可以提高催化剂的催化活性、高温稳定性以及空燃比操作窗口,为设计低负载量Rh基三效催化剂提供一个新思路。

English

    1. [1]

      Joshi, A. SAE Tech. Pap. 2022, 45, 1704. doi: 10.4271/2022-01-0540

    2. [2]

      Kaspar, J.; Fornasiero, P.; Hickey, N. Catal. Today 2003, 77, 419. doi: 10.1016/s0920-5861(02)00384-x

    3. [3]

      Getsoian, A.; Theis, J. R.; Paxton, W. A.; Lance, M. J.; Lambert, C. K. Nat. Catal. 2019, 2, 614. doi: 10.1038/s41929-019-0283-x

    4. [4]

      Goes, J. D. A.; Woo, J. W.; Olsson, L. Ind. Eng. Chem. Res. 2020, 59, 10790. doi: 10.1021/acs.iecr.0c00654

    5. [5]

      Hu, Z.; Allen, F. M.; Wan, C. Z.; Heck, R. M.; Steger, J. J.; Lakis, R. E.; Lyman, C. E. J. Catal. 1998, 174, 13. doi: 10.1006/jcat.1997.1954

    6. [6]

      Nagao, Y.; Nakahara, Y.; Sato, T.; Iwakura, H.; Takeshita, S.; Minami, S.; Yoshida, H.; Machida, M. ACS Catal. 2015, 5, 1986. doi: 10.1021/cs5020157

    7. [7]

      Heo, I.; Yoon, D. Y.; Cho, B. K.; Nam, I. -S.; Choung, J. W.; Yoo, S. Appl. Catal. B 2012, 121, 75. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.03.032

    8. [8]

      Huang, F.; Zheng, Y.; Li, Z.; Xiao, Y.; Zheng, Y.; Cai, G.; Wei, K. Chem. Commun. 2011, 47, 5247. doi: 10.1039/c0cc05670g

    9. [9]

      Morikawa, A.; Suzuki, T.; Kanazawa, T.; Kikuta, K.; Suda, A.; Shinjo, H. Appl. Catal. B 2008, 78, 210. doi: 10.1016/j.apcatb.2007.09.013

    10. [10]

      Kim, G. J.; Kwon, D. W.; Hong, S. C. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 17996. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b02945

    11. [11]

      Jeong, H.; Shin, D.; Kim, B. -S.; Bae, J.; Shin, S.; Choe, C.; Han, J. W.; Lee, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 20691. doi: 10.1002/anie.202009776

    12. [12]

      Ohyama, J.; Nishiyama, T.; Satsuma, A. ChemCatChem 2018, 10, 1651. doi: 10.1002/cctc.201701842

    13. [13]

      Gonzalez-Velasco, J. R.; Gutierrez-Ortiz, M. A.; Marc, J. L.; Botas, J. A.; Gonzalez-Marcos, M. P.; Blanchard, G. Top. Catal. 2001, 16, 101. doi: 10.1023/a:1016639016156

    14. [14]

      Zheng, T.; He, J.; Zhao, Y.; Xia, W.; He, J. J. Rare Earths 2014, 32, 97. doi: 10.1016/s1002-0721(14)60038-7

    15. [15]

      van Deelen, T. W.; Mejia, C. H.; de Jong, K. P. Nat. Catal. 2019, 2, 955. doi: 10.1038/s41929-019-0364-x

    16. [16]

      Cao, Y.; Ran, R.; Wu, X.; Wu, X.; Wan, J.; Weng, D. Catal. Today 2017, 281, 490. doi: 10.1016/j.cattod.2016.07.001

    17. [17]

      Lee, J.; Ryou, Y.; Chan, X.; Kim, T. J.; Kim, D. H. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 25870. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b08656

    18. [18]

      Wang, T.; Guo, X.; Lin, S.; Zhou, R. J. Rare Earths 2019, 37, 706. doi: 10.1016/j.jre.2018.10.017

    19. [19]

      Chen, Y.; Fan, J.; Deng, J.; Jiang, X.; Jiao, Y.; Chen, Y. J. Energy Inst. 2020, 93, 2325. doi: 10.1016/j.joei.2020.07.005

    20. [20]

