贵金属催化剂的性质及简单的活性组成
2022-02-10
      目前,催化剂活性组分的研究重点在于铂、钯、金等单组分贵金属的改性和双组分贵金属的设计合成;对载体的研究主要涉及酸性、孔结构以及载体与金属的强相互作用。未来还需进一步提高贵金属催化剂的抗中毒性能。

贵金属催化剂活性元素组分

      贵金属催化剂通常以Pt、Pd、Au等金属作为活性组分,其中对Pt、Pd的研究起步较早,对Au的研究也在近几年内得到了更多关注,以下对贵金属催化剂元素的分析:

1、Pt催化剂

&      总体上看,Pt催化剂对苯、甲苯具有较高的催化燃烧活性,在处理含氯VOCs时有更高的CO2选择性,但难以催化氧化乙酸乙酯,且易受CO中毒的影响。对于Pt催化剂来说,随着Pt颗粒尺寸的减小,Pt的分散度提升,Pt(0)的比例则下降,因而采用合适的方法,精确控制组分颗粒的尺寸,是改善催化性能的有效途径。过渡金属改性的Pt催化剂是另一研究方向,过渡金属的作用一般体现在两方面:

1)提高了Pt的分散度;
2)与Pt产生协同作用,提升了活性和抗中毒性能。

2、Pd催化剂

      与Pt催化剂相比,Pd催化剂有更优异的水热稳定性。在一定条件下,Pd催化剂拥有比Pt、Au催化剂更高的催化活性。负载方法显著影响Pd催化剂性能的优劣。

3、Au催化剂

       Au是一种对氧和氢呈现惰性的金属,但Haruta等发现如将金属态Au粒径控制在5 nm以下,同时负载在金属氧化物载体上,能够显著增强催化活性。相比于Pd和Pt,Au与吸附物间的作用力更为适中,在某些条件下能获得远优于Pt、Pd催化剂的效果。Au催化剂的研究重点在于载体的选择以及Au与载体的协同效应。

4、双组分贵金属催化剂

      众多研究表示,向单组分贵金属催化剂中添加另一贵金属组分,可促进电子的流动和表面氧的生成,影响颗粒粒径和电子结构,展现了比单组分贵金属催化剂更优异的催化活性。稀土元素的加入能够影响贵金属原子表面的电荷转移,进一步提升氧化还原能力,其中,CeO2在氧化还原过程中可快速实现Ce3+/Ce4+的转变,常被用作催化助剂。

 载体的性质及载体-金属的相互作用对催化剂活性的影响

      载体不仅对活性组分起到机械承载的作用,还可以增加催化剂的活性表面积,提升活性组分的分散度。传统的催化剂载体包括γ-Al2O3、TiO2、SiO2和分子筛等。近年来报道的催化剂载体还有Co3O4、Mn2O3等多孔金属氧化物。载体的性质(如多孔结构、酸性等)以及载体-金属的强相互作用,与催化剂的活性和稳定性有密切联系。

1、载体的多孔结构

      拥有多孔结构的金属氧化物载体是当前的研究热点,除了拥有高比表面积外,其本身还具有一定的催化能力。该类材料的特定孔结构有利于氧的吸附,促进了表面氧浓度的提升。

2、载体的酸性位

      酸性位能够吸附反应物,将其解离成较小的分子产物,载体的酸性位对反应进程有不可忽视的影响,有报道认为Brönsted酸性位的数量与催化氧化活性呈正相关。

3、载体-金属的强相互作用

      载体-金属的强相互作用(SMSI)表示可还原性载体将自身的部分电子传递给金属,改变了金属组分的物理化学性质,从而影响催化反应。

总结

      目前,过渡金属改性的贵金属催化剂和Pt-Pd、Pd-Au等双组分贵金属催化剂是该方向的研究热点。对贵金属催化剂载体的研究通常涉及载体孔结构和酸性的调控,孔结构影响了组分分散度和分布形式,载体的酸性位强化了分子的吸附裂化,却也易导致积碳的生成。此外,部分催化材料还产生了载体-金属的强相互作用,组分的物理化学性质发生变化,影响了催化剂的反应活性。
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