催化剂活性位本质和构效关系的模型催化研究

doi:10.3866/PKU.WHXB201707171

物理化学学报 >> 2017, Vol. 33 >> Issue (12): 2424-2437.doi: 10.3866/PKU.WHXB201707171

催化剂活性位本质和构效关系的模型催化研究

陈明树*()

厦门大学化学化工学院,固体表面物理化学国家重点实验室,厦门361005

收稿日期:2017-06-17 发布日期:2017-09-05
通讯作者: 陈明树 E-mail:chenms@xmu.edu.cn
作者简介:陈明树，厦门大学化学化工学院教授。1969年5月出生于福建省。1991年成都科技大学(现四川大学)本科毕业，1994年厦门大学化学系硕士毕业，1997年厦门大学化学系催化专业博士毕业，毕业后留校工作。1999–2002年到日本九州大学进修表面科学专业获工学博士学位。2002–2007年美国德州农工大学化学系博士后/Research Scientist。2007年厦门大学特聘教授。主要开展多相催化、表面化学以及模型催化研究，发展高灵敏度的原位动态催化表征技术，以期明确有关重要催化反应的催化剂作用机理和催化反应机理
基金资助:
973重大研究计划(2013CB933102);国家自然科学基金(21273178);国家自然科学基金(21573180);国家自然科学基金(91545204)

Toward Understanding the Nature of the Active Sites and Structure-Activity Relationships of Heterogeneous Catalysts by Model Catalysis Studies

Mingshu CHEN*()

State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces, College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, P. R. China

Received:2017-06-17 Published:2017-09-05
Contact: Mingshu CHEN E-mail:chenms@xmu.edu.cn
Supported by:
the National Basic Research Program of China(2013CB933102);National Natural Science Foundation of China(21273178);National Natural Science Foundation of China(21573180);National Natural Science Foundation of China(91545204)

摘要/Abstract

摘要：

明确催化剂的活性位本质和构建多相催化的结构和反应性能之间的准确关系是催化基础研究的重点，表面科学研究基于丰富的表征测试手段能够较好地在分子原子水平测定表面结构以明确催化剂活性位本质，并通过高压原位反应池测定相关催化反应性能，获得较可靠的催化剂构效关系。本文简要总结了近年来本人参与的几个模型催化研究例子，包括贵金属表面上CO和烷烃催化氧化的活性表面、纳米Au膜的制备和CO氧化的催化活性位、VO_x/Pt（111）上丙烷氧化的协同作用、AuPd合金上醋酸乙烯酯合成Au的助催化作用、模型氧化物上纳米Pt的庚烷脱氢环化制甲苯的粒径关系等，以及相关模型催化研究技术的进展。

关键词: 模型催化, 构效关系, CO氧化, 烷烃临氧转化, 原位谱学

Abstract:

Understanding the nature of the active sites and the relationship between the catalyst structure and its performance are fundamental aspects of heterogeneous catalysis. With the development of modern surface science techniques, atomically resolved surface structures of heterogeneous catalysts and their properties can be studied with ease. Combined with an in situ high pressure cell, model catalysis studies can provide convincing information about the relationship between the catalyst structure and its performance. In this mini-review, several case studies of model catalysts have been summarized, including those of the active surfaces for CO and alkane oxidation using the Pt group metals as catalysts, the active site of gold nanoparticles for CO oxidation, synergistic effects between VO_x and Pt for propane oxidation, promotional effects of Au in Pd-Au catalysts for vinyl acetate synthesis, structure-sensitivity of n-heptane dehydrocyclization on model oxide-supported Pt, as well as several significant improvements of the model catalysis techniques.

Key words: Model catalysis study, Structure-activity, CO oxidation, Alkanes oxidation, In situ spectroscopy

陈明树. 催化剂活性位本质和构效关系的模型催化研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2424-2437.

Mingshu CHEN. Toward Understanding the Nature of the Active Sites and Structure-Activity Relationships of Heterogeneous Catalysts by Model Catalysis Studies[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(12): 2424-2437.

