高活性Pd/P-CeO2-Al2O3整体式催化剂中Br?nsted/Lewis酸性位调控对CO氧化性能的影响机制研究

推荐 为高效消除复杂工业烟气及氢燃料电池尾气中的CO污染，本研究通过界面性质工程调控Pd催化剂的活性相。研究发现，通过降低Br?nsted/Lewis酸性位比值（B/L），Pd/P-CeO2-Al2O3催化剂在110℃下实现CO完全催化氧化，且在N2、H2O、SO2等苛刻条件下仍保持高活性。该研究为多相Pd催化剂活性相调控提供了新方法。

　　

论文解读
研究背景与问题提出
一氧化碳（CO）作为主要污染物，广泛来源于工业过程、水含工业烟气及汽车尾气排放，能与血红蛋白结合危及生命。传统CO催化氧化需在高温（>200℃）下进行，而低温催化技术可显著降低能耗。含铈氧化物（CeO₂）的钯（Pd）催化剂因氧储存能力和高活性备受关注，但其活性相（如金属态Pd⁰或氧化态Pd^x+）的主导作用仍存争议。部分研究认为还原态Pd⁰更优，另一些则主张离子态Pd²⁺主导反应。此外，载体性质（如酸性位点比例）对Pd化学状态的影响机制尚未明确。

研究机构与方法
山东大学研究人员通过调控Br?nsted/Lewis酸性位比值（B/L），系统研究了Pd/P-CeO₂-Al₂O₃整体式催化剂的CO氧化性能。采用X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征Pd物种演化，并结合程序升温还原（TPR）和CO脉冲吸附技术解析反应路径。

关键实验技术

1. X射线光电子能谱（XPS）：分析Pd物种价态变化；
2. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：检测吸附分子与表面相互作用；
3. 程序升温还原（TPR）：评估催化剂氧化还原能力；
4. CO脉冲吸附：量化活性位点分布。

研究结果

1. Pd物种演化与反应路径
   研究发现四种Pd活性相循环对：Pd⁰/Pd²⁺、PdO_1+γ/PdO_1+γ?β、Pd⁰/PdO_ε、PdO/PdO_1?δ。B/L值从0.74降至0.16时，催化活性呈现非单调变化——还原态（B/L=0.16）和氧化态（B/L=0.74）均表现出优异性能，而中间态活性较低。

2. 界面环境调控机制
   B/L比值综合反映了羟基含量、CeO₂晶格缺陷、Pd颗粒尺寸及界面接触强度。低B/L值增强Lewis酸性位点，促进氧空位形成；高B/L值则强化Br?nsted酸性位点，利于反应物吸附。当B/L=0.16时，Pd⁰与Ce³⁺协同作用显著提升活性。

3. 抗中毒性能验证
   催化剂在含高浓度N₂、H₂O、SO₂的复杂环境中仍保持活性，表明其结构稳定性。例如，在10% H₂O存在下，CO转化率仅下降5%，优于传统Pt基催化剂。

结论与意义
本研究通过精确调控B/L比值，实现了Pd活性相的高效演化，解决了多相Pd催化剂活性相争议问题。结果表明，还原态（Pd⁰）和部分氧化态（PdO_ε）在不同条件下均可主导反应，且CeO₂的氧迁移能力与Pd的电子效应协同优化了催化性能。该策略为设计耐受复杂环境的工业催化剂提供了理论依据，尤其适用于汽车尾气处理和氢能源技术。研究成果发表于《Applied Surface Science》，凸显了界面工程在多相催化中的核心作用。

注：文中专业术语首次出现时已标注解释（如B/L、CeO₂），后续直接使用标准格式。