基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CBA00500); 福建省自然科学基金(E0510001)
通信作者:hyli@xmu.edu.cn
(厦门大学 化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,醇醚酯化工清洁生产国家工程实验室,福建 厦门 361005)
(State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,National Engineering Laboratory for Green Chemical Productions of Alcohols-Ethers-Esters,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201601039
甲酸分解制氢是解决能源问题的有效途径,与Pd催化剂相比,Au催化剂不易失活,具有较好的稳定性.使用次亚磷酸钠原位还原制备了Au-P/SiO2催化剂,并利用X射线衍射、透射电子显微镜和X射线光电子能谱等表征手段探讨其结构,并以甲酸分解为目标反应研究其催化性能.结果表明,该方法制备的催化剂中Au粒子(粒径3 nm左右)均匀分散在SiO2表面,且P掺杂进入Au的晶格形成Au-P复合物,改变了Au的电子结构.同时反应过程中产生的PⅢ被Au3+氧化生成磷酸金,提供酸性中心,使Au-P/SiO2催化剂表现出较Au/SiO2催化剂更加优越的催化性能.在363 K,4 mol/L的甲酸溶液中,Au-P/SiO2催化剂催化甲酸分解的转化率可达51%,是未掺杂的Au/SiO2催化剂的4倍.
Formic acid decomposition is an effective way to solve energy problem.Compared with Pd catalysts,Au catalysts have better anti-inactivation ability.In this article,Au-P/SiO2 catalysts were prepared with in situ reduction using NaH2PO2.The catalysts were characterized by X-ray diffraction,transmission electron microscope,X-ray photoelectron spectroscopy,and catalytic performances of the catalysts were tested through catalytic decomposition of formic acid.The results of the catalyst characterization demonstrated that with this method, the Au particles(3 nm)highly dispersed on the surface of SiO2,and some P entered into the crystal lattice of Au,which contributed the formation of Au-P compound and changed the electrical property of Au.Meanwhile,in the process of reaction,PⅢ appeared,and it was oxidized into PⅤ by Auδ+ to form gold phosphate with acid-base properties.For the reasons above,Au-P/SiO2 is more active than Au/SiO2.In 363 K,4 mol/L formic acid solution,the conversion rate of formic acid reached 51% over Au-P/SiO2,which is 4 times of Au/SiO2.
Au作为一种惰性金属,其表面具有极高的氢解离能和极低的化学吸附能,因此认为其在多相催化中没有利用价值.但当Au粒子(粒径小于5 nm)高度分散在合适的金属氧化物载体上时,更多的表面缺陷提高了Au的表面吸附能力[1],且Au易被金属氧化物氧化,从而产生极强的相互作用[2-3],使催化剂表现出较高的催化活性.
SiO2具有突出的热稳定性、抗酸碱性和高比表面积,常作为催化剂载体.但因SiO2的等电点较低且具有化学惰性,采用传统的浸渍法和沉淀沉积法都无法制得高分散负载型Au催化剂,且Au粒子与载体间相互作用较弱[4-5].通常采用改变Au的前驱体[6]和SiO2改性[7]等方法来提高Au/SiO2催化剂的催化活性,但依然存在制备方法复杂和制备成本高等问题,寻找一种经济简捷的制备方法是解决以上问题的关键.
对于甲酸分解反应,Pd催化剂具有较低的活化能(Ea=34 kJ/mol)[8],但和铜族(Cu、Ag、Au)元素相比,Pd抗CO氧化能力较弱,极易发生CO中毒而失去活性.Au催化剂由于其较高的活化能,反应需在较高的温度下进行,近期研究[9-11]多聚焦于通过合金改变Au的电性质,以改变催化活性,而非金属掺杂的催化剂则鲜有报道.
本文中采用次亚磷酸钠为还原剂,原位还原制备Au-P/SiO2催化剂,并利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段探讨其结构,并以甲酸分解为目标反应研究其催化性能.
