稀土催化材料的制备

  本文关键词：稀土催化材料的制备、结构及催化性能，，由笔耕文化传播整理发布。

中国科学: 化学 2012年 第42卷 第9期: 1289 ~ 1307

《中国科学》杂志社

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SCIENTIA SINICA Chimica 评 述

稀土材料专刊

稀土催化材料的制备、结构及催化性能

詹望成, 郭耘, 郭杨龙, 龚学庆, 王艳芹, 卢冠忠*

结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室; 华东理工大学工业催化研究所, 上海 200237 *通讯作者, E-mail: gzhlu@

收稿日期: 2012-05-05; 接受日期: 2012-06-05; 网络版发表日期: 2012-07-13 doi: 10.1360/032012-282

摘要 稀土催化材料的研究和发展为La和Ce等高丰度轻稀土元素的高质、高效利用提供了有效的途径. 稀土元素具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征, 作为催化剂 的活性组分或载体使用时表现出独特的催化性能. 本文从稀土氧化物、稀土复合氧化物、 稀土-贵金属催化剂、稀土改性多孔催化材料等稀土催化材料出发, 重点介绍和讨论了稀土的添加对催化剂的结构、活性和稳定性等的影响, 阐述了稀土与过渡金属及氧化物、稀土与贵金属之间的相互作用, 及对催化剂催化性能的影响. 并对稀土催化材料的研究和发展提出了思考和展望.

关键词 稀土氧化物 催化材料

氧化还原性能 酸碱性能 催化性能 催化剂制备

1 引言

稀土由镧系元素(15个元素)和与其密切相关 的两个元素—钪(Sc)和钇(Y)组成, 具有特殊的光、 电、磁和催化等特性, 其应用领域已从冶金机械、石油化工、玻璃陶瓷、农业等传统领域拓展到磁性材料、储氢材料、发光材料、催化材料、高温超导材料等功能材料领域. 由于我国稀土矿以轻稀土组分为主(其中铈和镧在包头矿和四川冕宁矿中的含量约占80%, 在南方离子矿中的含量约占30%), 因此, 随着稀土永磁、冶金、荧光粉等产业的迅速发展, 中、重稀土的用量不断增加, 导致铈和镧等高丰度轻稀土元素的大量积压, 造成了稀土利用的不平衡.

稀土元素具有未充满电子的4f轨道和镧系收缩等特征, 作为催化剂的活性组分或载体使用时表现出独特的性能, 如Ce的4f轨道可以起到电子“储存器”的功能, 有效地储存伴随氧空位形成所产生的自由电子, 而这些高度局域化的表面电子可以很好地促进分子氧的吸附和活化, 从而赋予催化剂良好的储/放氧能力及氧化性能. 又如La在分子筛催化剂中的存在可以调节催化剂表面的酸性能, 增强结构的

稳定性, 从而提高催化剂的性能. 因此, 充分发挥Ce和La等轻稀土元素在催化材料中的作用, 是改善相关催化剂性能, 实现稀土资源的高质、高效利用的最有效的途径之一.

本文将从稀土氧化物、稀土复合氧化物、稀土-贵金属、稀土改性多孔材料等不同种类的稀土催化材料出发, 着重讨论催化材料的组成、结构与催化性能之间的关系, 以及稀土在这些催化材料中所起的作用及作用原理, 从而理解稀土与过渡金属或贵金属之间的相互作用.

2 稀土氧化物

基于Ce元素具有Ce3+/Ce4+的可变价特性, 氧化铈具有良好的储/放氧性能, 在贫氧或还原条件下, CeO2表面的一部分Ce4+被还原成Ce3+, 并产生氧空位; 而在富氧或氧化条件下, Ce3+又被氧化为Ce4+, 即CeO2 x又转化成CeO2, 从而实现氧的释放-存储这一循环过程. 基于CeO2的强储/放氧能力, 到目前为止, CeO2直接作为催化剂的应用过程主要有CO氧 化[1, 2]和氯代烃催化燃烧[3, 4]等氧化反应. 由于CeO2

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