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大連化物所光熱協同催化研究取得進展

2020-04-10 大連化學物理研究所
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  近日,中國科學院大連化學物理研究所催化與新材料研究室研究員劉曉艷、中科院院士張濤團隊在光熱協同催化研究方面取得進展,發現采用Pt/TiO2-WO3催化氧化丙烷,在低溫和高濃度氧氣條件下,光熱協同催化的活性遠遠高于單獨的光催化和熱催化的活性。

  以氧氣為氧化劑的氧化反應(如揮發性有機污染物消除、烷烴燃燒等)是工業催化中非常重要的一類反應,負載型Pt催化劑是這類反應的高活性催化劑之一。然而,由于Pt表面對氧氣有很強的吸附性,特別是在低溫或高濃度氧氣情況下,Pt很容易被氧氣“毒化”而失活。因此,在傳統熱催化中,這類反應的起活溫度一般在200 ℃ 以上。而高溫活化氧氣的同時也加速了金屬態Pt的氧化,導致負載型Pt催化劑的活性降低。

  鑒于此,該團隊以復合半導體TiO2-WO3負載的亞納米Pt為催化劑,以丙烷氧化作為探針反應,在熱催化的基礎上引入光照,實現光熱協同催化。研究結果表明,光熱協同催化可以在低溫和高濃度氧氣條件下極大地提升Pt/TiO2-WO3催化劑對丙烷的催化氧化活性。催化劑的活性隨著光照強度的增加(0至1000 mW/cm2)而增加,T70(丙烷轉化70%時的反應溫度)最低可至90 ℃。與熱催化相比,T70的最大溫差可達234 ℃。動力學研究發現,光熱協同催化反應活化能(Ea)隨光照強度的增加而呈線性降低,最多可達十倍以上。與此同時,氧氣的反應級數(n)在加光前后也發生極大變化:不加光時氧氣的反應級數為-1.4,而加光之后氧氣的反應級數變為0.1。這表明,在光熱協同催化條件下,催化活性幾乎與氧氣濃度無關。該工作不僅通過光熱協同催化解決了負載型Pt催化劑在低溫和高濃度氧氣條件下氧中毒的問題,還有助于理解半導體負載非等離激元金屬催化劑的光熱協同催化機理。

  相關研究成果發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。上述工作得到國家重點研發項目、國家自然科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項B類“能源化學轉化的本質與調控”、中科院創新群體項目和博士后科學基金項目的資助,并得到上海光源的支持。

Pt/TiO2-WO3催化劑在不同光照強度下的T70Ea及有無光照時O2反應級數的變化

打印 責任編輯:葉瑞優

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