掺杂La3+和Ce3+对纳米Au/TiO2催化剂结构和性能的影响

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采用三嵌段共聚物聚乙醚-聚丙醚-聚乙醚(EO20PO70EO20,P123)为有机模板剂合成了介孔TiO2及原位掺杂La3+和Ce3+的介孔TiO2载体,用沉积-沉淀法制备出一系列负载型Au/TiO2及掺杂La3+和Ce3+的Au/TiO2催化剂。考察了反应液pH值、焙烧温度、La3+和Ce3+的掺杂量等对催化剂催化性能的影响。以CO的催化氧化为探针反应,确定最优化的制备条件。结果表明:反应液的最佳pH值为8;Au/TiO2适宜的焙烧温度是200~300 oC;La3+或Ce3+的最佳掺杂量为0.50%(La/Ti或Ce/Ti摩尔比)。活性评价结果表明,掺杂0.50% La3+的Au/TiO2(记作Au/0.50%La-TiO2)和掺杂0.50% Ce3+的Au/TiO2(记作Au/0.50%Ce-TiO2)具有最佳的活性和最高的热稳定性。对450 oC焙烧的Au/0.50%La-TiO2和Au/0.50%Ce-TiO2催化氧化1% CO进行测试,催化剂在54 oC下连续反应7 h,CO的转化率始终是100%。运用N2吸附/脱附、X射线衍射、X射线光电子能谱、高分辨电镜技术和X射线能量分散谱对催化剂的结构与形貌进行了表征。纯TiO2具有较大的比表面积(102.5 m2/g)和均一的介孔结构(~4.1 nm),掺杂0.50%的La3+后,TiO2的比表面积增大到121.8 m2/g,孔径增大到4.9 nm;掺杂0.50%的Ce3+后,TiO2的比表面积增大到120.6 m2/g,孔径增大到9.7 nm。450 oC焙烧后,Au/TiO2的介孔结构已部分被破坏,而Au/0.50%La-TiO2和Au/0.50%Ce-TiO2仍能保持较均匀的介孔结构;Au/TiO2表面的Au主要以金属态存在,而Au/0.50%La-TiO2和Au/0.50%Ce-TiO2表面除Au0外,均还有少量Au2O3物种。400 oC焙烧后,Au/TiO2上金晶粒尺寸在6~8 nm范围,而Au/0.50%La-TiO2上金晶粒尺寸在5 nm左右;450 oC焙烧后,Au/TiO2上金晶粒尺寸超过了20 nm,而Au/0.50%La-TiO2和Au/0.50%Ce-TiO2的金晶粒尺寸仅在8~9 nm范围内。400 oC及以下温度焙烧的Au/TiO2、Au/0.50%La-TiO2和Au/0.50%Ce-TiO2均显示出很好的CO氧化活性,室温下就能将CO完全氧化。但是,经450 oC焙烧后,Au/TiO2催化剂上CO完全氧化的温度达到86 oC,而在Au/0.50%La-TiO2和Au/0.50%Ce-TiO2上仅为53 oC和54 oC。适量La3+或Ce3+的掺杂有效抑制了纳米金晶粒在高温下的烧结和聚集,使催化剂具有较高的活性和热稳定性。
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