铂催化剂的XPS谱图
CO催化氧化在室内空气净化、CO气体传感器、CO2激光器以及汽车尾气处理等诸多领域都有着广泛应用. 所用催化剂可分为贵金属催化剂如Au、Pt、Pd等; 非贵金属催化剂如Cu和Mn等.此外, 载体在该反应中也起着重要作用, 尤其是可还原性载体如MnOx、SnOx、Fe2O3、TiO2和CeO2等, 这种作用与载体的氧化还原性能(redox)以及载体与金属之间的相互作用有关. Pt/TiO2催化剂由于其优异的CO氧化性能, 因而也被广泛研究.
研究结果表明, Pt/TiO2催化体系中存在明显的金属-载体相互作用, 这种相互作用对CO氧化的催化性能具有较大的影响. 其机理涉及到金属和载体的电子结构和形貌变化.Alexeev等发现Pt/TiO2比Pt/Al2O3催化剂具有更高的CO氧化性能, 这是由于TiO2能提供在金属-载体界面上产生的活性氧物种. 目前虽然对CO催化氧化已有大量研究, 但是对于一些重要问题如金属-载体相互作用如何影响金属性质(如分散度、形貌、化学状态等)以及反应物分子(CO和O2)在催化剂表面的吸附等还没有明确的解释.
更为重要的是, 金属和载体之间的相互作用对反应机理的影响也值得进一步思考和验证. 目前, 普遍认为负载型催化剂上CO的氧化反应发生在金属-载体界面上,但反应历程也受到催化剂结构的影响. 例如, 在CuO/CeO2催化剂中, Liu和Flytzani-Stephanopoulos认为CO氧化反应遵循经典的Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型.
为了更深入研究负载型催化剂上CO氧化反应的一些重要问题, 有必要进行反应动力学研究以考察反应历程. 更为重要的是, CO和O2在催化剂表面吸附和活化信息的获得将有助于理解催化剂性质尤其是金属-载体接触界面的性质对反应性能的影响.
浙江师范大学物理化学研究所鲁继青等人利用沉积沉淀法制备了Pt/TiO2催化剂, 将其在不同温度下焙烧, 以得到不同颗粒尺寸的Pt. 并将这些样品用于CO催化氧化反应以及反应动力学研究. 结果表明: 焙烧温度对催化剂有明显影响, Pt颗粒尺寸随着焙烧温度的升高而增加; 与此同时, CO催化活性随焙烧温度的升高呈先增加后降低的趋势, 其中, 400°C焙烧的样品表现出最高的催化活性. 反应动力学结果表明, 催化剂上CO氧化反应表观速率方程为r=5.4×10-7p CO 0.17p O20.36,说明在该催化剂上CO氧化遵循Langmuir-Hinshelwood机理. 同时, 对催化剂进行了CO化学吸附红外光谱和O2化学吸附表征. 结果表明, 随着焙烧温度的升高, 催化剂上CO和O2吸附量均呈现先升高后降低的趋势, 这与反应结果和反应动力学方程一致, 说明反应受到催化剂表面上CO和O2吸附浓度的影响. 而在400 °C焙烧的催化剂上, CO和O2吸附量均最高, 因此其反应活性也最好. 这可能是焙烧过程影响了Pt和TiO2之间的相互作用引起的.