高等学校化学学报 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (9): 2061.doi: 10.7503/cjcu20200250
张国强1, 孙宇辰1, 史亚波1, 郑华艳1, 李忠1(), 上官炬1, 刘守军2, 史鹏政1,2
收稿日期:
2020-05-06
出版日期:
2020-09-10
发布日期:
2020-09-02
通讯作者:
李忠
E-mail:lizhong@tyut.edu.cn
基金资助:
ZHANG Guoqiang1, SUN Yuchen1, SHI Yabo1, ZHENG Huayan1, LI Zhong1(), SHANGGUAN Ju1, LIU Shoujun2, SHI Pengzheng1,2
Received:
2020-05-06
Online:
2020-09-10
Published:
2020-09-02
Contact:
LI Zhong
E-mail:lizhong@tyut.edu.cn
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摘要:
通过共沉淀法制备了一系列Mn掺杂量不同的Ce1-xMnxO2催化剂, 并将其用于催化CO2和甲醇直接合成碳酸二甲酯(DMC). 通过X射线衍射(XRD)、 氮气吸附-脱附、 透射电子显微镜(TEM)、 X射线光电子能谱(XPS)和程序升温脱附(TPD)等手段研究了Ce1-xMnxO2表面性质对催化CO2和甲醇直接合成DMC反应活性的影响. 结果表明, Mn离子进入CeO2晶格中形成固溶体, 随着Mn掺杂量增加, 催化剂表面弱酸碱位数量逐渐降低, 中强酸碱和强酸碱位数量增加, 催化剂表面氧空位含量呈先增加后减少的变化趋势, 当Mn掺杂量较少时, 催化剂表面Mn2+比例较高, 有利于Ce4++Mn2+→Ce3++Mn3+反应的进行, 促进催化剂表面氧空位生成; 进一步提高Mn掺杂量时, 催化剂表面Mn4+比例提高, 有利于Ce3++Mn4+→Ce4++Mn3+反应的进行, 导致催化剂表面氧空位含量减少. 研究发现Ce1-xMnxO2催化剂活性与表面氧空位含量线性相关.
中图分类号:
TrendMD:
张国强, 孙宇辰, 史亚波, 郑华艳, 李忠, 上官炬, 刘守军, 史鹏政. Ce1-xMnxO2表面性质对催化CO2和甲醇直接合成DMC反应活性的影响. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2061.
ZHANG Guoqiang, SUN Yuchen, SHI Yabo, ZHENG Huayan, LI Zhong, SHANGGUAN Ju, LIU Shoujun, SHI Pengzheng. Surface Properties of Ce1-xMnxO2 Catalyst on the Catalytic Activities for Direct Synthesis of DMC from CO2 and Methanol. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(9): 2061.
Sample | 2θ/(°) | Interplanar spacing/nm | Lattice parameter/nm | Particle size*/nm |
---|---|---|---|---|
CeO2 | 28.50 | 0.31293 | 0.54201 | 10.106 |
Ce0.983Mn0.017O2 | 28.53 | 0.31260 | 0.54145 | 10.326 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 28.55 | 0.31250 | 0.54126 | 9.570 |
Ce0.91Mn0.09O2 | 28.58 | 0.31239 | 0.54108 | 8.782 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 28.61 | 0.31207 | 0.54052 | 8.987 |
Table 1 Interplanar spacing, lattice parameters and crystallite size of Ce1-xMnxO2 catalysts
Sample | 2θ/(°) | Interplanar spacing/nm | Lattice parameter/nm | Particle size*/nm |
---|---|---|---|---|
CeO2 | 28.50 | 0.31293 | 0.54201 | 10.106 |
Ce0.983Mn0.017O2 | 28.53 | 0.31260 | 0.54145 | 10.326 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 28.55 | 0.31250 | 0.54126 | 9.570 |
Ce0.91Mn0.09O2 | 28.58 | 0.31239 | 0.54108 | 8.782 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 28.61 | 0.31207 | 0.54052 | 8.987 |
Catalyst | SBET/(m2·g-1) | Vp/(cm3·g-1) | Pore size/nm |
---|---|---|---|
CeO2 | 145 | 0.60 | 11.6 |
Ce0.983Mn0.017O2 | 145 | 0.62 | 12.2 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 147 | 0.58 | 11.1 |
Ce0.910Mn0.090O2 | 145 | 0.63 | 12.0 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 147 | 0.68 | 12.8 |
Table 2 Textural parameters of Ce1-xMnxO2 catalysts
Catalyst | SBET/(m2·g-1) | Vp/(cm3·g-1) | Pore size/nm |
---|---|---|---|
CeO2 | 145 | 0.60 | 11.6 |
Ce0.983Mn0.017O2 | 145 | 0.62 | 12.2 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 147 | 0.58 | 11.1 |
Ce0.910Mn0.090O2 | 145 | 0.63 | 12.0 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 147 | 0.68 | 12.8 |
Fig.3 TEM(A―E) images and particle size distributions(A′—E′) of Ce1-xMnxO2 catalysts(A), (A′) CeO2; (B), (B′) Ce0.983Mn0.017O2; (C), (C′) Ce0.956Mn0.044O2; (D), (D′) Ce0.910Mn0.090O2; (E), (E′) Ce0.864Mn0.136O2.
