二氧化铈促进钴氧化物表面氧化一氧化碳的原位表征研究

CO氧化由其广泛的应用而成为催化领域中研究的重要反应, Co3O4催化剂具有价格低廉、催化活性高等优点而引起研究者的关注, 其中, 催化剂的结构、表面特性及反应机理等是研究的重点. 催化剂的原位研究对观察相变过程, 理解相应的表面化学反应和反应机理起着重要的作用. 本文采用煅烧法制备了CeO2掺杂的Co3O4, 并对其催化CO氧化反应性能进行了研究. 通过扫描电镜、高分辨率透射电镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱对催化剂的微观结构和形态进行了表征. 通过原位X射线衍射(原位XRD)和原位漫反射红外傅立叶变换光谱(原位DRIFTS)表征了CeO2掺杂Co3O4对CO氧化的效果.原位XRD测试是在氢气气氛中进行, 借以评估催化剂的氧化还原特性. 结果表明, 由于CeO2的补氧能力, CeO2掺杂可以提高Co2+的还原能力, 并促进了Co3+-Co2+-Co3+循环. 采用原位DRIFTS对CeO2改性的Co3O4表面吸附的碳酸盐物种进行了探究. 结果表明, 吸附碳酸盐物种的CeO2掺杂Co3O4催化剂的红外峰与纯Co3O4相比有所不同. CeO2掺杂的Co3O4上吸附的碳酸盐物种较为活泼, 其与催化剂表面的结合作用力比较弱, 不会覆盖催化剂表面的活性位点, 能有效抑制催化剂的失活.本文揭示了CeO2掺杂Co3O4促进CO氧化的机理, 为设计高效氧化CO的催化剂提供了理论支持.原位XRD的结果表明, 由于CeO2的补氧能力, 引入CeO2可以显著提高Co2+的稳定性. 换句话说, 它可以通过降低Co2+的氧化能力来提高Co2+的还原能力, 有利于促进Co3+-Co2+-Co3+循环的稳定性, 从而使Co2+更容易转化为Co3+. 原位DRIFTS表明, 在某种程度上, 吸附在CeO2-Co3O4表面的碳酸盐物种呈游离态, 与催化剂表面的结合作用力较弱. 这种类型的碳酸盐更活泼, 而且不会像那些强作用在催化剂表面的碳酸盐物种那样使表面钝化. CeO2-Co3O4与Co3O4的表面吸附的碳酸盐物种的差异是由于引入的CeO2对氧化钴表面进行修饰改性的结果. 在高温和N2气氛下进行预处理后, CeO2表面变得光洁且形成了一些氧空位, 其特殊的储氧能力通过弱吸附氧使其表面更加活泼. 这些结果证实, 经过CeO2的修饰后, 氧化钴表面更加活泼, 且更适合CO氧化反应的发生.