α-Fe2O3形貌对Au/α-Fe2O3催化一氧化碳氧化反应性能的影响

doi:10.1016/S1872-2067(20)63687-7

摘要/Abstract

摘要：

负载型纳米金催化剂由于其独特的化学性质在一系列氧化反应中受到广泛关注. 其中, 一氧化碳氧化不仅在实际应用领域(如汽车尾气处理)发挥重要作用, 而且作为一种理想的模型反应用以深入研究和理解催化剂的构效关系. 为了获得高效的纳米金催化剂, 我们需要把金负载到载体上, 载体不仅为金的分散提供必要的表面, 而且还会和金产生相互作用, 这种金属-载体相互作用对金的氧化态, 金颗粒大小及其热稳定性均有重要影响.
金属氧化物是负载金最常用的载体. 为了提高纳米金催化剂的性能, 需要调变金属氧化物的性质. 常用的策略是调控金属氧化物的组成、晶相以及晶粒大小. 此外, 对金属氧化物的形貌进行精细调控也是一种重要的方法, 因为具有不同形貌的氧化物可能会暴露出不同的晶面, 而且可能具有不同的缺陷位点. α-Fe₂O₃是一种热稳定性强而且对环境友好的载体, 可是有关其形貌对负载金催化剂在一氧化碳氧化反应中性能影响的研究尚不充分. 因此, 本文采用水热法合成了具有纳米球和纳米棒两种形貌的氧化铁, 并采用沉积-沉淀的方法将金纳米颗粒负载于其表面. 高分辨透射电镜照片显示, 和氧化铁纳米球(α-Fe₂O₃(S))相比, 氧化铁纳米棒(α-Fe₂O₃(R))的表面更为粗糙, 具有更多的缺陷位点. Au和α-Fe₂O₃(R)之间有更强的金属载体相互作用, 导致纳米棒氧化铁上的金纳米颗粒更小而且多呈半球形. 相比之下, 纳米球氧化铁上的金纳米颗粒较大, 多呈球形, 且分布不均匀. 反应结果表明, Au/α-Fe₂O₃(R)具有更高的一氧化碳氧化活性. 对反应后的催化剂进行表征发现, Au/α-Fe₂O₃(R)上金颗粒烧结程度较低, 平均粒径从1.5增至2.4 nm, 而Au/α-Fe₂O₃(S)上金颗粒烧结较为严重, 平均粒径从2.0 nm增加到4.0 nm. 氢气程序升温还原结果表明, Au/α-Fe₂O₃(R)具有更强的还原性, 这也促进了其催化活性的提高.

关键词: 金, 一氧化碳氧化, α-Fe₂O₃, 形貌, 稳定性

Abstract:

Controlling the interaction between metal nanoparticles and the support is a means to tune catalytic activity and stability. Herein we investigated the influence of the morphology of hematite on the performance of gold for CO oxidation. Nanosphere and nanorod forms of hematite, α-Fe₂O₃(S) and α-Fe₂O₃(R) respectively, were used to support gold nanoparticles. The surface of α-Fe₂O₃(R) was more corrugated than that of α-Fe₂O₃(S). These defects provide anchoring sites for gold nanoparticle deposition and stabilization. Due to the stronger gold-support interactions, Au/α-Fe₂O₃(R) contained smaller and more hemispherical gold particles than Au/α-Fe₂O₃(S). Au/α-Fe₂O₃(R) was not only more active in CO oxidation but also much more stable as evident from the small change in gold particle size during reaction. The higher reducibility of Au/α-Fe₂O₃(R) also contributed to the higher CO oxidation activity.

Key words: Gold, CO oxidation, Hematite, Morphology, Stability

Yanan Gao, Fu-Kuo Chiang, Shaojie Li, Long Zhang, Peng Wang, Emiel J. M. Hensen. α-Fe₂O₃形貌对Au/α-Fe₂O₃催化一氧化碳氧化反应性能的影响[J]. 催化学报, 2021, 42(4): 658-665.

