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陕西师范大学朱刚强团队:Au/富缺陷CuO金属载体相互作用增强CO低温催化氧化和抗湿性

日期: 来源:研之成理收集编辑:APM













文章题目:Metal Support Interaction of Defective-rich CuO and Au with Enhanced CO Low-temperature Catalytic Oxidation and Moisture Resistance

第一作者:王亚航

通信作者:朱刚强

本工作通过低温化学法构建一种富氧缺陷CuO1-x负载Au纳米颗粒复合催化剂,形成金属-载体相互作用(MSI)。Au的引入形成了新的CO吸附位点,成功的解决了CO与H2O、O2在反应位点上的竞争吸附问题。氧空位(OVs)和MSI耦合作用下,催化剂的还原能力和氧的活化和迁移能力都得到了增强。Au-CuO1-x复合催化剂具有在室温下催化氧化CO的能力,且在潮湿的环境下也具有较高的稳定性。密度泛函理论计算证实了竞争吸附现象的存在以及金属-载体相互作用和OVs耦合下对催化剂性能的影响。本工作对CO低温催化氧化的耐水机理也进行了详细的阐释。

01

研究背景

一氧化碳(CO)是一种无色无味的有害气体,难溶于水,大量存在于在汽车尾气、工业废气中。通常CO的处理技术主要包括吸附技术、催化氧化技术等。CO吸附是通过沸石等多孔结构材料进行吸附,需要材料具有高选择性、操作复杂、对吸附剂需求严格等特点,应用场景有限。CO热催化氧化技术可以利用工厂或汽车尾气中的热量进行CO去除。并且在所有的CO产生中都会有大量的水汽与之伴生。H2O在反应中会占据CO或O2的吸附位点,降低催化剂催化CO氧化的效率,对反应来说是有害的。因此,开发一种在室温下高效催化CO氧化并具有抗湿性的催化剂是一项重要的课题。对于催化剂的抗湿性大多数的文献都是从H2O参与到CO反应中产生COOH等中间产物去解释抗水性,较少有工作通过竞争吸附的角度去解释抗水性的机理。

02

创新点

本研究通过简单低温化学法制备了富氧空位CuO1-x负载Au纳米颗粒的复合催化剂(Au-CuO1-x)。该材料具有较高的比表面积和较强的还原性,在不同湿度下的CO催化氧化中展示出了较强的性能和较强的稳定性。具体创新点如下:

图1 .催化剂的形貌及表面化学环境

(1) 通过测试样品的电阻值来表征不同样品对于H2O的活化情况
本研究通过测试不同催化剂在高湿度环境下的电阻变化来分析样品对于H2O的解离情况。通常,催化剂表面的OVs在CO催化过程中可以作为CO、O2和H2O的吸附和活化位点。然后,OVs对于CO和O2的活化过程比较难以表征。而H2O可以在催化剂表面进行解离形成导电离子(2H2O→H3O+和OH-)。通过电阻响应值可以表征不同样品的电阻变化情况,从而可知H2O的解离情况。间接的表征样品对于反应气体的活化情况。

图2. 催化剂性能图、稳定性测试、TPR、TPD和样品的电阻响应值

(2) 运用原位红外实验和密度泛函理论计算相结合解释CO催化氧化中的抗水性问题

通过红外光谱和CO2-TPD等表征发现了Au纳米颗粒的引入成功的克服了H2O对于CO的竞争吸附。复合结构中的Au改变了CO的吸附方式,使得游离的CO远少于吸附位点上的CO,并增强了CO的吸附强度。密度泛函理论计算了CO的自由吸附,证明了Au位点相比于其他位点CO更优先吸附。而且,表面OVs对于O2的吸附是优先于H2O。未引入Au的样品中存在H2O与CO竞争吸附位点。而复合催化剂中引入了Au之后,CO具有了新的吸附位点。

图3. 不同样品在干燥和高湿度环境下对于CO吸附的原位红外光谱

图4. H2O、O2和CO在不同样品表面的吸附能

图5. CO催化反应的原位红外谱及路径

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启示

本工作对于克服催化剂表面的H2O竞争吸附提供了一种新思路。在MSI和OVs的耦合效应下,降低了反应所需的活化能和反应温度,从而使Au-CuO1-x复合催化剂在室温下具有高效催化氧化CO的性能。密度泛函理论计算和原位红外实验测试结果也证明了Au的引入了增加了的吸附和反应位点,克服了H2O所带来的竞争吸附。
04

团队介绍

王亚航:硕士生,现就读于陕西师范大学物理学与信息技术学院。目前主要研究方向为半导体纳米催化材料的制备及其CO低温催化去除。

朱刚强:现任陕西师范大学物理学与信息技术学院教授。2012年在西安交通大学获工学博士学位。主要研究方向为应用于环境净化的高性能光/热催化材料的制备以及气敏传感材料与器件。在国内外期刊发表了150余篇学术论文,引用超过6000次,h指数为43。
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文章信息

Yahang Wang, Lujun Zhu, Jingwei Li, Weibin Zhang, Xianjin Shi, Yu Huang, Mirabbos Hojamberdiev, Gangqiang Zhu. Metal support interaction of defective-rich CuO and Au with enhanced CO low-temperature catalytic oxidation and moisture resistance, Adv. Powder Mater. 2(2023)100119

原文下载点击结尾处“阅读原文”查看







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