PtCu–TiO2催化剂在光催化、热催化及光热协同催化过程中

  1. 文章信息

标题：Platinum−Copper Bimetallic Nanoparticles Supported on TiO2 as Catalysts for Photo−thermal Catalytic Toluene Combustion

DOI：10.1021/acsanm.1c03429

2. 文章链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.1c03429

3. 期刊信息

期刊名：ACS Applied Nano Materials

ISSN：2574-0970

2020年影响因子：5.097

分区信息：中科院2区；JCR分区（Q2）

涉及研究方向：材料科学

4. 作者信息：第 一作者是山东大学材料科学与工程学院硕士生齐园。通讯作者为山东大学王凤龙教授、刘久荣教授、吴涛研究员与蒋妍彦教授‍。

5. 文中所述设备由北京中教金源科技有限公司提供，CEL-GPPC

文章简介：

空气中挥发性有机化合物(VOCs)的显著增加造成了严重的环境污染和人类健康问题。在各种去除VOCs的方法中，气相光热催化被认为是一种有效的方法，它具有能耗低、转换效率高的优点。近年来，贵金属Pt基催化剂因其在低温下的优异催化性能而受到广泛的研究，但贵金属的稀缺性极大地限制了其实际应用。因此，通过引入第二种丰量金属元素来降低贵金属的使用量，同时保持或提高催化性能成为解决这一问题的有效途径，逐渐受到了科研工作者的广泛关注。

本文通过调整Pt-Cu双金属的元素比例，探究了PtCu–TiO2催化剂在光催化、热催化及光热协同催化过程中甲苯的降解情况。主要实验结论如下：

1）通过硼氢化钠一步还原法制备得到不同质量比的Pt–Cu/TiO2催化剂，用于流动体系中甲苯的催化降解。结构表征表明，金属纳米粒子尺寸在2–4 nm，均匀分布在锐钛矿型TiO2 (20 ~ 60nm)表面。此外，高倍透射观察发现金属纳米颗粒的晶格条纹介于Pt(111)与Cu(111)之间，EDX元素面扫证明在双金属颗粒中，Pt与Cu均匀分布，从而证明了固溶体合金的形成。合金固溶体内部Pt元素与Cu元素有着较强的相互作用关系，从而能够有效调控金属的电子结构，对其与催化反应物、中间产物、产物的有着明显的调节作用。通过优化两种金属元素的相对含量，有望获取超过单独Pt元素存在的催化性能，基于此开展了一系列研究内容。

2）探究了不同质量比的Pt–Cu/TiO2催化剂对于光催化、热催化及光热催化降解甲苯的性能。在单独的热催化或光催化条件下，Pt与Cu质量比为4:1的催化剂（PT–4）表现出和纯Pt催化剂相近的性能。在光热耦合反应条件下，发现PT–4催化剂的甲苯降解性能超过了纯Pt催化剂，由此说明了PtCu合金催化剂的优越性，甲苯–TPD实验表明PtCu催化剂相对纯Pt催化剂来说，能够吸附更多的反应物，具有更多的反应活性位点。

3）为了更系统的探究光与热的协同作用，以PT–4催化剂为例，比较了其在光照下和无光照条件下的催化性能。在光照射下，甲苯的转化率可以达到55%，但如果没有外界的热作为催化过程的驱动力，转化率就不能再提高。当温度达到110 ℃时，PT–4催化剂光热耦合催化降解甲苯的效率接近100%，而在同样温度下热催化降解甲苯的效率不到1%。这意味着低温去除甲苯既需要光照射，也需要外部加热。因此，光和热是催化过程中不可缺少的，由此证明了光照和外加热量在催化甲苯降解过程中具有协同作用。

希望本文所做的工作能为未来设计在温和条件下光热催化降解VOCs的高效双金属合金催化剂提供启发式指导。文章DOI: 10.1021/acsanm.1c03429，原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.1c03429

设备介绍：
CEL-GPPC升级版CEL-GPPCM微型光热催化微反系统适用于光热协同催化、光催化催化剂的评价及筛选，可做光催化的反应动力学、反应历程等方面的研究。主要应用到高温光热催化反应，光热协同催化，具体可用于半导体材料的合成烧结、催化剂材料的制备、催化剂材料的活性评价、光解水制氢、光解水制氧、二氧化碳还原、气相光催化、甲醛气体的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等领域。

400mm（宽）*700mm（高）*700mm（深）

系统采用石英反应器，可满足透光的要求，能进行高温的实验。系统采用加热炉给反应器加热，可保证反应过程中温度的稳定。

系统设计为三条气路进料，配有1路气体吹扫，同时预留1路液路接口（可定量加入所需液体原料）。系统包括：进料稳流系统、反应恒温系统，产物收集系统、控制系统。

系统柜体采用铝型材制作，采用配套的螺栓、螺母固定件，美观大方，维修拆卸方便。与管线连接处采用双卡套接头，更换反应器即可做高压实验和常规热催化反应。

技术参数：1.进料系统：3路反应进气（可扩展至4路），默认流量100mL/min；气体流量控制精度：±1%；配有1路吹扫气；配有1路液路接口。统装有配气出口，可单独做为配气系统使用。

2.反应器 ：操作压力：微正压（主要用于克服系统的压力降）；设计温度：≤800℃，配程序控温，开式加热炉；设计压力：常压, <0.6Mpa，反应区可恒定压力；催化剂装填量：0.1mg---10mg；材质：石英玻璃。

3.参数指标：压力显示精度：±0.01MPa；温度显示精度：±0.1℃；温度控制精度：±1℃；流量控制精度：±1%F.S

4.控制系统：系统采用控制模块加触屏计算机（含）联合控制，在触屏计算机上可实现100%仪表功能操作如实时读取测量值、给定值、设置参数、自动/手动切换、启动运行/停止程序，并具备数据存储和导出功能。

5.过程监视控制：实现对反应器的温度、气体流量的控制和显示。实现对反应过程中压力和反应器床层温度的监视。

6.实现对温度、压力的越限报警及连锁安全保护。温度为两级报警，温度高于第 一设定值时声光报警，高于第二设定值时自动停止加热；压力高于第 一设定值时声光报警，高于第二设定值时停止进料。

7.现场显示：反应器进口设有1块精细压力表，用于实时显示当前反应器的反应压力，同时匹配数显压力传感器控制屏显示。

8.控制界面：控制界面有带控制点的控制流程图、参数设置表、程序升温设置、报警窗口、历史数据以及各控制点的实时曲线和历史曲线，历史曲线保留时间永 久。