Yanan Gao, Fu-Kuo Chiang, Shaojie Li, Long Zhang, Peng Wang, Emiel J. M. Hensen. Influence of hematite morphology on the CO oxidation performance of Au/α-Fe₂O₃[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2021, 42(4): 658-665.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(20)63687-7

https://www.cjcatal.com/CN/Y2021/V42/I4/658

图/表 11

Fig. 1. SEM images of α-Fe2O3(S), α-Fe2O3(R) and corresponding fresh gold catalysts.

Fig. 2. XRD patterns of α-Fe2O3(S), α-Fe2O3(R) and corresponding fresh gold catalysts.

Table 1 Physicochemical properties of Au/α-Fe2O3 catalysts.

Material	S_BET (m²/g)	[Au] ^a (wt%)	D_Au ^b (nm)	D_Au ^c (nm)
Au/α-Fe₂O₃(S)	26	1.01	2.0 ± 0.5	4.0 ± 1.8
Au/α-Fe₂O₃(R)	15	1.03	1.5 ± 0.3	2.4 ± 0.7

Fig. 3. TEM, HAADF-STEM images and gold particle size distribution of fresh Au/α-Fe2O3(S) (a-f) and Au/α-Fe2O3(R) (g-l) catalyst.

Fig. 4. CO oxidation activity (a) and Arrhenius plot (b) of α-Fe2O3(S) and α-Fe2O3(R). Reaction conditions: 50 mg sample, 1 vol% CO, 1 vol% O2 balanced with He, total flow rate 50 ml/min.

Fig. 5. CO oxidation activity of fresh Au/α-Fe2O3(S) and Au/α-Fe2O3(R). Pretreatment conditions: 50 ml/min He, 25 °C, 2 h; Reaction conditions: 50 mg catalyst, 1 vol% CO, 1 vol% O2 balanced with He, total flow rate 50 ml/min.

Fig. 6. Arrhenius plots of Au/α-Fe2O3(S) and Au/α-Fe2O3(R) in two reaction cycles in CO oxidation.

Fig. 7. Au 4f XPS spectra of different samples. (a) fresh Au/α-Fe2O3(S); (b) fresh Au/α-Fe2O3(R); (c) used Au/α-Fe2O3(S); (d) used Au/α-Fe2O3(R).

Fig. 8. Fe 2p XPS spectra of different samples. (a) fresh Au/α-Fe2O3(S); (b) fresh Au/α-Fe2O3(R); (c) used Au/α-Fe2O3(S); (d) used Au/α-Fe2O3(R).

Fig. 9. TEM and HAADF-STEM images of used Au/α-Fe2O3(S) (a-d) and Au/α-Fe2O3(R) (e-h) catalysts.

Fig. 10. H2-TPR spectra of fresh and used Au/α-Fe2O3 catalysts.

