基于不同方法制备的氧化铁负载型铂催化剂在甲醛中的催化氧化外文翻译资料

基于不同方法制备的氧化铁负载型铂催化剂在甲醛中的催化氧化

摘要：不同方法制备氧化铁型负载铂催化剂，包括：共沉淀法，浸渍法和胶体沉积法。用甲醛的完全催化氧化来研究这些催化剂的催化性能，发现用胶体沉淀法制备的（Pt/Fe₂O₃-CD）展示出了相对较高的催化活性，能够在室温下完全氧化甲醛。通过大量的理化特性表征结果，可以提出铂颗粒和氧化铁之间相互作用（例如：Pt-O-Fe）的存在，能够影响氧化铁载体的结构和性能，同时在决定（Pt/Fe₂O₃-CD）催化剂的催化活性方面起到了积极作用。

关键字：铂催化剂 甲醛氧化 金属-载体相互作用 氧化铁

1.引言

低温下甲醛催化氧化为二氧化碳和水受到了广泛的关注。在低温条件下贵金属催化剂展现了相对较高的催化活性。尤其是最近出现的载铂催化剂在低温下改善甲醛的催化氧化性能方面取得了显著的进步。早已达成的普遍共识是，催化剂的制备方法和活性组分与载体之间的相互协同作用在决定催化活性方面起着关键作用。为了获得更好的催化活性，已经探索了许多负载贵金属型催化剂的方法和技术。共沉淀法和浸渍法是两种制备负载贵金属型催化剂的传统方法，并且制备过程通常涉及到活性成分前驱体和载体的结合，干燥以及在高温下焙烧。必要情况下还要减重。张和何等人报道了一种用浸渍法制备的Pt/TiO2催化剂，能够在环境温度下完全氧化甲醛。一系列在温和条件下用硼氢化钠还原法制备发展成熟的载铂催化一直被用来去除室内甲醛。在甲醛的氧化中，仍然有进一步改善制备工艺和更深入探索诸如金和铂等活性

组分的空间。

在过去的研究中，所获得的一系列载铂催化剂都被用于室温下甲醛和一氧化碳的完全催化氧化。尤其是用胶体沉淀法制备的Pt/Fe₂O₃催化剂，在甲醛的氧化过程中展现出了极好的催化活性和长期稳定性。文中，用不同方法（包括：共沉淀法，浸渍法和胶体沉淀法）制备了一系列的Pt/Fe₂O₃催化剂。这些催化剂的催化性能通过甲醛的完全催化氧化来衡量。通过表征Pt/Fe₂O₃催化剂的理化性能来研究Pt/Fe₂O₃催化剂的结构和还原性能，同时更好地理解催化剂上活性位点的性质。

2.实验

2.1催化剂的制备

用三种不同的方法制备Pt/Fe₂O₃催化剂。（1）胶体沉淀法：将NaOH和H₂PtCL₆的乙二醇溶液搅拌一小时，然后在140℃和保护性气氛下加热3小时以获得铂胶体溶液。氧化铁载体前驱体，Fe(OH)₃沉淀和铂胶体溶液混合并且在80℃条件下加热。分离出固体并且用蒸馏水彻底洗涤。最终的产品在100℃下干燥，并且在200℃，20%的O₂/Ar气流中焙烧。催化剂被命名为Pt/Fe₂O₃-CD。（2）共沉淀法：一份Na₂O₃溶液被缓慢添加到包含H₂PtCL₆和Fe(NO₃)₃溶液中直到PH值达到8-9.沉淀在母液中进一步老化4小时。过滤后用蒸馏水洗涤，获得的固体在100℃下干燥，并且在200℃，20%的O₂/Ar气流中焙烧。催化剂被命名为Pt/Fe₂O₃-CP。（3）浸渍法:氧化铁载体前驱体（Fe(OH)₃沉淀）是用Fe(NO₃)₃作为铁盐和Na₂CO₃作为沉淀剂的沉淀法制备的。然后加入H₂PtCL₆溶液。浸渍之后，在80℃下用旋转蒸发器去除多余的水。样品在100℃下干燥，并且在200℃，20%的O₂/Ar气流中焙烧。催化剂被命名为Pt/Fe₂O₃-IMP。对于所有的催化剂，Pt的负载量都是1.0%。

2.2催化剂的表征

催化剂的X射线衍射分析在一台D/Max-rA衍射仪上进行（工作电压30Kv,工作电流40mA并且使用镍过滤CuK_alpha;射线）。透射电镜图片使用一台工作电压200 Kv的透射电镜（H8100-I/V）拍摄。样品的热重差热分析在一台标准热重分析仪上进行（在大气中，流速：90ml/min;加热速率：10℃/min）。氢气程序升温还原（H₂-TPR）测量在一台带有TCD的吸附设备上进行。装载好样品后在100℃的Ar气流中预处理30min以去除吸附的碳氢化合物。H₂-TPR测量在5%的H₂/N₂气流（90ml/min）中进行，催化剂放置20mg并且加热速率是10℃/min。还原反应的吸收量使用热导检测器来测量。Mouml;ssbauer光谱是在使用Rh源⁵⁷Co的 OxfordMS-500Mouml;ssbauer光谱仪中进行。

2.3催化剂的测试

甲醛的氧化测试，反应室是一个石英管，在中部放置0.2g（40-60目）的催化剂。在催化剂床的中间位置放置一个热电偶以检测温度。包含100-500ppm和20vol.%O₂的混合气体作为反应物由氮气引入。气态甲醛由氮气通过一个装有多聚甲醛的鼓泡瓶来产生。产物和反应物用一台配备有TCD探测器的气相色谱仪（GC-8A）来分析，Pt/Fe₂O₃催化剂的催化活性由甲醛转化为CO₂的效率来评估。