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201707171

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I12/2424

参考文献

1	Somorjai, G. A.; Li, Y. Introduction to Surface Chemistry and Catalysis; John Wiley & Sons: NJ, USA, 2010.
2	Ertl G. ; Freund H.-J. Phys. Today 1999, 52 (32)
3	Freund H.-J. ; van Santen R. A. ; Neurock M. ; Boudart M. ; Mullins C. B. ; Norskov J. K. Elementary Steps and Mechanisms: Sections 5.1–5.2. Handbook of Heterogeneous Catalysis; Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, Germany 2008, pp.911- 1051.
4	(a) Goodman, D. W. Surf. Sci.1994, 299, 837. doi: 10.1016/0039-6028(94)90701-3
4	(b) Goodman, D. W. J. Phys. Chem. 1996, 100, 13090. doi: 10.1021/jp953755e
5	Cremer P. S. ; Su X. C. ; Somorjai G. A. ; Shen Y. R. J. Mol. Catal. A 1998, 131 (225)
6	Spencer N. D. ; Schoonmaker R. C. ; Somorjai G. A. J. Catal. 1982, 74, 129.
7	(a) Goodman, D. W.; Kelley, R. D.; Madey, T. E.; Yates, J. T., Jr. J. Catal. 1980, 63, 226. doi: 10.1016/0021-9517(80)90075-5
7	(b) Goodman, D. W. J. Vac. Sci. Technol. 1982, 20, 522. doi: 10.1116/1.571422
8	Ertl G. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3524.
9	Grunze M. ; Bozso F. ; Ertl G. ; Weiss M. Appl. Surf. Sci. 1978, 1, 241.
10	Bozso F. ; Ertl G. ; Weiss M. J. Catal. 1977, 50, 519.
11	Strongin D. R. ; Carrazza J. ; Bare S.R. ; Somorjai G.A. J. Catal. 1987, 103, 213.
12	Kelley R. D. ; Goodman D. W. Surf. Sci. 1982, 123, L743.
13	Belton D. N. ; Sun Y. M. ; White J. M. J. Phys. Chem. 1984, 88, 1690.
14	Ocal C. ; Ferrer S. J. Chem. Phys. 1986, 84, 6474.
15	Bradford M. C. J. ; Vannice M. A. Catal. Lett. 1997, 48, 31.
16	Martynova Y. ; Shaikhutdinov S. ; Freund H.-J. ChemCatChem. 2013, 5, 2162.
17	Willinger M. G. ; Zhang W. ; Bondarchuk O. ; Shaikhutdinov S. ; Freund H.-J. ; Schl gl R. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5998.
18	Fu Q. ; Li W. X. ; Yao Y. X. ; Liu H. Y. ; Su H. Y. ; Ma D. ; Gu X. K. ; Chen L.M. ; Wang Z. ; Zhang H. ; et al Science 2010, 328, 1141.
19	Chen G. X. ; Zhao Y. ; Fu G. ; Duchesne P. N. ; Gu L. ; Zheng Y. P. ; Weng X. F. ; Chen M. S. ; Zhang P. ; Pao C. W. ; et al Science 2014, 344, 495.
20	Yao Y. X. ; Fu Q. ; Zhang Y.Y. ; Weng X. F. ; Li H. ; Chen M. S. ; Jin L. ; Dong A. Y. ; Mu R.T. ; Jiang P. ; et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2014, 111, 17023.
21	Zhang Y. H. ; Weng X. F. ; Li H. ; Li H. B. ; Wei M. M. ; Xiao J. P. ; Liu Z. ; Chen M. S. ; Fu Q. ; Bao X. H. Nano Lett. 2015, 15, 3616.
22	Valden M. ; Pak S. ; Lai X. ; Goodman D.W. Catal. Lett. 1998, 56 (7)
23	Chen M. S. ; Goodman D. W. J. Phys. Conden. Matter. 2008, 20, 264013.
24	Schauermann S. ; Nilius N. ; Shaikhutdinov S. ; Freund H.-J. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1673.
25	Chen M. S. ; Goodman D. W. Science 2004, 306, 252.
26	Chen M. S. ; Kumar D. ; Yi C. W. ; Goodman D. W. Science 2005, 310, 291.
27	Zheng Y. P. ; Zhang L. H. ; Wang S. L. ; Tang Z. Y. ; Ding D. ; Chen M. S. ; Wan H. L. Langmuir 2013, 29, 9090.
28	Langmuir I. Trans. Faraday Soc. 1922, 17, 621.
29	Berlowitz P. J. ; Peden C. H. F. ; Goodman D. W. J. Phys. Chem. 1988, 92, 5213.
30	Engel T. ; Ertl G. Adv. Catal. 1979, 28, 1.
31	Campbell C. T. ; Ertl G. ; Kuipers H. ; Segner J. J. Chem. Phys. 1980, 73, 5862.
32	Kim S. H. ; Mendez J. ; Wintterlin J. ; Ertl G. Phys. Rev. B 2005, 72, 155414.
33	Stuve E. M. ; Madix R. J. ; Brundle C. R. Surf. Sci. 1984, 146, 155.
