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催化学报:王翔教授课题组成功制备三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于碳烟颗粒燃烧

王翔教授课题组制备三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于碳烟颗粒燃烧,该工作采用胶体晶体模板(PMMA)法,该课题组成功制备了离子掺杂的三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟颗粒燃烧。

催化学报:王翔教授课题组成功制备三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于碳烟颗粒燃烧

前言

2010年以来,南昌大学王翔教授课题组在SnO2催化化学领域做了大量系统深入的探讨。今天跟大家分享一下王翔教授课题组制备三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于碳烟颗粒燃烧的精彩工作。采用胶体晶体模板(PMMA)法,该课题组成功制备了离子掺杂的三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟颗粒燃烧。论文第一作者为硕士研究生饶成,通讯作者为王翔教授。

背景介绍

A.    碳烟颗粒催化燃烧:

柴油发动机尾气排放的碳烟颗粒对人类的生存环境和身体健康带来了严重危害。催化燃烧是消除碳烟颗粒污染,保护生态环境的有效途径之一。 碳烟颗粒催化燃烧是固-固-气相反应, 因此催化剂本身具有活泼的氧中心, 且能与碳烟颗粒有效接触是提高反应效率的关键因素。为改善碳烟颗粒与反应中心的有效接触, 本论文设计制备三维有序大孔(3DOM)催化剂, 使碳烟颗粒可以进入其孔道内部, 是提高反应活性的有效途径。此外, 在催化剂晶格中掺杂其它金属离子形成固溶体结构, 可提高催化剂的氧化还原性能, 亦可有效提高其碳烟颗粒燃烧活性。

B.SnO2基固溶体

      SnO2富含活泼的表面缺位氧和可还原的晶格氧, 且其熔点高达1630 oC, 具有良好的热稳定性, 是具有潜在应用前景的功能催化材料。在过去的8年中, 王翔教授课题组在SnO2催化化学领域做了系统深入的工作, 将SnO2基催化材料用于多种清洁环保和绿色能源反应。发现通过其它阳离子如Cu2+,Fe3+,Cr3+,Ta5+,Ce4+和Nb5+等的掺杂, 替换晶格中部分Sn4+形成金红石型SnO2固溶体结构, 可显著提高催化剂表面和晶格氧的流动性、活性和本身的热稳定性。该课题组还首次发展了简单易行的XRD外推法测定溶质离子在溶剂氧化物中形成非连续固溶体的最大晶格容量(Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 5280.),为人们理解固溶体催化材料的构效关系提供了有效方法。

本文亮点

本文采用胶体晶体模板法制备了Ce4+, Mn3+和Cu2+离子掺杂的SnO2三维有序大孔固溶体催化剂用于松散接触条件下的碳烟催化燃烧。

(1)SEM和TEM结果表明已成功合成三维有序大孔结构的样品。 XRD, Raman和STEM-mapping结果表明, Ce4+, Mn3+和Cu2+离子均进入四方金红石型SnO2晶格形成固溶体结构。

(2) Raman, H2-TPR, XPS和O2-TPD等结果表明上述离子掺杂的三维有序大孔SnO2固溶体催化剂,其表面形成了更活泼、丰富的氧物种;且由于催化剂中存在丰富的孔道结构,利于碳烟颗粒与反应中心接触,因而其碳烟燃烧活性大幅度提高。其中Cu2+离子改性的3DOM-Cu1Sn9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性

图文解析

催化学报:王翔教授课题组成功制备三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于碳烟颗粒燃烧

图1. PMMA模板、三维有序大孔纯SnO2以及 Ce4+, Mn3+和Cu2+掺杂的SnO2催化剂SEM和TEM图。

要点:PMMA微球紧密有序堆积(A)。纯SnO2(B和C)以及 Ce4+(D), Mn3+(E)和Cu2+(F)掺杂SnO2均形成良好的三维有序大孔结构,大孔约为300 nm。

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要点:样品均为四方金红石型SnO2结构。Ce4+, Mn3+和Cu2+引入后,均可取代SnO2中的部分Sn4+形成固溶体结构并造成其晶格畸变,因而导致SnO2的晶格常数发生改变。

催化学报:王翔教授课题组成功制备三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于碳烟颗粒燃烧

图2. Cu2+离子掺杂的三维有序大孔3DOM-Cu1Sn9的STEM-mapping图。

要点:Cu、Sn和O元素交替均匀分布,佐证了Cu-Sn-O固溶体结构的形成。

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图3. 松散接触条件下三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂的碳烟颗粒燃烧活性。

要点:碳烟颗粒最快燃烧速率温度Tp值反映了催化剂消除碳烟颗粒的能力,Tp值越小表明其催化燃烧碳烟颗粒能力越强。具有三维有序大孔结构的3DOM -SnO2其 Tp值比粉末SnO2降低了40 oC,说明三维有序大孔结构的形成能有效提高催化剂的碳烟颗粒燃烧能力。Ce4+, Mn3+和Cu2+离子掺杂之后三维有序大孔结构的SnO2催化活性进一步提高,其中Cu2+离子掺杂的样品活性最佳。

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图4. 三维有序大孔SnO2基催化材料的O1s 谱图(A)和催化剂Oads/Olatt摩尔比与Tp关系(B)。

要点:Oads/Olatt摩尔比反映了催化剂表面活泼氧的数量,比值越大表明催化剂表面活泼氧浓度越高。该系列三维有序大孔结构的SnO2基催化剂消除碳烟颗粒的最快燃烧温度随Oads/Olatt摩尔比的增大而减小,这说明该系列催化剂的表面活泼氧浓度是决定其催化燃烧碳烟颗粒活性的关键因素之一。其中3DOM-Cu1Sn9催化剂具有最丰富的活泼氧中心,因此表现出最高的活性。

文章链接:https://doi.org/10.1016/S1872-2067(18)63123-7

作者介绍

催化学报:王翔教授课题组成功制备三维有序大孔SnO2基固溶体催化剂用于碳烟颗粒燃烧

王翔,教授,1998年毕业于北京大学物理化学研究所获理学博士学位。1998年8月至2002年9月先后在美国Northwestern University和University of Pennsylvania从事博士后研究。2002年10月至2005年3月在美国Lehigh University担任Research Associate。2005年3月至2010年6月,先后在美国EverNu Technology, LLC和BASF Catalysts, LLC研发部担任Research Chemist。2010年7月应南昌大学邀请担任“赣江学者”特聘教授,工业催化省重中之重学科学术带头人。目前担任中国化学会催化学术委员会委员,中国稀土学会催化专业学术委员会委员,全国环境催化与环境材料学术委员会委员,中国能源学会能源与环境专业委员会委员,并担任30余种国际学术刊物审稿人。已在ACS Catal., J. Catal., Appl. Catal. A, Appl. Catal. B, Catal. Sci. Technol., J. Mater. Chem. A, Ind. Eng. Chem. Res., ChemCatChem等国际期刊发表论文100余篇,被引用2100余次。获授权美国专利1项,中国发明专利7项。

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