参考文献

[1]	S. A. C. Carabineiro, Front. Chem., 2019,7, 702.
[2]	S. E. Davis, M. S. Ide, R. J. Davis, Green Chem., 2013,15, 17-45.
[3]	Y. Gao, E. J. M. Hensen, Catal. Commun., 2018,117, 53-56.
[4]	Y. Gao, L. Zhang, A. J. Van Hoof, H. Friedrich, E. J. M. Hensen, ACS Catal., 2019,9, 11104-11115.
[5]	A. Stephen, K. Hashmi, G. J. Hutchings, Angew. Chem. Int. Ed., 2006,45, 7896-7936.
[6]	A. A. Herzing, C. J. Kiely, A. F. Carley, P. Landon, G. J. Hutchings, Science, 2008,321, 1331-1335.
[7]	T. Ishida, T. Murayama, A. Taketoshi, M. Haruta, Chem. Rev., 2020,120, 464-525.
[8]	S. Yamazoe, K. Koyasu, T. Tsukuda, Acc. Chem. Res., 2013,47, 816-824.
[9]	S. Chen, L. Luo, Z. Jiang, W. Huang, ACS Catal., 2015,5, 1653-1662.
[10]	J. A. Hernández, S. A. Gómez, T. A. Zepeda, J. C. Fierro-González, G. A. Fuentes, ACS Catal., 2015,5, 4003-4012.
[11]	D. Widmann, R. Leppelt, R. J. Behm, J. Catal., 2007,251, 437-442.
[12]	S. Zhang, X. S. Li, B. Chen, X. Zhu, C. Shi, A. -M. Zhu, ACS Catal., 2014,4, 3481-3489.
[13]	I. X. Green, W. Tang, M. Neurock, J. T. Yates, Science, 2011,333, 736-739.
[14]	A. Y. Klyushin, M. T. Greiner, X. Huang, T. Lunkenbein, X. Li, O. Timpe, M. Friedrich, M. Hävecker, A. Knop-Gericke, R. Schlögl, ACS Catal., 2016,6, 3372-3380.
[15]	A. Sandoval, C. Louis, R. Zanella, Appl. Catal. B, 2013,140, 363-377.
[16]	S. Wei, W. W. Wang, X. P. Fu, S. Q. Li, C. J. Jia, J. Catal., 2019,376, 134-145.
[17]	D. Gu, J. C. Tseng, C. Weidenthaler, H. J. Bongard, B. Spliethoff, W. Schmidt, F. Soulimani, B. M. Weckhuysen, F. Schüth, J. Am. Chem. Soc., 2016,138, 9572-9580.
[18]	L. C. Wang, X. S. Huang, Q. Liu, Y. M. Liu, Y. Cao, H. Y. He, K. N. Fan, J. H. Zhuang, J. Catal., 2008,259, 66-74.
[19]	L. C. Wang, Q. Liu, X. S. Huang, Y. M. Liu, Y. Cao, K. N. Fan, Appl. Catal. B, 2009,88, 204-212.
[20]	T. Akita, Y. Maeda, M. Kohyama, J. Catal., 2015,324, 127-132.
[21]	S. Minico, S. Scire, C. Crisafulli, A. M. Visco, S. Galvagno, Catal. Lett., 1997,47, 273-276.
[22]	B. Qiao, J. X. Liang, A. Wang, C. Q. Xu, J. Li, T. Zhang, J. J. Liu, Nano Res., 2015,8, 2913-2924.
[23]	X. Wei, B. Shao, Y. Zhou, Y. Li, C. Jin, J. Liu, W. Shen, Angew. Chem. Int. Ed., 2018,57, 11289-11293.
[24]	L. Zeng, K. Li, H. Wang, H. Yu, X. Zhu, Y. Wei, P. Ning, C. Shi, Y. Luo, J. Phys. Chem. C, 2017,121, 12696-12710.
[25]	K. Zhao, H. Tang, B. Qiao, L. Li, J. Wang, ACS Catal., 2015,5, 3528-3539.
[26]	S. Carrettin, P. Concepción, A. Corma, J. M. Lopez Nieto, V. F. Puntes, Angew. Chem. Int. Ed., 2004,43, 2538-2540.
[27]	H. Ha, S. Yoon, K. An, H. Y. Kim, ACS Catal., 2018,8, 11491-11501.
[28]	X. S. Huang, H. Sun, L. C. Wang, Y. M. Liu, K. N. Fan, Y. Cao, Appl. Catal. B, 2009,90, 224-232.
[29]	G. Yi, Z. Xu, G. Guo, K.-I. Tanaka, Y. Yuan, Chem. Phys. Lett., 2009,479, 128-132.
[30]	G. Yi, H. Yang, B. Li, H. Lin, K.-i. Tanaka, Y. Yuan, Catal. Today, 2010,157, 83-88.
[31]	K. Jia. H. Zhang, W. Li, Chin. J. Catal., 2008,29, 1089-1092.
[32]	L. Gu, Q. Su, W. Jiang, Y. Yao, Y. Pang, W. Ji, C.-T. Au, Catal. Sci. Technol., 2018,8, 5782-5793.
[33]	C. J. Jia, L. D. Sun, Z. G. Yan, L. P. You, F. Luo, X. D. Han, Y. C. Pang, Z. Zhang, C. H. Yan, Angew. Chem. Int. Ed., 2005,44, 4328-4333.
[34]	R. Zanella, S. Giorgio, C. R. Henry, C. Louis, J. Phys. Chem. B, 2002,106, 7634-7642.
[35]	Q. He, S. J. Freakley, J. K. Edwards, A. F. Carley, A. Y. Borisevich, Y. Mineo, M. Haruta, G. J. Hutchings, C. J. Kiely, Nat. Commun., 2016,7, 12905.

