基金项目:国家重点研发计划(2017YFA0206801); 国家重点基础研究发展计划(2015CB932301); 国家自然科学基金(21333008,21671163,21773190,21721001); 中央高校基本科研业务费专项(20720160026)
通信作者:qkuang@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,福建 厦门 361005)
丙烯氧化反应; 光助催化反应; 表面等离子体共振效应; Ag; Cu2O
(State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
propylene oxidation; photo-assisted catalysis reaction; surface plasmon resonance effect; Ag; Cu2O
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201806015
传统的丙烯氧化反应的生产工艺复杂并且会带来大量污染废弃物,相比之下丙烯与氧气直接进行氧化反应具有很大的优势.然而,关于如何提高这种丙烯氧化反应的催化效率的报道较少.该文以Ag纳米立方体为种子,通过外延生长成功构建了具有核壳结构的Ag@Cu2O纳米立方体,研究了其核壳结构对光助丙烯氧化反应的影响.催化测试结果表明,Cu2O壳层有效抑制了丙烯的过度氧化,提高了丙烯醛的选择性.此外,Ag@Cu2O核壳结构不仅有助于Cu2O壳层的光生电子-空穴的高效分离,而且还可以充分利用内核Ag的表面等离子体共振效应提高局部反应温度.因此,这种核壳型催化剂能够有效地利用光来提高丙烯氧化的反应速率.
The direct oxidation of propylene to propylene oxides,such as acraldehyde,using molecular oxygen has many advantages over traditional processes that usually produce a large number of side products and require complex purification equipments.However,how to improve the catalytic efficiency of catalysts in the propylene oxidation reaction is still a great challenge.In this study,we successfully fabricated Ag@Cu2O core-shell heterostructure catalysts via the epitaxial growth of Cu2O on Ag nanocubes and studied their catalytic performances in the propylene oxidation reaction.Catalytic test results showed that the Cu2O shell efficiently suppressed the reaction of excessive oxidation of propylene and improved the selectivity of acrolein. Moreover, we found that the Ag@Cu2O core-shell heterostructure not only contributed to the efficient separation of photogenerated electron-hole in the Cu2O shell, but also made full use of the surface plasmon resonance effect of Ag core to elevate the local reaction temperature.As a result,this core-shell catalyst can effectively ultilize light to improve the reaction rate of propylene oxidation.
丙烯氧化反应的产物丙烯醛是非常重要的基础化工原料,可用于制备蛋氨酸、丙二醇和聚氨酯等,这些产品被广泛地应用于畜牧业、工业生产和化妆品行业等.传统工业方法制备丙烯醛是利用丙烯基醚热解和丙烷氧化法[1-2].然而,上述方法使用的原料具有一定的污染性,并且制备过程中会产生大量严重污染环境的废弃物.此外,这些反应的条件非常苛刻,所需的化工原料和生产设备的价格也相对昂贵,极大地提高了生产成本.因此,使用O2作为氧化剂直接氧化丙烯的方法引起了广泛的关注[3-5].目前该方法使用的常见催化剂为含有Au、Ag和Cu的纳米颗粒[6].Au、Ag和Cu在可见光区域具有表面等离子体共振(SPR)效应[7],但利用其SPR效应进行丙烯直接氧化反应的研究却很少[8].1972年Fujishima等[9]首次发现半导体材料的光催化能力之后,半导体光催化研究迎来了蓬勃的发展,将半导体光催化引入传统热催化的研究和技术也日渐成熟.由于光的引入,原本需要较高温度的热催化反应(如丙烯氧化反应)有可能在较温和的条件下即可进行.鉴于此,将半导体光催化和具有可见光SPR效应的金属相结合,开展光辅助的O2直接氧化丙烯反应的研究具有重要意义[10-12].
Ag在催化丙烯直接氧化反应的过程中过于活泼,容易产生大量的副产物,甚至过度氧化而直接将丙烯转化成CO2.因此,本研究中通过在Ag纳米立方体表面包裹Cu2O壳层,构建了具有核壳结构的Ag@Cu2O纳米立方体,以此作为光助催化剂对O2直接氧化丙烯反应开展了相关研究工作,期望通过这种核壳结构有效地抑制催化反应过程中过度氧化反应的发生.
