氧化铈负载的双金属型小尺寸催化材料的合成、催化性能及其“构效关系”研究
王旭
学位类型博士
导师司锐
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词氧化铈 双金属型催化剂 一氧化碳氧化 费托合成 X射线吸收精细结构谱学(Xafs) 构效关系
摘要随着能源需求与环境污染的加剧,催化剂在人们生活中扮演着至关重要的作用,人们对于催化剂的研究也日趋白热化。氧化铈因其具有丰富的氧空位,作为氧化还原催化剂载体,在工业催化中发挥着重要的作用。氧化铈负载的金属或金属氧化物催化剂也是被广泛地应用于各个催化体系中,其中氧化铈负载的双金属型(包括双金属和双金属氧化物)催化剂由于双金属间的协同效应以及双金属与氧化铈之间的相互作用,更是对催化体系有着不同的促进作用。但是对于氧化铈负载的双金属型催化剂的研究还十分有限,如何对其活性中心的指认,以及双金属之间,双金属与载体之间的相互作用对催化反应的影响,并阐明其“构效关系”仍然是一个具有挑战性的课题。本博士论文以沉积沉淀法制备了氧化铈负载的小尺寸(纳米颗粒、亚纳米团簇和单原子)双金属型催化剂,通过控制双金属物种在氧化铈表面上的形貌、尺寸以及分布状态,系统地研究了一氧化碳氧化反应和费托合成反应的催化性能及其机理研究,并进一步探讨了活性中心结构与催化性能之间的“构效关系”。具体的研究结果如下:1.氧化铈负载钴锰双金属体系:为了消除氢氧燃料电池中氢原料中的有害一氧化碳,提高氢氧燃料电池效率,氧化铈负载的钴锰双金属催化剂被应用到一氧化碳氧化反应的研究中来。本论文利用沉积沉淀法将钴锰金属元素前驱体负载到氧化铈纳米棒载体上,得到了单金属负载氧化铈纳米催化剂与双金属负载的氧化铈纳米催化剂。利用电感耦合等离子光谱(ICP)、X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、氮气物理吸附(BET)等测试获得了催化剂样品的组分、晶相、形貌与比表面积、孔径等基本结构信息。相关的一氧化碳氧化反应测试结果表明:钴锰双金属型纳米催化剂对于一氧化碳氧化反应的性能,好于相应的钴、锰单金属型纳米催化剂。新制备样品经过X射线吸收精细结构谱(XAFS)与球差校正的透射扫描电子显微镜(HAADF-STEM)测试,确认了其催化一氧化碳氧化的活性物种钴氧化物(CoO_x)团簇是以Co_3O_4的晶相分布在氧化铈表面,并且锰元素的引入可以提高CoO_x团簇在氧化铈表面的结晶度,从而促进其对于一氧化碳催化氧化的能力。2.氧化铈负载铜银双金属体系:为了进一步高效地消除氢氧燃料电池中氢原料中的有害一氧化碳,氧化铈负载的铜催化剂被应用到一氧化碳氧化反应中。本论文利用沉积沉淀法将铜、银金属前驱体负载到氧化铈纳米棒上,得到了双金属负载的氧化铈纳米催化剂。利用ICP、XRD、TEM等测试获得了催化剂样品的组分、晶相、形貌等基本结构信息。相关的一氧化碳氧化反应测试结果表明:铜银双金属型纳米催化剂对于一氧化碳氧化反应的性能,与相对应的铜单金属型催化剂相当。新制备样品经过HAADF-STEM与氢气程序升温还原(H_2-TPR)测试,确认了活性金属铜与载体之间存在(Cu-[O_x]-Ce)的强相互作用,并且银元素的引入并没有改变铜物种的结构。3.氧化铈负载铁钌双金属体系:为了缓解能源危机,提高费托合成反应的产率,氧化铈负载的铁催化剂被应用到费托合成反应的研究中。本论文利用沉积沉淀法将铁、钌金属前驱体负载到氧化铈纳米棒上,得到双金属负载的氧化铈纳米催化剂。利用ICP、XRD、BET、TEM等测试获得催化剂样品的组分、晶相、形貌与比表面积、孔径等基本结构信息。相关的费托合成反应测试结果表明:铁钌双金属型纳米催化剂对于费托合成反应的性能不同于相应的铁单金属型纳米催化剂。反应前后样品经过球差校正的HAADF-STEM和XAFS测试,确认了费托合成反应过程中活性铁物种从原子簇向铁单原子转变,并且钌元素的引入削弱了铁物种与氧化铈载体之间的相互作用,加速了铁单原子的形成。以上研究结果对氧化铈负载的双金属型催化剂在合成制备、催化性能以及“构效关系”的阐述具有一定的指导意义。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28514
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
王旭. 氧化铈负载的双金属型小尺寸催化材料的合成、催化性能及其“构效关系”研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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