      Jiang, X.; Fan, J.; Xiang, S.; Mou, J.; Yao, P.; Jiao, Y.; Wang, J.; Chen, Y. Appl. Surf. Sci. 2022, 578, 151915. doi: 10.1016/j.apsusc.2021.151915

    21. [21]

      Yao, P.; Huang, Y.; Jiao, Y.; Xu, H.; Wang, J.; Chen, Y. Fuel. 2023, 334, 126782. doi: 10.1016/j.fuel.2022.126782

    22. [22]

      Fan, J.; Chen, L.; Li, S.; Mou, J.; Zeng, L.; Jiao, Y.; Wang, J.; Chen, Y. J. Catal. 2023, 418, 90. doi: 10.1016/j.jcat.2023.01.009

    23. [23]

      He, D.; Ding, X.; Li, S.; Liang, Y.; Liu, Y.; Zhao, M.; Wang, J.; Chen, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 20875. doi: 10.1021/acsami.2c01371

    24. [24]

      Theis, J. R.; Getsoian, A.; Lambert, C. SAE Int. J. Fuels Lubr. 2017, 10, 583. doi: 10.4271/2017-01-0918

    25. [25]

      Yoon, D. Y.; Kim, Y. J.; Lim, J. H.; Cho, B. K.; Hong, S. B.; Nam, I. -S.; Choung, J. W. J. Catal. 2015, 330, 71. doi: 10.1016/j.jcat.2015.07.013

    26. [26]

      Wu, J.; O'Neill, A. E.; Li, C. -H.; Jinschek, J. R.; Cavataio, G. Appl. Catal. B 2021, 280, 119450. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119450

    27. [27]

      Xi, Y.; Ottinger, N.; Liu, Z. G. SAE Int. J. Eng. 2018, 11, 1331. doi: 10.4271/2018-01-1270

    28. [28]

      Yang, X.; Yang, L.; Lin, S.; Zhou, R. J. Hazard. Mater. 2015, 285, 182. doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.10.062

    29. [29]

      Kaspar, J.; Fornasiero, P.; Baiducci, G.; Di Monte, R.; Hickey, N.; Sergo, V. Inorg. Chim. Acta 2003, 349, 217. doi: 10.1016/s0020-1693(03)00034-3

    30. [30]

      Yao, M. H.; Baird, R. J.; Kunz, F. W.; Hoost, T. E. J. Catal. 1997, 166, 67. doi: 10.1006/jcat.1997.1504

    31. [31]

      Papavasiliou, A.; Tsetsekou, A.; Matsouka, V.; Konsolakis, M.; Yentekakis, I. V.; Boukos, N. Appl. Catal. B 2009, 90, 162. doi: 10.1016/j.apcatb.2009.03.006

    32. [32]

      Lan, L.; Chen, S.; Cao, Y.; Gong, M.; Chen, Y. Catal. Sci. Technol. 2015, 5, 4488. doi: 10.1039/c5cy00612k

    33. [33]

      Alcala, R.; DeLaRiva, A.; Peterson, E. J.; Benavidez, A.; Garcia-Vargas, C. E.; Jiang, D.; Pereira-Hernandez, X. I.; Brongersma, H. H.; ter Veen, R.; Stanek, J.; et al. Appl. Catal. B 2021, 284, 119722. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119722

    34. [34]

      Jones, J.; Xiong, H.; DeLaRiva, A. T.; Peterson, E. J.; Hien, P.; Challa, S. R.; Qi, G.; Oh, S.; Wiebenga, M. H.; Hernandez, X. I. P.; et al. Science. 2016, 353, 150. doi: 10.1126/science.aaf8800

    35. [35]

      Deng, J.; Li, Z.; Li, S.; Yin, X.; Li, M.; Wang, J.; Chen, Y.; Chen, Y. Appl. Catal. A 2022, 646, 118831. doi: 10.1016/j.apcata.2022.118831

    36. [36]

      Zhao, B.; Ran, R.; Cao, Y.; Wu, X.; Weng, D.; Fan, J.; Wu, X. Appl. Surf. Sci. 2014, 308, 230. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.04.140

    37. [37]

      Zhan, Z.; Song, L.; Liu, X.; Jiao, J.; Li, J.; He, H. J. Environ. Sci. 2014, 26, 683. doi: 10.1016/s1001-0742(13)60444-1