所用试剂及药品均为商用试剂及药品,使用前未经处理.实验用水为超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm); 聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K30,相对分子质量3×104)、氯化铜(CuCl2,纯度≥99%)、抗坏血酸(AA,纯度≥99.7%)、浓盐酸(HCl,质量分数36%~38%)、无水乙醇(C2H5OH,分析纯)和丙酮(分析纯)购自国药集团化学试剂有限公司; PVP(55K,相对分子质量5.5×104)、硫氢化钠(NaHS,纯度68%~72%)、三氟乙酸银(CF3COOAg,纯度≥98%)和商用SiO2(孔尺寸6 nm,颗粒尺寸35~60目)购自西格玛奥利奇(中国)有限公司; 二氧化钛粉末P25购自德国Degussa公司(上海分装); 乙二醇(纯度≥99%)购自美国贝克试剂有限公司; 氢氧化钠(NaOH,纯度≥99%)购自广东光华科技股份有限公司.
日本日立公司S-4800型扫描电子显微镜(SEM),加速电压15 kV; 日本电子株式会社JEOL-2100型高分辨率透射电子显微镜(HRTEM),加速电压200 kV; 荷兰Philips公司TECNAI F30型高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和X射线能谱(EDS)仪,加速电压300 kV; 荷兰PANalytical公司X'pert PRO X射线衍射(XRD)仪,Cu Kα靶(λ=0.154 178 nm),管电流30~50 mA,电压40 kV; 日本岛津公司Cary5000型紫外-可见分光光度计; 荷兰Avantes公司AvaSpec -2048- SPU型实时紫外-可见光纤光谱仪; 上海锐敏仪器有限公司GC-2060型气相色谱(GC)仪.
在夏幼南教授课题组报道的Ag纳米立方体合成方法[13-17]的基础上进行了改进和放大.在合成反应开始前,提前配制如下反应溶液:NaHS的乙二醇溶液(2 mg NaHS溶于11.89 mL乙二醇)、HCl的乙二醇溶液(3 μL HCL溶于12 mL乙二醇)、PVP的乙二醇溶液(0.35 g PVP(55K)溶于17.5 mL乙二醇)和CF3COOAg的乙二醇溶液(0.3 g CF3COOAg溶于4.18 mL乙二醇).Ag纳米立方体具体合成方法如下:将50 mL乙二醇加入250 mL三颈瓶中,并将其置于150 ℃油浴,然后用3个5 mL的试剂瓶将3个瓶口封住; 开启磁力搅拌装置并调至磁子匀速转动,快速加入0.6 mL新配制的NaHS乙二醇溶液并开始计时; 在4,6,8 min时,分别快速加入5 mL HCl的乙二醇溶液、12.5 mL PVP的乙二醇溶液和4 mL CF3COOAg的乙二醇溶液,并继续反应; 反应过程中,观察反应溶液颜色变化,并通过检测其紫外-可见吸收光谱实时监测立方体的生长状态; 当紫外-可见吸收峰达到434 nm时(溶液呈黄色),迅速将三颈瓶从油浴转移至冰浴中使反应停止; 此后,加适量丙酮至反应溶液中并离心(V(丙酮):V(反应溶液)=7:1)以除去反应溶液中的乙二醇和PVP,再用去离子水对样品进行清洗离心2次; 最后将溶液浓缩至10 mL并置于25 mL试剂瓶中保存.
Ag@Cu2O核壳结构催化剂以Ag纳米立方体为种子进行Cu2O生长而合成得到[15-16]:将60 mL去离子水加入到100 mL试剂瓶中,搅拌下依次加入0.5 mL 0.1 mol/L CuCl2水溶液、2 mL 40 mg/mL PVP(K30)水溶液和1 mL Ag立方体水溶液; 搅拌5 min 后,依次加入3 mL 0.2 mol/L NaOH水溶液和3 mL 0.2 mol/L AA水溶液; 15 min后停止反应并离心收集样品,用去离子水和乙醇离心洗涤样品多次; 最后,离心所得样品在真空干燥箱中常温抽干.
使用SEM、HRTEM、HAADF-STEM和EDS对所制备的催化剂的形貌、结构和元素分布进行表征.使用粉末XRD对催化剂的组成进行表征.用紫外-可见分光光度计固体漫反射模式和实时紫外-可见光纤光谱仪对催化剂的紫外-可见吸收光谱进行表征.使用GC对催化产物进行成分分析.