无水乙醇、正硅酸四乙酯(TEOS)、十二烷基三甲基溴化铵(CTAB)、氨水(质量分数为25%)、次亚磷酸钠(NaH2PO2)、氯金酸(HAuCl4)、甲酸(质量分数为88%)、硼氢化钠(NaBH4),以上试剂均购自国药集团化学试剂有限公司.实验用水均为二次蒸馏水.
在反应瓶内加入0.5 g自制SiO2纳米微球[12],超声使SiO2纳米微球均匀的分散在水中,然后加入0.35 mL 0.1 mol/L的HAuCl4溶液,搅拌下加入一定量NaH2PO2,使n(H2PO2-)/n(AuCl4-)=80,并用氨水调节pH至9~10.在353 K下反应一段时间,打开锥形瓶玻璃塞使氨水挥发,继续反应5 h.反应结束后,抽滤,分别用水和无水乙醇洗涤,室温下真空干燥,收集待用.
调节H2PO2-和AuCl4-的摩尔比,制备不同掺杂量的Au-P/SiO2催化剂,洗涤烘干备用.
往反应瓶中,依次加入1 g自制SiO2纳米微球[12]、一定量的水和0.7 mL 0.1 mol/L HAuCl4溶液,在348 K下搅拌反应1 h,用氨水调节pH至9~10,再搅拌反应1 h.离心后,分别用水和无水乙醇洗涤,室温下真空干燥过夜.
取一定量上述干燥后的样品,超声分散在无水乙醇中,快速加入一定量新制NaBH4的乙醇溶液使n(BH4-)/n(AuCl4-)=250,反应10 min后抽滤、洗涤、真空干燥,收集待用.
1.3 催化性能的评价方法[13]
取10 mL 4 mol/L的甲酸溶液置于反应瓶中,加入一定量催化剂.在363 K下反应,利用排饱和碳酸氢钠溶液法,测量一定时间内排出气体的体积,使用GC-9160(上海海欣色谱仪器公司)气相色谱仪对气体组分进行分析.采用反应1 h的甲酸转化率(αHCOOH)来比较催化剂活性,转化率计算公式为
αHCOOH=(patmVgas)/(2RTnHCOOH)×100%.
式中:patm为标准大气压101.325 kPa; Vgas为反应第1小时内产生气体的体积,L; R为理想气体常数8.314 5 J/(mol·K); T为室温298 K; nHCOOH为反应液中甲酸的初始物质的量,mol.
TEM测试在荷兰Philips-FEI公司的TECNAI F20型场发射TEM上进行,加速电压200 kV; XPS测试在Kratos Axis Ultra DLD多功能电子能谱仪上进行,以单色化A1 Kα为X射线源; 样品的结构分析在荷兰PANalytical公司的X'perPRO XRD仪上完成,Cu靶材,Kα辐射,管电压40 kV,管电流30 mA,扫描速率10(°)/min,扫描范围10°~90°.
如图1所示,使用NaBH4还原制备的Au/SiO2催化剂中Au粒子较大,分布不均匀,平均粒径为6.9 nm; 而使用NaH2PO2制备的Au-P/SiO2催化剂中Au粒子均匀地分布在SiO2表面,平均粒径为2.8 nm.在Au-P/SiO2催化剂的高分辨TEM图中,经测量Au的晶格间距为0.213 nm(Au(111)晶格间距0.235 nm)可判断为Au(111)面.采用NaBH4还原制备时,由于NaBH4的强还原性导致Au粒子生长速度过快,形成较大粒径的Au纳米粒子.而在NaH2PO2还原法中,氨水与Au络合会减缓还原速度,并可通过调节pH值[14-17]调控Au的生长速度,因此制备的Au粒子粒径较小,其可能的生长机理如图2所示:1)NaH2PO2还原HAuCl4形成少量晶核; 2)加入氨水后,生成 Au(NH3)2(H2O)2-x(OH)x(3-x)+络合物,吸附到SiO2表面,并抑制NaH2PO2还原能力; 3)蒸出氨水,释放游离Au3+,控制Au粒子的生长速度.