    38. [38]

      Guo, J.; Wu, D.; Zhang, L.; Gong, M.; Zhao, M.; Chen, Y. J. Alloys Compd. 2008, 460, 485. doi: 10.1016/j.jallcom.2007.05.088

    39. [39]

      Shen, M.; Lv, L.; Wang, J.; Zhu, J.; Huang, Y.; Wang, J. Chem. Eng. J. 2014, 255, 40. doi: 10.1016/j.cej.2014.06.058

    40. [40]

      Machida, M.; Uchida, Y.; Ishikawa, Y.; Hinokuma, S.; Yoshida, H.; Ohyama, J.; Nagao, Y.; Endo, Y.; Iwashina, K.; Nakahara, Y. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 24584. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b06657

    41. [41]

      Pu, Z. Y.; Liu, X. S.; Jia, A. P.; Xie, Y. L.; Lu, J. Q.; Luo, M. F. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 15045. doi: 10.1021/jp805389k

    42. [42]

      Yu, X.; Li, J.; Wei, Y.; Zhao, Z.; Liu, J.; Jin, B.; Duan, A.; Jiang, G. Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 9653. doi: 10.1021/ie500666m

    43. [43]

      Wang, W.; He, J.; Qiu, J.; Zhao, Y.; Li, M.; Yin, X.; Li, S.; Wang, J.; Chen, Y. J. Alloy. Compd. 2021, 879, 160476. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.160476

    44. [44]

      WengSieh, Z.; Gronsky, R.; Bell, A. T. J. Catal. 1997, 170, 62. doi: 10.1006/jcat.1997.1738

    45. [45]

      Lassi, U.; Polvinen, R.; Suhonen, S.; Kallinen, K.; Savimaki, A.; Harkonen, M.; Valden, M.; Keiski, R. L. Appl. Catal. A 2004, 263, 241. doi: 10.1016/j.apcata.2003.12.024

    46. [46]

      Wang, S.; Sun, M.; Huang, M.; Cheng, T.; Wang, J.; Yuan, S.; Chen, Y. Mol. Catal. 2017, 433, 162. doi: 10.1016/j.mcat.2017.01.015

    47. [47]

      Lan, L.; Wang, J. F.; Chen, S. H.; Li, D. C.; Li, H. M.; Liu, D. Y.; Wang, W.; Chen, Y. Q. J. Ind. Eng. Chem. 2019, 71, 127. doi: 10.1016/j.jiec.2018.11.014

    48. [48]

      Wang, T.; Li, Y.; Zhou, R. -X. Environ. Sci. Pollut. Res. 2020, 27, 30352. doi: 10.1007/s11356-020-08569-8

    49. [49]

      Cao, Y.; Ran, R.; Wu, X.; Zhao, B.; Weng, D. J. Environ. Sci. (China) 2017, 52, 197. doi: 10.1016/j.jes.2016.04.017

    50. [50]

      Wan, J.; Lin, J.; Guo, X.; Wang, T.; Zhou, R. Chem. Eng. J. 2019, 368, 719. doi: 10.1016/j.cej.2019.03.016

    51. [51]

      Huang, T.; Shen, M.; Cheng, G.; Wang, Y.; Wang, J.; Li, W.; Oh, S. H.; Qi, G.; Yang, M.; Wang, J. J. Rare Earths 2021, 39, 797. doi: 10.1016/j.jre.2020.04.003

    52. [52]

      Gayen, A.; Priolkar, K. R.; Sarode, R.; Jayaram, V.; Hegde, M. S.; Subbanna, G. N.; Emura, S. Chem. Mater. 2004, 16, 2317. doi: 10.1021/cm040126l

    53. [53]

      Varga, E.; Pusztai, P.; Oszko, A.; Baan, K.; Erdohelyi, A.; Konya, Z.; Kiss, J. Langmuir 2016, 32, 2761. doi: 10.1021/acs.langmuir.5b04482

    54. [54]

      Lang, R.; Li, T.; Matsumura, D.; Miao, S.; Ren, Y.; Cui, Y. -T.; Tan, Y.; Qiao, B.; Li, L.; Wang, A.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 16054. doi: 10.1002/anie.201607885

    55. [55]

