Pd(100)氧化表面上低温丙烷氧化的活性相研究

徐美佳 张宇琛 朱一帆 李昌林 吴子昂 周雄 吴凯

引用本文: 徐美佳, 张宇琛, 朱一帆, 李昌林, 吴子昂, 周雄, 吴凯. Pd(100)氧化表面上低温丙烷氧化的活性相研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 230503. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305033 shu
Citation:  Meijia Xu, Yuchen Zhang, Yifan Zhu, Changlin Li, Zi-Ang Wu, Xiong Zhou, Kai Wu. Active Phase on Oxidized Pd(100) for Low-Temperature Propane Oxidation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(10): 230503. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305033 shu

Pd(100)氧化表面上低温丙烷氧化的活性相研究

    通讯作者: 周雄, xiongzhou@pku.edu.cn; 吴凯, kaiwu@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22222102

    国家自然科学基金 21821004

    国家自然科学基金 21927901

摘要: 钯作为汽车尾气处理的三效催化剂的关键成分,在烷烃的完全氧化和CO低温氧化中扮演着重要催化角色。在富氧环境下,钯表面通常会形成薄的氧化物层。为了揭示钯表面上烷烃完全氧化的活性相,我们对Pd(100)表面氧化过程及其对丙烷氧化的活性相进行了详细研究。实验结果表明,在不同氧化条件下,Pd(100)表面依次形成了三种单层氧化相,即(2 × 2)-O、(5 × 5)-PdO和($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO,它们的O覆盖度分别为0.25单层,0.56单层和0.8单层。值得注意的是,(5 × 5)-PdO结构首次得到了高分辨扫描隧道显微镜成像的确认。实验发现该结构呈现出典型的手性特征,两种手性对映体结构也可在实验中观察到。根据高分辨原子成像,我们提出了新的(5 × 5)-PdO结构模型。(5 × 5)-PdO结构的手性特征在手性催化等领域中可能有着重要意义。热分解实验发现(5 × 5)-PdO结构热分解形成($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO和(2 × 2)-O结构,而($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO热分解产生(2 × 2)-O。该结果表明这些氧化相的热稳定性次序为(2 × 2)-O > ($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO > (5 × 5)-PdO。随后我们对比研究了这三种氧化相在低温丙烷氧化方面的催化活性。结果表明,只有($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO可以在接近室温条件下催化丙烷氧化,而($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO出现了大量氧缺陷,且形成还原的(2 × 2)-O相。程序升温脱附谱测到了完全氧化产物H2O和CO2,在285和315 K出现两个主要反应温区。(2 × 2)-O和(5 × 5)-PdO相则无明显的催化活性。($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO相的优异氧化活性可能与($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO结构中较高的O密度相关,即结构中较活泼的O物种。本研究表明($ \sqrt{\text{5}} $ × $ \sqrt{\text{5}} $) R27°-PdO为丙烷低温氧化中的活性相。这些有助于人们理解三效催化剂的工作机制,对于高效低温三效催化剂的研发具有重要意义。

English

    1. [1]

      李红梅, 兰丽, 陈山虎, 刘达玉, 王卫, 龚茂初, 陈耀强. 物理化学学报, 2016, 32, 1734. doi: 10.3866/PKU.WHXB201603235Li, H. M.; Lan, L.; Chen, S. H.; Liu, D. Y.; Wang, W.; Gong, M. C.; Chen, Y. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 1734. doi: 10.3866/PKU.WHXB201603235

    2. [2]

      Gao, F.; McClure, S. M.; Cai, Y.; Gath, K. K.; Wang, Y.; Chen, M. S.; Guo, Q. L.; Goodman, D. W. Surf. Sci. 2009, 603, 65. doi: 10.1016/j.susc.2008.10.031

    3. [3]

      贾永昌, 王树元, 孟涟, 鲁继青, 罗孟飞. 物理化学学报, 2016, 32, 1801. doi: 10.3866/PKU.WHXB201604081Jia, Y. C.; Wang, S. Y.; Meng, L.; Lu, J. Q.; Luo, M. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 1801 doi: 10.3866/PKU.WHXB201604081

    4. [4]

      Schwartz, A. J. Catal. 1971, 21, 199. doi: 10.1016/0021-9517(71)90138-2

    5. [5]

      Niu, Y. M.; Liu, X.; Wang, Y. Z.; Zhou, S.; Lv, Z. G.; Zhang, L. Y.; Shi, W.; Li, Y. W.; Zhang, W.; Su, D. S.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4232. doi: 10.1002/anie.201812292

    6. [6]

      Zhang, J.; Fan, L.; Zhao, F.; Fu, Y.; Lu, J. Q.; Zhang, Z.; Teng, B.; Huang, W. ChemCatChem 2020, 12, 5540. doi: 10.1002/cctc.202000934

    7. [7]

      Li, R. T.; Xu, X. Y.; Zhu, B. E.; Li, X. Y.; Ning, Y. X.; Mu, R. T.; Du, P. F.; Li, M. W.; Wang, H. K.; Liang, J. J.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 1406. doi: 10.1038/s41467-021-21552-2

    8. [8]

      Hellman, A.; Resta, A.; Martin, N. M.; Gustafson, J.; Trinchero, A.; Carlsson, P. A.; Balmes, O.; Felici, R.; van Rijn, R.; Frenken, J. W. M.; et al. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 678. doi: 10.1021/jz300069s

    9. [9]

      Hirvi, J. T.; Kinnunen, T. J. J.; Suvanto, M.; Pakkanen, T. A.; Norskov, J. K. J. Chem. Phys. 2010, 133, 084704. doi: 10.1063/1.3464481

    10. [10]