为了研究在催化丙烯氧化过程中光的影响,设计了一个特殊的固定床反应器.该固定床反应器为圆柱体,整体直径69 mm,高35 mm,顶部带有一个直径25 mm 的石英窗口.反应器内部的固定床直径15 mm,床层高度1.5 mm.反应气体由反应器顶部进入,流经固定床从底部流出,最后通往色谱检测.与传统的固定床反应器相比,这个固定床反应器具有床层薄且宽的特点,因此在催化效率方面有所欠缺,但它可以大大提高催化剂对光的吸收效率,便于研究催化反应中光的影响.进行催化反应时,将10 mg Ag@Cu2O催化剂与90 mg研磨过的商业SiO2混合后平铺于床层.待反应器密封之后,以20 mL/min的流速通入V(C3H6):V(O2):V(He)=2:1:12.5混合气体.反应器温度通过程序控温系统控制,在需要加热时以5 ℃/min的速率升温至设定温度,待反应器温度稳定后将尾气接入GC仪进行分析.在进行光助催化反应时,使用300 W氙灯作为光源从石英窗口照射催化剂.
图1(a)和(b)分别为合成得到的Ag纳米立方体的SEM和TEM图,可以清楚地看到,合成的样品为形貌规整、尺寸均一的纳米立方体,其平均尺寸为43 nm(粒径分布见图1(a)插图).粉末XRD表征结果(图1(c))显示,样品的衍射峰与面心立方结构(fcc)的金属Ag(PDF No.65-2871)相吻合,说明所合成的纳米立方体颗粒确实为Ag.此外,样品的衍射峰尖锐,说明合成的Ag纳米立方体颗粒结晶性良好.
从图2(a)可以看到,在Ag纳米立方体表面生长了Cu2O后,颗粒基本维持立方体的形貌,但表面变得比较粗糙,尺寸明显变大(约为100 nm).此外,这些颗粒的中心区域衬度更亮,隐约呈现出核壳结构(见图2(a)插图).为了确认这些立方体颗粒的核壳结构,在TEM下选取了一个单独的纳米立方体进行表征.从图2(b)可见这些立方体颗粒核/壳两个区域的衬度截然不同:内核部分衬度较深,尺寸约为40 nm,与Ag立方体尺寸相符; 而外壳部分衬度较浅,厚度约为30 nm.由于Ag原子序数比Cu大,对电子的散射能力更强,所以Ag立方体种子在TEM下衬度应会较深.由此可以初步判断,图2(b)中衬度较深的部分为Ag立方体内核,而衬度较浅的部分为生长出来的Cu2O外壳.图2(c)为Ag@Cu2O单颗纳米立方体对应的选区电子衍射(SAED)图,经过指标晶带轴确认为<100>,可分解出归属于Cu2O和Ag的两套晶格衍射点,其中二者的(200)晶面衍射点重叠.这说明不仅外壳Cu2O和内核Ag的(200)对应的晶面间距非常相近,而且Cu2O层的生长取向与Ag纳米立方体保持一致,即Cu2O层在Ag纳米立方体{100}表面的生长为外延生长.
为确定Cu2O壳层与Ag纳米立方体之间的这种外延关系,进一步对Ag/Cu2O界面处进行了HRTEM表征.如图2(d)所示:深色区域平行于立方体表面的晶格条纹间距为0.20 nm,对应于Ag(200)晶面; 浅色区域平行于立方体表面的晶格条纹间距为0.21 nm,则对应于Cu2O(200)晶面.Cu2O(200)晶面与Ag(200)晶面彼此平行,进一步证明了Ag@Cu2O纳米立方体核壳结构是通过外延生长形成的.
使用HAADF-STEM-EDS对Ag@Cu2O的元素分布情况做进一步表征.如图2(e)所示,Cu和O元素的区域完全重叠,和Cu2O壳层区域一致,而Ag元素仅分布在内核纳米立方体区域.如图2(f)所示,粉末XRD分析也表明该样品除了有面心立方相Ag的衍射峰(PDF No.65-2871)外,剩下的衍射峰与Cu2O的标准卡片(PDF No.65-3288)完全相符.上述结果表明,以Ag纳米立方体为种子,通过CuCl2和AA在Ag表面的还原反应,成功合成了具有外延核壳结构的Ag@Cu2O纳米立方体.
对合成的Ag和Ag@Cu2O核壳结构的纳米立方体的光学性质进行研究,其紫外-可见吸收光谱(图3)显示:Ag纳米立方体在430 nm处有一个非常强的吸收峰,这是Ag的SPR效应引起的吸收[13-14]; 而包裹Cu2O后样品的吸收峰红移,最大吸收峰位于580 nm,这是由于Cu2O的包裹改变了Ag纳米颗粒表面的介电常数,从而改变米氏散射状态,其红移程度和Cu2O的厚度相关,厚度越大则红移越大[17-18].