34	Ozensoy E. ; Meier D. C. ; Goodman D. W. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 9367.
35	Kuhn W. K. ; Szanyi J. ; Goodman D. W. Surf. Sci. 1992, 274, L611.
36	Chen M. S. ; Cai Y. ; Yan Z. ; Gath K. K. ; Axnanda S. ; Goodman D. W. Surf. Sci. 2007, 601, 5326.
37	Chen M. S. ; Wang X. V. ; Zhang L. H. ; Tang Z. Y. ; Wan H. L. Langmuir 2010, 26, 18113.
38	Chen M. S. ; Zheng Y. P. ; Wan H. L. Top. Catal. 2013, 56, 1299.
39	Weng X. F. ; Yuan X. ; Li H. ; Li X. K. ; Chen M. S. ; Wan H. L. Sci. China Chem. 2015, 58, 174.
40	Hendriksen B. L. M. ; Bobaru S. C. ; Frenken J. W. M. Surf. Sci. 2004, 552, 229.
41	Hendriksen B. L. M. ; Frenken J. W. M. Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 046101.
42	Ackermann M. D. ; Pedersen T. M. ; Hendriksen B. L. M. ; Robach O. ; Bobaru S.C. ; Popa I. ; Quiros C. ; Kim H. ; Hammer B. ; Ferrer S. ; et al Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 255505.
43	Toyoshima R. ; Yoshida M. ; Monya Y. ; Suzuki K. ; Mun B. S. ; Amemiya K. ; Mase K. ; Kondoh H. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3182.
44	Butcher D. R. ; Grass M. E. ; Zeng Z. H. ; Aksoy F. ; Bluhm H. ; Li W. X. ; Mun B. S. ; Somorjai G. A. ; Liu Z. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 20319.
45	Alayon E. M. C. ; Singh J. ; Nachtegaal M. ; Harfouche M. ; van Bokhoven J. A. J. Catal. 2009, 263, 228.
46	Chung J. Y. ; Aksoy F. ; Grass M. E. ; Kondoh H. ; Ross J. P. ; Liu Z. ; Mun B. S. Surf. Sci. 2009, 603, L35.
47	Toyoshima R. ; Yoshida M. ; Monya Y. ; Suzuki K. ; Amemiya K. ; Mase K. ; Mun BS. ; Kondoh H. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 20617.
48	Goodman D. W. ; Peden C. H. F. ; Chen M. S. Surf. Sci. 2007, 601, L124.
49	McClure S. M. ; Goodman D.W. Chem. Phys. Lett. 2009, 469, 1.
50	Gao F. ; Cai Y. ; Gath K. K. ; Wang Y. ; Chen M. S. ; Guo Q. L. ; Goodman D. W. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 182.
51	Huang W. X. ; Zhai R. S. ; Bao X. H. Appl. Surf. Sci. 2000, 158, 287.
52	Zheng G. ; Altman E. I. Surf. Sci. 2002, 504, 253.
53	Lundgren E. ; Gustafson J. ; Mikkelsen A. ; Andersen J. N. ; Stierle A. ; Dosch H. ; Todorova M. ; Rogal J. ; Reuter K. ; Scheffler M. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 46101.
54	Dumbuya K. ; Cabailh G. ; Lazzari R. ; Jupille J. ; Ringel L. ; Pistor M. ; Lytken O. ; Steinruck H. P. ; Gottfried J. M. Catal. Today 2012, 20
55	Haruta M. ; Kobayashi T. ; Sano H. ; Yamada N. Chem. Lett. 1987, 16, 405.
56	Haruta M. ; Date M. Appl. Catal. A 2001, 222, 427.
57	Haruta M. ; Tsubota S. ; Kobayashi T. ; Kageyama H. ; Genet M. J. ; Delmon B. J. Catal. 1993, 144, 175.
58	Haruta M. Catal. Today 1997, 36, 153.
59	Valden M. ; Lai X. ; Goodman D. W. Science 1998, 281, 1647.
60	Qiao B. T. ; Liang J. X. ; Wang A. Q. ; Liu J. Y. ; Zhang T. ; Chin J. Catal. 2016, 37, 1580.
60	乔波涛; 梁锦霞; 王爱琴; 刘景月; 张涛. 催化学报, 2016, 37, 1580.
61	Chen M. S. ; Goodman D. W. Surf. Sci. 2005, 574, 259.
62	Chen M. S. ; Cai Y. ; Yan Z. ; Goodman D. W. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 341.
63	Chen M. S. ; Goodman D. W. Acc. Chem. Res. 2006, 39, 739.
64	Chen M. S. ; Goodman D. W. Top. Catal. 2007, 44, 41.
65	Chen M. S. ; Luo K. ; Kumar D. ; Wallace W. T. ; Yi C. W. ; Gath K. K. ; Goodman D. W. Surf. Sci. 2007, 601, 632.
66	Chen M. S. ; Goodman D. W. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1860.