图1 Au/SiO2(a)和Au-P/SiO2(b)催化剂的TEM图
Fig.1 TEM images of Au/SiO2(a)and Au-P/SiO2(b)
如图3所示:Au/SiO2催化剂在2θ=38.2°和44.5°的衍射峰对应Au(111)和Au(200); Au-P/SiO2催化剂只出现了Au(111)的衍射峰(2θ=38.0°),未出现Au(200)的衍射峰.这是由于Au-P/SiO2催化剂中Au粒子尺寸更小,使衍射峰变宽,再加上载体SiO2为非晶体,背景噪声大,所以观察不到非主要暴露面的Au(200)衍射峰.Au粒子属于立方晶系,用Au(111)的峰位置进行计算得Au/SiO2和Au-P/SiO2催化剂的晶胞参数afcc分别为0.669 2和0.665 8 nm,说明P以原子的形式进入Au的晶格,形成Au-P复合物[18].有趣的是Au-P/SiO2催化剂在17.9°出现一小锐峰,该峰未能找到与标准XRD卡片匹配的信号,此峰可能为Au-P复合物的峰,也可能为另一种新物质的衍射峰.如图3-d所示,反应一轮后Au-P/SiO2催化剂中Au的衍射峰产生更大的偏移,说明
图2 Au粒子在SiO2表面生长的可能过程
Fig.2 Possible growth process of Au particle on the surface of SiO2
图3 Au标准XRD卡片(a),Au/SiO2(b),Au-P/SiO2(c)和反应一轮后Au-P/SiO2(d)催化剂的XRD谱图
Fig.3 Standard card of Au(a),XRD patterns of Au/SiO2(b),Au-P/SiO2(c)and Au-P/SiO2 after decomposition of formic acid(d)
Au-P复合物依然存在,而17.9°处的衍射峰消失,由此推测该小锐锋为另一种新物质的衍射峰.为进一步讨论其结构组成,对Au-P/SiO2催化剂进行XPS谱学分析.
图4为Au-P/SiO2催化剂反应前后的XPS谱图,P-2p谱图中125.7和134.2 eV分别对应P0和PⅤ,118.6 eV对应Si的能量损失峰.
图4 新制催化剂和反应一轮后Au-P/SiO2催化剂的Au-4f(a)和P-2p(b)的XPS谱图
Fig.4 XPS spectra of Au-4f(a)and P-2p(b)of the catalysts before and after decomposition of formic acid125.7
eV处的峰相对于纯净的P谱峰向低能态移动4.7 eV,这是由于P接受Au的电子使结合能降低[19].在本文中P的谱峰发生较大偏移,可能是由于少量的P进入Au的晶格,受到Au电子的影响更大.NaH2PO2作为一种常用的化学镀还原剂,被广泛接受的两种电镀机理分别是原子氢析出机理和电子还原机理[20],两种机理都认为反应过程中出现PⅢ,而Au3+有很强的氧化性,能将PⅢ氧化为PⅤ.据此推测XPS中的PⅤ为磷酸金,而在图3-c中17.9°出现的锐峰应为该物质的衍射峰.
对比新制催化剂和反应一轮后催化剂的XPS图谱,图中存在Au0和Auδ+的Au(4f7/2)/Au(4f5/2)-XPS子峰:新制催化剂为84.2 eV/87.9 eV和86.1 eV/89.8 eV,反应一轮后为84.9 eV/88.6 eV和86.1 eV/89.8 eV.对比结合能对照表[21]中Au0结合能为84.0 eV,新制催化剂Au0的XPS谱峰向高能态偏移0.2 eV,反应一轮后谱峰出现了更大的偏移,这是源于少量P混入了Au的晶格中.由峰面积处理结果可知新制催化剂P0和PⅤ的摩尔分数分别为98%和2%,反应一轮后P0和PⅤ摩尔分数变为99%和1%,说明随着反应的进行PⅤ被还原成P0进入Au的晶格,导致反应后Au0的XPS谱峰出现了更大的偏移.这与图3-d中催化剂反应一轮后,17.9°处归属于磷酸金的峰消失,Au的衍射峰偏移增大的结果一致.
