通过改性氧化铝载体来增强银催化剂在烟尘燃烧中的活性

《Journal of Materials Chemistry A》：Boosting the activity of silver catalysts for soot combustion by modification of the alumina support

银催化剂表面酸性位点及载体结构对催化性能的影响。通过SEM-EDX、XRD、ToF-SIMS等表征手段，发现α-Al?O?载体（≥1000℃煅烧）显著提升银催化剂的活性，其表面酸性位点强度（Hammett测试）和氧物种吸附能力（CO?-TPD）与低熔点Al?O?不同。掺杂Cr、Co、Ce的铝基固体溶液在550℃煅烧后，通过形成Ag?CO?和稳定表面酸性位点，仍能实现与α-Al?O?载体相当的催化性能，且再生温度更低。实验表明载体结构相变（低→高温Al?O?）与掺杂离子共同影响银分散及表面化学环境。

　　本研究聚焦于银催化剂在焦炭燃烧反应中的活性，重点探讨了支撑材料（即氧化铝及其固溶体）的结构和表面特性对催化性能的影响。为了深入了解这一现象，科学家们合成了一系列不同焙烧温度的氧化铝支撑材料，并在这些材料上负载银，从而获得了多种催化剂。研究过程中采用了多种分析技术，包括扫描电子显微镜-能量散射X射线光谱（SEM-EDX）、X射线衍射（XRD）、氮气物理吸附（N?-physisorption）、程序升温还原（TPR）、程序升温脱附（CO?-TPD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）以及Hammett指示剂测试等。这些方法共同揭示了氧化铝的结构变化如何影响银催化剂的性能。

研究发现，氧化铝在低于1000℃焙烧时，主要呈现低温多态结构，而当焙烧温度达到或超过1000℃时，则转变为α-氧化铝。这一转变对催化剂的活性产生了显著影响。具体而言，α-氧化铝支撑的银催化剂表现出更高的焦炭燃烧活性。这种活性的变化被归因于支撑材料表面特性的差异。例如，通过ToF-SIMS分析发现，不同焙烧温度下的氧化铝表面在离子提取方面存在显著区别，而Hammett指示剂测试则表明，高温焙烧的氧化铝支撑材料中的酸性位点在再生过程中所需的温度更低，这进一步支持了高温焙烧对催化活性的促进作用。

此外，研究还探索了在氧化铝中引入其他金属离子（如钴、铈和铬）对催化剂活性的影响。这些金属离子的掺杂不仅改变了氧化铝的结构，还对其表面化学性质产生了影响。实验结果显示，掺杂后的氧化铝支撑材料在焦炭燃烧中表现出与α-氧化铝支撑材料相似的活性，这表明可以通过掺杂的方式来提升催化性能。例如，铬掺杂的氧化铝在550℃焙烧后，其支撑的银催化剂表现出较高的活性，而这种活性并未因进一步提高焙烧温度至1300℃而显著增强，说明高温焙烧可能并不适用于所有掺杂体系。

为了更深入地理解这些变化，研究人员对不同焙烧温度的氧化铝支撑材料进行了系统的表征。XRD分析显示，不同焙烧温度下的氧化铝在晶体结构上存在明显差异。例如，550℃焙烧的氧化铝表现出较高的孔隙率，而1300℃焙烧的氧化铝则具有更致密的结构，导致其表面活性位点的分布和数量发生变化。这些结构差异进一步影响了催化剂的表面化学特性，如酸碱性、氧空位以及活性氧物种的形成。

通过SEM-EDX和XPS等表面分析技术，研究人员发现，银在氧化铝支撑材料上的分布和形态对催化活性至关重要。例如，在550℃焙烧的氧化铝上，银主要以金属银和银碳酸盐的形式存在，而在高温焙烧的氧化铝上，银主要以金属银形式存在。这表明，支撑材料的表面特性直接影响了银的沉积方式和形态，从而影响其催化活性。此外，XPS分析还揭示了不同金属离子掺杂对氧化铝表面铝离子化学环境的影响，例如，铬掺杂的氧化铝表面铝离子的化学状态与未掺杂的氧化铝不同，这可能是其在焦炭燃烧中表现出更高活性的原因之一。

为了进一步验证这些结果，研究人员还进行了循环活性测试，以评估催化剂在重复使用过程中的稳定性。结果显示，银负载在1300℃焙烧的氧化铝上的催化剂在六次循环后仍能保持较高的活性，而其他支撑材料的催化剂则表现出一定程度的活性下降。这表明，某些支撑材料在高温焙烧后可能具有更好的稳定性，从而有利于催化剂的长期使用。

另外，研究还涉及了不同类型的表面活性位点对催化反应的影响。例如，Hammett指示剂测试显示，高温焙烧的氧化铝支撑材料中的酸性位点比低温焙烧的更稳定，这可能有助于催化反应中某些中间产物的形成。而在掺杂后的氧化铝支撑材料中，这种稳定性同样得到保持，甚至在某些情况下有所增强，这表明金属离子的掺杂可能有助于提升支撑材料的表面特性，从而间接提高催化剂的活性。

通过FTIR和CO?-TPD等技术，研究人员还分析了支撑材料表面的氧物种和酸碱性。结果表明，未掺杂的氧化铝在550℃焙烧时，其表面存在较多的碳酸盐物种，而这些物种在高温焙烧的氧化铝上几乎消失。这说明高温焙烧能够有效去除表面的非活性物种，从而提升催化剂的性能。此外，掺杂后的氧化铝在某些情况下也表现出类似的特性，这可能与掺杂离子对氧化铝结构的改变有关。

总的来说，本研究通过系统的实验设计和多种分析手段，揭示了氧化铝支撑材料的结构和表面特性对银催化剂在焦炭燃烧中的活性具有重要影响。研究结果表明，通过调整焙烧温度或引入特定金属离子，可以显著提升催化剂的性能。这些发现不仅有助于理解银催化剂的催化机制，也为未来开发高效、稳定的催化剂提供了理论依据和实验支持。