67	Kung M. C. ; Davis R. J. ; Kung H. H. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 11767.
68	Wang Z. W. ; Wang X. V. ; Zeng D. Y. ; Chen M. S. ; Wan H. L. Catal. Today 2011, 160, 144.
69	Li X. K. ; Ma D. D. ; Zheng Y. P. ; Zhang H. ; Ding D. ; Chen M.S. ; Wan H.L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31, 1753.
69	李晓坤; 马冬冬; 郑燕萍; 张宏; 丁丁; 陈明树; 万惠霖. 物理化学学报, 2015, 31, 1753.
70	Zheng W. W. ; Chen M.S. ; Lin W. H. Chem. Record 2002, 2, 102.
71	Wei J. ; Iglesia E. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 1094.
72	Hicks R. F. ; Qi H. ; Young M. L. ; Lee R. G. J. Catal. 1990, 122, 295.
73	Chin Y. H. ; Buda C. ; Neurock M. ; Iglesia E. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15958.
74	Weng W. Z. ; Chen M. S. ; Yan Q. G. ; Wu T. H. ; Chao Z. S. ; Liao Y. Y. ; Wan H. L. Catal. Today 2000, 63, 317.
75	Weng X. F. ; Ren H. J. ; Chen M. S. ; Wan H. L. ACS Catal. 2014, 4, 2598.
76	Ciuparu D. ; Altman E. ; Pfefferle L. J. Catal. 2001, 203, 64.
77	Monteiro R. S. ; Zemlyanov D. ; Storey J. M. ; Ribeiro F. H. J. Catal. 2001, 199, 291.
78	Chen M. S. ; Weng W. Z. ; Wan H. L. J. Mol. Catal. B 2000, 14, 6.
79	Chen M. S. ; Weng W. Z. ; Wan H. L. ; Chin J. Catal. 1998, 19, 542.
80	Chen M. S. ; Weng W. Z. ; Wan H. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 1999, 15, 938.
80	陈明树; 翁维正; 万惠霖. 物理化学学报, 1999, 15, 938.
81	Chen M. S. ; Weng W. Z. ; Wan H. L. ; Xu P. P. J. Xiamen Univ. 1999, 38, 556.
82	Avila M. S. ; Vignatti C. I. ; Apesteguia C. R. ; Rao V. V. ; Chary K. ; Garetto T. F. Catal. Lett. 2010, 134, 118.
83	Yazawa Y. ; Yoshida H. ; Komai S. ; Hattori T. Appl. Catal. A 2002, 233, 113.
84	Yao Y. F. Y. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1980, 19, 293.
85	Garetto T. F. ; Rincón E. ; Apestegu??a C. R. Appl. Catal. B 2004, 48, 167.
86	Tang Z. Y. ; Wang S. L. ; Zhang L. L. ; Ding D. ; Chen M. S. ; Wan H. L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 12124.
87	Lin Y. ; Xu C. Y. ; Chen M. S. J. Xiamen Univ. 2013, 52, 68.
87	林瑛; 徐超毅; 陈明树. 厦门大学学报(自然科学版), 2013, 52, 68.
88	Kao C.-L. ; Madix R. J. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 8248.
89	Min E. Z. ; Du Z.X. Petroleum Petrochem. Today 2002, 10, 1.
89	闵恩泽; 杜泽学. 当代石油石化, 2002, 10, 1.
90	Huang J. J. ; Song Y. Y. ; Ma D. D. ; Zheng Y. P. ; Chen M. S. ; Wan H. L. ; Chin J. Catal. 2017, 38, 1229.
91	Hu, J.; Song, Y. Y.; Huang, J. J.; Li, Y. Y.; Chen, M. S.; Wan, H. L. Chem. A Eur. J. 2017. doi: 10.1002/chem.201701697
92	Han Y. F. ; Wang J. H. ; Kumar D. ; Yan Z. ; Goodman D. W. J. Catal. 2005, 232, 467.
93	Chen M. S. ; Goodman D. W. ; Chin J. Catal. 2008, 29, 1178.
94	Chusuei, C.C.; Lai, X.F.; Luo, K.; Guo, Q. L.; Goodman, D.W. Preparation of Thin-Film Alumina for Catalytic Activity Studies. In Thin Films: Preparation, Characterization, Applications; Soriaga M. P. Eds. Springer: NY, USA, 2002; p. 253.
95	Chen M. S. ; Santra A. K. ; Goodman D. W Phys. Rev. B 2004, 69, 155404.
96	Guo Q. ; Oh W. S. ; Goodman D. W Surf. Sci. 1999, 437, 49.
97	Meriaudeau P. ; Naccache C. Catal. Rev.-Sci. Eng. 1997, (39), 5.
98	Lundwall M. J. ; McClure S. M. ; Goodman D. W. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 7904.
99	Lundwall M. J. ; McClure S. M. ; Wang W. X. ; Wang Z. J. ; Chen M. S. ; Goodman D. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 18155.
100	Gillespie W. D. ; Herz R. K. ; Petersen E. E. ; Somorjai G. A. J. Catal. 1981, 70, 147.