      Schwartz, V.; Campos, A.; Egbebi, A.; Spivey, J. J.; Overbury, S. H. ACS Catal. 2011, 1, 1298. doi: 10.1021/cs200281g

    56. [56]

      Mizuno, T. Int. J. Hydrog. Energy 2003, 28, 1393. doi: 10.1016/s0360-3199(03)00042-9

    57. [57]

      Kurnatowska, M.; Kepinski, L. Mater. Res. Bull. 2013, 48, 852. doi: 10.1016/j.materresbull.2012.11.076

    58. [58]

      Dutta, G.; Waghmare, U. V.; Baidya, T.; Hegde, M. S. Chem. Mater. 2007, 19, 6430. doi: 10.1021/cm071330m

    59. [59]

      Gänzler, A. M.; Casapu, M.; Maurer, F.; Störmer, H.; Gerthsen, D.; Ferré, G.; Vernoux, P.; Bornmann, B.; Frahm, R.; Murzin, V.; et al. ACS Catal. 2018, 8, 4800. doi: 10.1021/acscatal.8b00330

    60. [60]

      Alayoglu, S.; An, K.; Melaet, G.; Chen, S.; Bernardi, F.; Wang, L. W.; Lindeman, A. E.; Musselwhite, N.; Guo, J.; Liu, Z.; et al. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 26608. doi: 10.1021/jp407280e

    61. [61]

      Cao, L.; Pan, L.; Ni, C.; Yuan, Z.; Wang, S. Fuel Process. Technol. 2010, 91, 306. doi: 10.1016/j.fuproc.2009.11.001

    62. [62]

      Morikawa, A.; Tanabe, T.; Hatanaka, M.; Takahashi, N.; Sato, A.; Kuno, O.; Suzuki, H.; Shinjoh, H. Appl. Catal. A 2015, 493, 33. doi: 10.1016/j.apcata.2015.01.003

    63. [63]

      Azambre, B.; Atribak, I.; Bueno-Lopez, A.; Garcia-Garcia, A. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 13300. doi: 10.1021/jp102949r

    64. [64]

      Kawabata, H.; Koda, Y.; Sumida, H.; Shigetsu, M.; Takami, A.; Inumaru, K. Catal. Sci. Technol. 2015, 5, 584. doi: 10.1039/c4cy01032a

    65. [65]

      Wang, Y.; Ge, C.; Zhan, L.; Li, C.; Qiao, W.; Ling, L. Ind. Eng. Chem. Res. 2012, 51, 11667. doi: 10.1021/ie300555f

    66. [66]

      Dujardin, C.; Mamede, A. S.; Payen, E.; Sombret, B.; Huvenne, J. P.; Granger, P. Top. Catal. 2004, 30-1, 347. doi: 10.1023/B:TOCA.0000029773.89206.0f

    67. [67]

      Haneda, M.; Shinoda, K.; Nagane, A.; Houshito, O.; Takagi, H.; Nakahara, Y.; Hiroe, K.; Fujitani, T.; Hamada, H. J. Catal. 2008, 259, 223. doi: 10.1016/j.jcat.2008.08.007

    68. [68]

      Chauvin, C.; Saussey, J.; Lavalley, J. C.; Idriss, H.; Hindermann, J. P.; Kiennemann, A.; Chaumette, P.; Courty, P. J. Catal. 1990, 121, 56. doi: 10.1016/0021-9517(90)90216-7

    69. [69]

      Sutton, C. C. R.; da Silva, G.; Franks, G. V. Chem. Eur. J. 2015, 21, 6801. doi: 10.1002/chem.201406516

    70. [70]

      Ueda, K.; Tsuji, M.; Ohyama, J.; Satsuma, A. ACS Catal. 2019, 9, 2866. doi: 10.1021/acscatal.9b00526

    71. [71]

      Machida, M.; Eidome, T.; Minami, S.; Buwono, H. P.; Hinokuma, S.; Nagao, Y.; Nakahara, Y. J. Phys. Chem. C. 2015, 119, 11653. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b01846

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  13
  • 文章访问数:  4421
  • HTML全文浏览量:  249
文章相关
  • 发布日期:  2023-12-15
  • 收稿日期:  2023-02-23
  • 接受日期:  2023-04-06
  • 修回日期:  2023-04-05
  • 网络出版日期:  2023-04-12
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