二氧化钛负载金催化剂:界面效应（英文）

论文摘要

自从发现TiO2负载金纳米粒子对CO氧化具有催化活性以来,人们努力探索Au/TiO2催化剂上催化活性位点的化学本质.大量研究表明, Au/TiO2催化反应的活性位点位于金颗粒-TiO2载体界面处,催化剂活性通常与界面周长成正比.因此,无论是金颗粒的大小还是二氧化钛表面的化学性质都决定着Au-TiO2界面结构和催化活性,即Au颗粒和二氧化钛表面之间的电子结构和几何相互作用.商用P25是锐钛矿相和金红石相以80/20比例混合的二氧化钛,通常用于负载金纳米粒子.然而,由于P25表面的多样性和复杂性,很难直接区分界面的原子精细结构,给研究载体表面结构对催化性能的影响带了一定困难.设计特定形貌TiO2（合成暴露特定晶面的TiO2）,形成均匀的Au-TiO2界面成为研究该课题的突破口.目前,随着纳米材料设计的日渐成熟,氧化物形貌甚至晶面的可控合成已经实现.最近原位透射电镜发现,与TiO2{101}相比金颗粒与TiO2{001}具有更强的相互作用.氧气在773 K焙烧,负载在TiO2{101}的Au粒子通过Ostwald熟化和粒子的迁移聚结而烧结成大颗粒;反之,负载在TiO2{001}上的Au粒子则非常稳定.这主要归结于Au粒子在TiO2{001}上的吸附能比在TiO2{101}上高很多.Au与TiO2{001}的强相互作用可以促进电子从Au纳米粒子到吸附的O2上的转移,从而有利于氧离解和提高CO氧化活性.本文采用水热法合成选择性暴露TiO2{001}和TiO2{101}的锐钛矿TiO2:暴露TiO2{001}比例84%的纳米片（TiO2-S）和19%的纺锤体（TiO2-P）,然后分别负载上2nm左右的Au溶胶颗粒并在623K空气下进行烧结.通过X射线光电子能谱（XPS）,高分辨透射电镜（HRTEM/STEM）等表征手段研究了Au纳米粒子的尺寸分布、电子结构以及原子结构.XPS结果表明, Au物种为金属态Au0颗粒.对Au粒子尺寸进行统计,发现在TiO2{001}上的Au粒子尺寸大小无明显变化（2.2nm）,而在TiO2{101}上的Au粒子尺寸由2.2 nm长到3.1 nm.结果表明,在TiO2{001}与Au粒子相互作用更强,能更好地稳定Au粒子.在CO氧化反应测试中发现, Au/TiO2{001}具有比Au/TiO2{101}更高的催化活性;但是两个催化剂的表观活化能相近(Au/TiO2-P为30.0 kJ mol-1, Au/TiO-2-S为28.2 kJ mol-1),且与典型的Au/TiO2催化CO氧化反应动力学数据一致进行分析,表明催化剂载体的晶面并未影响反应路径.进一步结合原子结构模型,将反应速率归一化到Au-TiO2界面,发现两者界面原子的转化频率（TOF）相差较大;Au/TiO2-P,即Au/TiO2{101}界面Au原子在室温下的TOF为1.52 s-1,而Au/TiO2-S催化剂的为2.10 s-1,其中Au/TiO2{001}的转化频率为2.35s-1.这表明,在TiO2{001}界面上的Au粒子（粒径2.2nm）不仅热稳定性比较好,且催化性能比在TiO2{101}上的Au粒子（粒径3.1 nm）更高,这主要是由于TiO2{001}表面独特的原子排列使金颗粒与之结合更为强烈.

论文目录

• 1. Introduction
• 2. Experimental
•   2.1. Synthesis of Au/Ti O2 catalysts
•   2.2. Catalyst characterization
•   2.3. Catalytic test
• 3. Results and discussion
•   3.1. Synthesis and characterization of Au/Ti O2
•   3.2. Catalytic activity of Au/Ti O2 in CO oxidation
• 4. Conclusions
• Graphical Abstract

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 邵斌,赵雯宁,苗樹,黄家辉,王丽丽,李杲,申文杰

关键词: 金纳米粒子,二氧化钛,稳定性,界面,氧化

来源: Chinese Journal of Catalysis 2019年10期

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 化学

单位: 中国科学院大连化学物理研究所催化国家重点实验室,中国科学院大连化学物理研究所金催化研究中心,中国科学院大学

基金: supported by Liaoning Revitalization Talents Program (XLYC1807121),National Natural Science Foundation of China (20673054)~~

分类号: O643.36

页码: 1534-1539

总页数: 6

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