[1]	罗耀武, 王定胜. 单原子催化剂电子结构调控实现高效多相催化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212020 -0 .
[2]	吴明亮, 章烨晖, 付战照, 吕之阳, 李强, 王金兰. 原子尺度钴基氮碳催化剂对析氧反应的构效关系的研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(1): 2207007 -0 .
[3]	马明军, 冯志超, 张小委, 孙超越, 王海青, 周伟家, 刘宏. 基于微生物作为智能模板的电催化剂制备与应用研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2106003 - .
[4]	李超, 沈明, 胡炳文. 面向金属离子电池研究的固体核磁共振和电子顺磁共振方法[J]. 物理化学学报, 2020, 36(4): 1902019 - .
[5]	史永超, 唐明学. 可充电池的磁共振研究[J]. 物理化学学报, 2020, 36(4): 1905004 - .
[6]	刘太宏, 苗荣, 彭浩南, 刘静, 丁立平, 房喻. 薄膜基荧光气体传感器中的涂层化学[J]. 物理化学学报, 2020, 36(10): 1908025 - .
[7]	何成欢, 郭杨龙, 郭耘, 王筠松, 王丽, 詹望成. 不同组成和结构LaMnO₃钙钛矿负载Au催化剂的CO氧化活性[J]. 物理化学学报, 2019, 35(4): 422 -430 .
[8]	杨丽娜,黄莉,宋雪洋,贺文雪,姜泳,孙治湖,韦世强. 金纳米团簇在盐酸和十二硫醇刻蚀作用下的原位生长动力学研究[J]. 物理化学学报, 2018, 34(7): 762 -769 .
[9]	赵新飞,陈浩,吴昊,王睿,崔义,傅强,杨帆,包信和. 氧化锌有序结构在Au(111)和Cu(111)上的生长[J]. 物理化学学报, 2018, 34(12): 1373 -1380 .
[10]	黄学辉,商晓辉,牛鹏举. SBA-15表面改性及其对介孔La_0.8Sr_0.2CoO₃钙钛矿型催化剂结构和性能的影响[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1462 -1473 .
[11]	陆阳. TiO₂光催化剂的晶面效应研究进展[J]. 物理化学学报, 2016, 32(9): 2185 -2196 .
[12]	顾勇冰,蔡秋霞,陈先朗,庄镇展,周虎,庄桂林,钟兴,梅东海,王建国. Al₂O₃/Au(111)反相催化剂在CO氧化反应中界面作用的理论研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(7): 1674 -1680 .
[13]	贾永昌,王树元,孟涟,鲁继青,罗孟飞. Zr掺杂对PdO/Ce_1-xPd_xO_2-δ催化剂CO和CH₄催化氧化的影响[J]. 物理化学学报, 2016, 32(7): 1801 -1809 .
[14]	林峰,付新梅,王超,蒋思宇,王景辉,张述伟,杨凌,李燕. 3C-like蛋白酶抑制剂的构效关系、分子对接和分子动力学[J]. 物理化学学报, 2016, 32(11): 2693 -2708 .
[15]	黄伟新,千坤,邬宗芳,陈士龙. 金催化作用的结构敏感性[J]. 物理化学学报, 2016, 32(1): 48 -60 .

催化剂活性位本质和构效关系的模型催化研究

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