α-Fe₂O₃形貌对Au/α-Fe₂O₃催化一氧化碳氧化反应性能的影响

Influence of hematite morphology on the CO oxidation performance of Au/α-Fe₂O₃

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

图/表 11

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	刘勇, 赵晓丽, 隆昶, 王晓艳, 邓邦为, 李康璐, 孙艳娟, 董帆. 原位构筑动态Cu/Ce(OH)_x界面用于高活性、高选择性和高稳定性硝酸盐还原合成氨[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 196-206.
[2]	孙丽娟, 于晓慧, 唐丽永, 王伟康, 刘芹芹. 构建K₃PW₁₂O₄₀/CdS核壳S型异质结实现同步太阳能光催化分解水和选择性苯甲醇氧化反应[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 164-175.
[3]	李世杰, 王春春, 董珂欣, 张鹏, 陈晓波, 李鑫. 新型MIL-101(Fe)/BiOBr S型异质催化剂用于高效光催化降解抗生素和还原六价铬: 光催化性能分析和光催化机理研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 101-112.
[4]	阎菲, 张由子, 刘思碧, 邹睿卿, Jahan B Ghasemi, 李炫华. 供体-受体型卟啉基金属有机框架实现有效电荷分离高效光催化析氢[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 124-134.
[5]	孙利娟, 王伟康, 路平, 刘芹芹, 王乐乐, 唐华. 纳米高熵合金实现光催化剂肖特基势垒的调控用于光催化制氢与苯甲醇氧化耦合反应[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 90-100.
[6]	刘海峰, 黄祥, 陈加藏. 电子态调控促进氢气无损耗纯化中CO的光致富集和氧化[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 49-54.
[7]	袁鑫, 范海滨, 刘杰, 覃龙州, 王剑, 段秀, 邱江凯, 郭凯. 连续流技术在光氧化还原催化转化的最新进展[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 175-194.
[8]	周波, 石建巧, 姜一民, 肖磊, 逯宇轩, 董帆, 陈晨, 王特华, 王双印, 邹雨芹. 强化脱氢动力学实现超低电池电压和大电流密度下抗坏血酸电氧化[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 372-380.
[9]	安国庆, 张晓伟, 张灿阳, 高鸿毅, 刘斯奇, 秦耕, 齐辉, Jitti Kasemchainan, 张建伟, 王戈. 金属有机骨架基绿色催化剂在醇氧化反应中的研究应用[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 126-174.
[10]	李慧杰, 池漫洲, 辛兴, 王瑞杰, 刘天府, 吕红金, 杨国昱. 异金属取代的多金属氧酸盐@光响应型金属-有机框架用于高选择性光催化CO₂还原[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 343-351.
[11]	Sang Eon Jun, Sungkyun Choi, Jaehyun Kim, Ki Chang Kwon, Sun Hwa Park, Ho Won Jang. 用于电化学能量转换反应的非贵金属单原子催化剂[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 195-214.
[12]	刘诗瑶, 巩玉同, 杨晓, 张楠楠, 刘会斌, 梁长海, 陈霄. 具有富电子镍位点的耐酸金属间化合物CaNi₂Si₂催化剂用于不饱和有机酸酐/酸的水相加氢[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 260-272.
[13]	韩璟怡, 管景奇. 通过限域-热解策略可控合成双原子催化剂[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 1-4.
[14]	娄向西, 高璇, 刘钰, 褚名宇, 张丛洋, 邱盈华, 杨文秀, 曹暮寒, 王贵领, 张桥, 陈金星. 高效光热催化废旧聚酯塑料升级回收[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 113-122.
[15]	张海波, 王中辽, 张金锋, 代凯. 金属硫化物基异质结光催化剂: 原理、影响、应用和原位表征[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 42-67.