首先测定了Ag和Ag@Cu2O纳米立方体在无光照条件下催化丙烯氧化反应的选择性和产率.为了确认Cu2O壳层的作用,还制备了无Ag纳米立方体内核的Cu2O纳米颗粒作为参比催化剂.对于Ag@Cu2O催化剂来说(图4(a)和(b)):在50~125 ℃之间,没有任何产物生成,说明丙烯未被氧化(反应选择性和产率均为0); 当温度达到150和175 ℃时,仅有极少量的丙烯醛生成,产率分别为0.014%和0.022%,但选
图2 Ag@Cu2O纳米立方体的SEM图(a)、TEM图(b)及对应的SAED图(c),Ag@Cu2O纳米立方体核壳界面处的HRTEM图及相对应的Ag内核(右上角插图)和Cu2O外壳(左下角插图)的快速傅里叶变换模式图像(d),Ag@Cu2O纳米立方体HAADF-STEM图及对应的元素分布图(e)和XRD图(f)
Fig.2 SEM image(a), TEM image(b)and corresponding SAED pattern(c), HRTEM image of Ag@Cu2O nanocubes(d)and corresponding fast Fourier transform pattern of Ag(top-right inset)and Cu2O(bottom-left inset), HAADF-STEM image and corresponding elemental mapping images(e), XRD pattern(f)of Ag@Cu2O nanocubes
图3 Ag和Ag@Cu2O纳米立方体的紫外-可见吸收光谱图
Fig.3 UV-Visible absorption spectra of Ag and Ag@Cu2O nanocubes
择性均为100%; 当温度提高至200 ℃时,开始生成CO2,产率为0.034%,丙烯醛的产率则达到0.07%,但选择性降至67.14%; 随着温度的进一步提升,CO2和丙烯醛的产率均进一步提高,但是CO2产率提高幅度更大,因此200 ℃之后丙烯醛的选择性逐步下降; 当温度达到300 ℃时,丙烯醛的选择性已降至21.59%,而CO2的选择性则高达77.12%,并且伴随1.28%的其他产物.对于Ag催化剂来说(图4(c)和(d)):在175 ℃时才有少量的CO2和丙烯醛生成,两种产物的选择性相当,分别为52.64%和47.36%; 与Ag@Cu2O催化剂相同,随着温度的进一步提升,CO2和丙烯醛的产率均进一步提高; 与Ag@Cu2O不同的是,在225 ℃之前Ag催化产生的CO2的产率增长速度不及丙烯醛,因此CO2的选择性先下降再升高,并在225 ℃时达到最低值,为26.48%,而此时丙烯醛的选择性达到最大值,为64.73%,此后便呈现下降趋势.对于Cu2O催化剂来说(图4(e)和(f)),其反应的启动温度升至200 ℃,并且其丙烯醛的产率始终远低于CO2的产率.
综上可知,在温度逐步升高时(≥150 ℃),催化剂催化O2氧化丙烯的能力逐渐提高,说明催化剂的反应活性对体系温度的改变具有高度的敏感性.在较高温度时(≥200 ℃),随着温度的继续升高,大量丙烯转化成CO2,说明过高的温度会导致丙烯的过度氧化.考虑到生成的CO2是丙烯过度氧化的结果,而其他产物含量又低,因此选择丙烯醛作为丙烯氧化反应的目标产物进行研究.通过对反应选择性的比较发现,Ag@Cu2O在150~175 ℃范围内,其产物丙烯醛的反应选择性相较于Ag纳米立方体和Cu2O均有显著提高.
图4 无光照条件下不同催化剂催化生成产物的产率(a,c,e)和选择性(b,d,f)随温度的变化曲线
Fig.4 Temperature-dependent yield(a,c,e)and selectivity(b,d,f)curves of all productions over different catalysts in dark environment
已有研究表明,丙烯氧化反应首先是由丙烯和催化剂直接接触产生活性中间体,然后活性中间体再和O2进一步反应生成丙烯氧化产物[19-20].此外,丙烯氧化还有另一种反应方式:催化剂同O2直接接
图5 光照条件下不同催化剂催化生成丙烯醛的产率(a)和选择性(b)随温度的变化曲线
Fig.5 Temperature dependent yield(a)and selectivity(b)curves of acrolein production over different catalysis in light environment
触反应产生氧活性物种(O*),然后氧活性物种再同丙烯进行反应生成丙烯氧化产物.这种反应路径避免了催化剂本身与丙烯的直接接触,可以有效地避免丙烯的过度氧化,从而提高反应的选择性[6,21-22].根据无光照条件下催化反应的结果,认为Cu2O壳层起到了隔断的作用,阻碍了丙烯和Ag纳米立方体的直接接触和反应,因此Cu2O在一定程度上提高了反应对丙烯醛的选择性.