      Shipilin, M.; Hejral, U.; Lundgren, E.; Merte, L. R.; Zhang, C.; Stierle, A.; Ruett, U.; Gutowski, O.; Skoglundh, M.; Carlsson, P. -A.; et al. Surf. Sci. 2014, 630, 229. doi: 10.1016/j.susc.2014.08.021

    11. [11]

      Hoffmann, M. J.; Reuter, K. Top. Catal. 2014, 57, 159. doi: 10.1007/s11244-013-0172-5

    12. [12]

      Chang, S. L.; Thiel, P. A.; Evans, J. W. Surf. Sci. 1988, 205, 117. doi: 10.1016/0039-6028(88)90167-7

    13. [13]

      Zheng, G.; Altman, E. I. Surf. Sci. 2002, 504, 253. doi: 10.1016/s0039-6028(02)01104-4

    14. [14]

      Mehar, V.; Kim, M.; Shipilin, M.; Van den Bossche, M.; Gustafson, J.; Merte, L. R.; Hejral, U.; Grönbeck, H.; Lundgren, E.; Asthagiri, A.; et al. ACS Catal. 2018, 8, 8553. doi: 10.1021/acscatal.8b02191

    15. [15]

      Rose, M. K.; Borg, A.; Dunphy, J. C.; Mitsui, T.; Ogletree, D. F.; Salmeron, M. Surf. Sci. 2003, 547, 162. doi: 10.1016/j.susc.2003.08.057

    16. [16]

      Orent, T. W.; Bader, S. D. Surf. Sci. 1982, 115, 323. doi: 10.1016/0039-6028(82)90412-5

    17. [17]

      Todorova, M.; Lundgren, E.; Blum, V.; Mikkelsen, A.; Gray, S.; Gustafson, J.; Borg, M.; Rogal, J.; Reuter, K.; Andersen, J. N.; et al. Surf. Sci. 2003, 541, 101. doi: 10.1016/s0039-6028(03)00873-2

    18. [18]

      Kostelník, P.; Seriani, N.; Kresse, G.; Mikkelsen, A.; Lundgren, E.; Blum, V.; Šikola, T.; Varga, P.; Schmid, M. Surf. Sci. 2007, 601, 1574. doi: 10.1016/j.susc.2007.01.026

    19. [19]

      Shipilin, M.; Stierle, A.; Merte, L. R.; Gustafson, J.; Hejral, U.; Martin, N. M.; Zhang, C.; Franz, D.; Kilic, V.; Lundgren, E. Surf. Sci. 2017, 660, 1. doi: 10.1016/j.susc.2017.01.009

    20. [20]

      Huang, Z.; Han, C.; Sun, Y. Y.; Wu, K.; Chen, W. J. Phys. Chem. C 2021, 125, 15599. doi: 10.1021/acs.jpcc.1c03682

    21. [21]

      Huang, Z. C.; Xu, Z.; Zhou, J. Y.; Chen, H. R.; Rong, W. H.; Lin, Y. X.; Wen, X. J.; Zhu, H.; Wu, K. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 17823. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b03253

    22. [22]

      Zhang, Y.; Feng, W.; Yang, F.; Bao, X. H. Chin. J. Catal. 2019, 40, 204. doi: 10.1016/s1872-2067(18)63171-7

    23. [23]

      赵新飞, 陈浩, 吴昊, 王睿, 崔义, 傅强, 杨帆, 包信和. 物理化学学报, 2018, 34, 1373. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804131Zhao, X. F.; Chen, H.; Wu, H.; Wang, R.; Cui, Y.; Fu, Q.; Yang, F.; Bao, X. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 1373. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804131

    24. [24]

      Hendriksen, B. L. M.; Bobaru, S. C.; Frenken, J. W. M. Surf. Sci. 2004, 552, 229. doi: 10.1016/j.susc.2004.01.025

    25. [25]

      Zheng, G.; Altman, E. I. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 1048. doi: 10.1021/jp013395x

    26. [26]

      van Rijn, R.; Balmes, O.; Resta, A.; Wermeille, D.; Westerstrom, R.; Gustafson, J.; Felici, R.; Lundgren, E.; Frenken, J. W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 13167. doi: 10.1039/c1cp20989b

    27. [27]

      Toyoshima, R.; Yoshida, M.; Monya, Y.; Suzuki, K.; Mun, B. S.; Amemiya, K.; Mase, K.; Kondoh, H. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3182. doi: 10.1021/jz301404n

    28. [28]

      Weaver, J. F.; Hakanoglu, C.; Hawkins, J. M.; Asthagiri, A. J. Chem. Phys. 2010, 132, 024709. doi: 10.1063/1.3277672

    29. [29]

      Weaver, J. F.; Devarajan, S. P.; Akanoglu, C. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 9773. doi: 10.1021/jp9013114

    30. [30]

      Antony, A.; Asthagiri, A.; Weaver, J. F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 12202. doi: 10.1039/c2cp41900a

    31. [31]

      Wrobel, R. J.; Becker, S. Vacuum 2010, 84, 1258. doi: 10.1016/j.vacuum.2010.01.056

    32. [32]

      Huang, W. X.; Zhai, R. S.; Bao, X. H. Surf. Sci. 1999, 439, L803. doi: 10.1016/s0039-6028(99)00820-1

    33. [33]

      Rose, M. K.; Borg, A.; Mitsui, T.; Ogletree, D. F.; Salmeron, M. J. Chem. Phys. 2001, 115, 10927. doi: 10.1063/1.1420732

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  553
  • HTML全文浏览量:  55
文章相关
  • 发布日期:  2023-10-15
  • 收稿日期:  2023-05-16
  • 接受日期:  2023-06-13
  • 修回日期:  2023-06-12
  • 网络出版日期:  2023-06-28
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