图5 不同浓度还原剂制Au-P/SiO2催化剂的XRD谱图(a)和甲酸转化率(b)
Fig.5 XRD patterns of Au-P/SiO2 catalysts prepared in different mole ratio of H2PO2- and AuCl4-(a),and plot of formic acid conversion rate versus mole ratio of H2PO2- and AuCl4-(b)
进一步以甲酸分解作为目标反应,考察了P掺杂对Au基催化剂性能的影响.在相同条件下,掺杂的Au-P/SiO2催化剂(αHCOOH=51%)催化活性远高于Au/SiO2催化剂(αHCOOH=12%),产物经过气相色谱检测未发现CO.由于Au-P/SiO2催化剂拥有更小的粒径,粒子表面缺陷增加,改变了其吸附和催化性能.另一方面少量的P以原子形式进入Au的晶格中,Au-3d轨道中的电子进入P-3p轨道,降低Au-3d轨道的电子密度,使Au更容易得到甲酸或其分解产物提供的电子,提高其催化活性[22].
如图5(a)所示当还原剂达到一定量(n(H2PO2-)/n(AnCl4-)=60)时,XRD谱图中17.9°处归属于磷酸金的峰才会出现; 相应的催化剂活性达到最大值,但继续增大还原剂的量,催化活性降低(图5(b)).图6示出不同量还原剂制备催化剂的TEM图,未发现明显的粒径变化,所以可以排除粒径对催化剂活性的影响.综上可知,催化剂活性提高与磷酸金的生成有一定关系,考虑到磷酸盐的酸性,推测其酸性位点与甲酸间存在相互作用,有利于甲酸的吸附和活化,促进其分解反应[23].但过多磷酸盐的生成会覆盖Au粒子的活性位点,还原剂过多时会极大地减少Auδ+含量,从而表现出过高的n(H2PO2-)/n(AuCl4-)使催化活性降
(a)~(d)中n(H2PO2-)/n(AuCl4-)=40,60,80,90.
图6 不同浓度还原制备Au-P/SiO2催化剂的TEM图
Fig.6 TEM images of Au-P/SiO2 catalysts prepared in different mole ratio of H2PO2- and AuCl4-
低.进一步考察了Au-P/SiO2催化剂的寿命问题,如表1所示在第2轮循环使用时其催化活性达到最优,
表1 Au-P/SiO2催化剂的循环利用
Tab.1 Recycling of formic acid decomposition catalyzed over Au-P/SiO2
这是因为随着反应的进行PV被还原成P0进入Au的晶格,提高了催化剂的催化活性.继续循环反应甲酸转化率有所下降,最后稳定,在TEM图中并未观察到反应10轮后的催化剂Au粒子团聚,甲酸转化率的下降可能是由于磷酸金的消失.
与NaBH4还原法比较,本文中使用NaH2PO2原位还原制备的Au-P/SiO2催化剂的Au粒子粒径更小.P以原子形式进入Au的晶格中,改变了Au的电性质,且形成的磷酸金有利于甲酸的吸附,从而极大地提高了催化剂的活性.随着反应的进行磷酸金逐渐被还原为P0进入Au的晶格,催化剂活性逐渐趋于最佳状态,第2轮循环反应的甲酸转化率达到最优值.随着磷酸金的逐渐消失,催化剂活性有所降低,随后保持不变,循环反应10轮后,Au粒子仍未团聚.