将光引入反应体系来探究这些催化剂在光照条件下丙烯氧化反应中的催化性能.为了更好地对比热催化和光催化的不同影响,同样以丙烯醛为反应目标产物,结合无光照条件下反应的催化结果做进一步分析.图5(a)和(b)显示了前述3种催化剂(Ag@Cu2O纳米立方体、Ag纳米立方体和Cu2O纳米颗粒)以及Ag纳米立方体和Cu2O纳米颗粒的混合物在光照条件下进行丙烯氧化反应时产物丙烯醛的产率和选择性.
在光照条件下各催化剂在低温时(75 ℃)就表现出了一定的催化活性,并且各催化体系的丙烯醛产率虽有不同,但其选择性均在80%左右; 随着温度的提高,各催化体系的丙烯醛产率也不断提高,但是副产物也随之增多; 当体系温度超过125 ℃时(Ag和Cu2O体系超过150 ℃),各体系的丙烯醛选择性逐步下降,在300 ℃时降至20%左右.此外,在光照条件下不同催化体系间产物丙烯醛的选择性随温度的变化趋势类似,在一定温度范围内(≤250 ℃)Ag@Cu2O催化下的丙烯醛产率有着明显的优势.由此可以推断,在光照条件下各催化剂催化丙烯氧化的反应机理是一致的,都是以产生氧活性物种(O*)的方式来进行反应,而核壳结构在一定程度上提高了Ag@Cu2O在光助丙烯氧化反应中的催化活性.
为进一步验证上述推论,使用Ag和Ag@Cu2O纳米立方体分别在100~225 ℃下进行明暗条件下的丙烯氧化反应的对比实验,即在一定温度下先进行无光反应并检测产物,并且在不改变任何条件的情况下直接引入光的作用并检测产物,从而可以直观地观察到引入光后的反应变化.从图6中可以清楚地看到:对于Ag纳米立方体来说,光照对反应产率没有明显影响(图6(a)); 但是对于Ag@Cu2O催化剂来说,光的引入与否却十分关键.当温度低于200 ℃时,无光照条件下的丙烯氧化反应几乎没有丙烯醛产生,当温度进一步提高至200 ℃时,热催化才开始起作用生成少量丙烯醛; 然而在光照条件下,从反应开始阶段(100 ℃)就有0.07%的丙烯转化为丙烯醛,在200 ℃时丙烯醛的产率达到了0.15%,是无光照下产率(0.05%)的3倍(图6(b)).由此可见,光照对于Ag@Cu2O核壳结构催化剂催化丙烯氧化反应具有明显的促进作用,但当体系温度升高至一定程度时(225 ℃),热催化占据主导地位,光对产物产率的影响减弱.
图6 不同温度明暗条件下Ag和Ag@Cu2O纳米立方体催化丙烯氧化反应的丙烯醛产率对比
Fig.6 Acrolein yield comparison of propylene oxidation reaction over Ag and Ag@Cu2O nanocubes in light/dark environment at different temperatures
可以从光助丙烯氧化反应前后Ag@Cu2O催化剂形貌的变化来解释这一现象.如图7所示:温度在175 ℃以下时,Ag@Cu2O催化剂一直保持着核壳结构; 但当温度超过175 ℃时,Cu2O壳层结构有所坍塌.这恰好与明暗条件下催化反应产率差异最大的温度节点相吻合,说明在壳层坍塌之后,光对反应的影响变弱,而热催化的作用开始增强,因此明暗条件下催化反应产率的差异逐渐减小.这在一定程度上证明了Ag@Cu2O的壳层结构是光助催化丙烯氧化反应的关键因素.
(a)~(f)的反应温度分别为 100,125,150,175,200和225 ℃.
图7 Ag@Cu2O催化剂在不同温度下催化丙烯氧化反应后的TEM图
Fig.7 TEM images of Ag@Cu2O nanocubes after catalytic propylene oxidation reaction at different temperatures
本研究成功构建了Cu2O包裹Ag纳米立方体的核壳结构催化剂,并对其进行光助丙烯氧化反应的研究.Cu2O壳层的存在有效抑制了丙烯的过度氧化,从而提高了目标产物(丙烯醛)的选择性.此外,所制备的Ag@Cu2O核壳结构催化剂无论核还是壳层均具有光响应:一方面,Cu2O壳层的半导体特性使得光生电子有效地参与反应; 另一方面,Ag核的SPR效应可以有效地利用光提高局部反应温度.通过这种多管齐下的方式充分增强了催化剂的光吸收效率,从而有效地提高了催化剂催化丙烯选择性氧化的效率.