包裹催化剂的六大策略

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在异相催化剂的催化反应中,其中最重要的挑战性在于催化剂在反应中的失活过程,研究者通过多种方法对催化剂的失活过程进行研究,并尝试改善催化剂的寿命。


最近通过在催化剂表面进行包覆处理降低催化剂失活过程得到了广泛的关注,托莱多大学Ana Carolina Alba-Rubio、马拉加大学C. García-Sancho对不同的包覆技术用于抑制液相/气相催化反应中的催化剂的烧结(sinter)和浸出(leach)失活进行总结,并且着重对催化剂的催化活性、稳定性问题进行阐述,并对催化剂活性位点覆盖的位点上传质过程进行阐述,最后对本领域中重要需要发展的课题进行展望。


本文要点

要点1. 气相沉积制备方法(Chemical vapor deposition, CVD)。能对金属催化剂纳米材料表面有效的修饰,能有效的改善催化剂的稳定性,但是同时对催化剂的失活作用有一定限制,这是由于气相沉积方法生成的薄层无法形成固定的结构,并会一定程度上妨碍了催化活性。

要点2. 原子层沉积方法(atomic layer deposition, ALD)。原子层沉积在最近几十年间被工业界广泛应用于燃料电池、电化学反应、润滑涂层、纳米材料合成、催化等领域中。在原子层沉积中,通过对一系列自我限制反应(self-limiting reaction)应用,实现了在金属、氧化物、其他材料和基底上反应。通常ALD方法能够在界面上形成<10 nm的薄层材料,并且能够在分子级别进行调控,但是ALD过程中通常需要价格高昂的专业设备,并且沉积速率较低(大多数的ALD生长过程速率在100~300 nm h-1),并且ALD过程难以进行大规模制备。

要点3. 强金属-基底相互作用(strong metal-support interaction)。强金属-基底相互作用发现于1970年代,在TiO2表面上沉积VIII族的贵金属中被发现。

要点4. Stöber方法。Stöber方法被1968年在合成球状SiO2中被发现,其在水--氨水-有机硅体系中很好的进行。此外,Stöber方法在对纳米材料表面负载SiO2层;对金属、氧化物、半导体、聚合物、能量储存、生物技术、光子学器件中广泛使用。最近Stöber方法被用于提高催化剂的寿命中。

要点5. 非水解性溶胶-凝胶法(nonhydrolytic sol-gel method)。非水解性溶胶-凝胶方法能通过调节反应和反应溶剂,从而调节复合氧化物材料的组成和结构,并且通过这种方法能够将催化位点进行限定,抑制催化位点的失活。

要点6. 溶液中沉积/修饰有机物。通过负载一些有机物实现特定的应用,比如负载APTES从而改善稳定性、抑制催化剂失活。


Hope O. Otor, Joshua B. Steiner, C. García-Sancho*, and Ana Carolina Alba-Rubio*. Encapsulation Methods for Control of Catalyst Deactivation: A Review, ACS Catal. 2020
DOI10.1021/acscatal.0c01569
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c01569


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