3.结果和讨论

用不同方法制备的的Pt/Fe₂O₃催化剂催化活性如Fig.1所示。

在他们中，对于甲醛的完全氧化，Pt/Fe₂O₃-CD催化剂展现出了最高的催化活性，在25℃实现了甲醛的100%转化。对于Pt/Fe₂O₃-CP和Pt/Fe₂O₃-IMP，甲醛的完全转化温度分别是50℃和90℃。这里应该提到，即使反应温度达到100℃纯的氧化铁对于甲醛的氧化也不显活性。比起其他文献报道的贵金属型负载催化剂Pt/Fe₂O₃-CD展现出了极佳的低温催化活性。对于Ag/MnOx–CeO₂和Au/CeO₂甲醛的完全氧化温度在100℃以上，Pt/MnO₂和 Au/FeOx的完全氧化温度也在70℃以上。

纯的Fe₂O₃和用不同方法制备的Pt/Fe₂O₃催化剂的衍射图谱如图Fig.2

所示。

对于Pt/Fe₂O₃催化剂，衍射峰出现在2theta;=24.1, 33.1, 35.6, 40.5, 49.4, 54.0,57.5,62.6,64.0度处可能和alpha;-Fe₂O₃相的存在有关。没有铂的衍射峰出现在XTD的衍射图谱中的事实说明铂颗粒应该高度分散在载体的表面。比起纯的Fe₂O₃载体，在Pt/Fe₂O₃催化剂中的氧化铁的衍射峰是更弱。这些结果表明在氧化铁表面铂颗粒的存在可能影响了氧化铁的结晶性，暗示了铂颗粒和氧化铁之间的相互作用可能存在于Pt/Fe₂O₃催化剂中。对于Pt/Fe₂O₃-CD催化剂，源于Fe₃O₄的衍射峰也能在Fig.2中观察到。

Fig.3展示了用不同方法制备的Pt/Fe₂O₃催化剂的TEM图片。铂纳米颗粒如图中暗点所示，已经均匀地分散在载体表面。在Pt/Fe₂O₃-CD催化剂上铂颗粒的平均尺寸是2.0nm，这比Pt/Fe₂O₃-CP（2.3nm）和Pt/Fe₂O₃-IMP(2.6nm)要小。在相关文献的基础上可以得出：相对较小的铂颗粒对于Pt/Fe₂O₃-CD催化剂的高催化活性起到了关键作用。

Fe(OH)₃沉淀和Pt/Fe₂O₃-CD催化剂的热分析结果如图Fig.4所示。根据TG曲线，重量损失伴随样品加热的整个过程。Fe(OH)₃样品，DTA的吸热峰分别出现在110℃和420℃，这可能源自脱水过程和载体的相转变。比起Fe(OH)₃样品，Pt/Fe₂O₃-CD催化剂的DTA曲线在360℃出现了一个吸热峰，这可能是由于载体的相转变。值得注意的是，当载体负载了一定数量的铂之后，载体相转变的温度偏向了低温区。这些结果表明氧化铁表面铂的引入通过金属与载体的相互作用可能影响了氧化铁晶体的性质和生长。为了确定样品中特别的氧化铁相的存在，使用了Mouml;ssbauer光谱仪。Pt/Fe₂O₃催化剂的谱图如图Fig.5所示。Pt/Fe₂O₃-CD催化剂的Mouml;ssbauer光谱展示了六个宽的峰。他们匹配的是三个带有超细分布的六峰和一个中心偶极子。中心偶极子可能出自水和铁，两个六峰出自Fe₂O₃，一个六峰出自Fe₃O₄。Pt/Fe₂O₃-CD催化剂匹配的两个六峰出自Fe₂O₃相，并且一个中心偶极子来自水和铁。在Pt/Fe₂O₃- IMP 催化

剂中，Mouml;ssbauer光谱匹配了两个Fe₂O₃相的六峰。这些结果表明用不同方法制备的Pt/Fe₂O₃催化剂展现了不同的载体结构，这会进一步影响催化剂的活性和还原性能。

用不同方法制备的Pt/Fe₂O₃催化剂的H₂-TPR图谱如Fig.6所示。

在所有催化剂的H₂-TPR图谱中，出现在600℃附近的还原峰源自Fe₃O₄到FeO的转变。Pt/Fe₂O₃-CD催化剂在90℃附近出现了一个强的还原峰，它可能源自PtO的还原和部分氧化铁的还原，和铂密切相关（例如：Pt-O-Fe键）。出现在270℃附近的还原峰可能主要源自Fe₂O₃的还原。对于其它的两个催化剂，低温下的还原峰稍微偏向了更高的温度区间。对于Pt/Fe₂O₃- IMP 催化剂，位于140℃附近的弱的还原峰源自PtOx的还原并且在260℃附近强的还原峰主要源自Fe₂O₃晶体，可能也包括了PtOx的还原。

在Pt/Fe₂O₃-CD催化剂中位于170℃和200℃的还原峰能被清楚地观察到。前一个峰主要表征的是氧化铂的还原，而后一个峰可能和Fe₂O₃的还原相关。过去制备方法被认为是影响载铂催化剂催化活性的重要因素。何和他的合作者报道了一种用于甲醛氧化的易控制合成的Pt/MnO2催化剂。他们揭示了高分散性，小尺寸的铂颗粒和Pt与MnO2之间的相互协同效应是Pt/MnO2催化剂高催化活性的主要原因。唐等人发现用浸渍法制备的Pt/MnOx-CeO₂催化剂在室温下能够实现甲醛的完全转化。Pt/MnOx-CeO₂催化剂的高活性源自MnOx-CeO₂载体上的有效活化氧。

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