Sample | CO2 adsorptiona/(mmol·g-1) | NH3 adsorptionb/(mmol·g-1) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Weak(<200 ℃) | Moderate(200―400 ℃) | Strong(>400 ℃) | Weak(<200 ℃) | Moderate(200―400 ℃) | Strong(>400 ℃) | |
CeO2 | 0.226 | 0.046 | 0.017 | 0.723 | 0.027 | 0.048 |
Ce0.983Mn0.017O2 | 0.156 | 0.072 | 0.020 | 0.549 | 0.057 | 0.036 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 0.141 | 0.075 | 0.032 | 0.204 | 0.094 | 0.038 |
Ce0.910Mn0.090O2 | 0.121 | 0.110 | 0.036 | 0.186 | 0.140 | 0.056 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 0.102 | 0.120 | 0.047 | 0.220 | 0.134 | 0.064 |
Table 3 Adsorption capacity of CO2 and NH3 of Ce1-xMnxO2 catalysts
Sample | CO2 adsorptiona/(mmol·g-1) | NH3 adsorptionb/(mmol·g-1) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Weak(<200 ℃) | Moderate(200―400 ℃) | Strong(>400 ℃) | Weak(<200 ℃) | Moderate(200―400 ℃) | Strong(>400 ℃) | |
CeO2 | 0.226 | 0.046 | 0.017 | 0.723 | 0.027 | 0.048 |
Ce0.983Mn0.017O2 | 0.156 | 0.072 | 0.020 | 0.549 | 0.057 | 0.036 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 0.141 | 0.075 | 0.032 | 0.204 | 0.094 | 0.038 |
Ce0.910Mn0.090O2 | 0.121 | 0.110 | 0.036 | 0.186 | 0.140 | 0.056 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 0.102 | 0.120 | 0.047 | 0.220 | 0.134 | 0.064 |
Fig.6 XPS spectra of Ce3d(A) and O1s(B) of Ce1-xMnxO2 catalystsa. CeO2; b. Ce0.983Mn0.017O2; c. Ce0.956Mn0.044O2; d. Ce0.910Mn0.090O2; e. Ce0.864Mn0.136O2.
Catalyst | Molar fraction(%) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Ce3+ | Ce4+ | OV | Mn4+ | Mn3+ | Mn2+ | |
CeO2 | 10.8 | 89.2 | 5.6 | — | — | — |
Ce0.983Mn0.017O2 | 14.6 | 85.4 | 6.9 | 8.8 | 76.8 | 14.3 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 11.1 | 88.9 | 6.2 | 12.5 | 76.4 | 11.1 |
Ce0.910Mn0.090O2 | 10.7 | 89.3 | 4.9 | 15.7 | 77.2 | 7.1 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 9.8 | 90.2 | 4.5 | 19.4 | 73.5 | 7.1 |
Table 4 Surface concentrations of Ce, O and Mn estimated by XPS
Catalyst | Molar fraction(%) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
Ce3+ | Ce4+ | OV | Mn4+ | Mn3+ | Mn2+ | |
CeO2 | 10.8 | 89.2 | 5.6 | — | — | — |
Ce0.983Mn0.017O2 | 14.6 | 85.4 | 6.9 | 8.8 | 76.8 | 14.3 |
Ce0.956Mn0.044O2 | 11.1 | 88.9 | 6.2 | 12.5 | 76.4 | 11.1 |
Ce0.910Mn0.090O2 | 10.7 | 89.3 | 4.9 | 15.7 | 77.2 | 7.1 |
Ce0.864Mn0.136O2 | 9.8 | 90.2 | 4.5 | 19.4 | 73.5 | 7.1 |
Fig.9 Correlation between catalytic activity and basicity(A), acidity(B) of Ce1-xMnxO2 catalystsa. CeO2; b. Ce0.983Mn0.017O2; c. Ce0.956Mn0.044O2; d. Ce0.910Mn0.090O2; e. Ce0.864Mn0.136O2.
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