本方案展示了一种便捷的方法,用于比较通过纳米胶体沉积法或浸渍法合成的负载型铂催化剂的催化性能。环己烯加氢反应作为模型反应,用于测定催化剂的催化活性。
本方案展示了一种便捷的方法,用于比较通过纳米胶体沉积法或浸渍法合成的负载型铂催化剂的催化性能。环己烯加氢反应作为模型反应,用于测定催化剂的催化活性。
在胶体合成方法中,胺类配体被用于保护铂纳米颗粒(Pt NP's)免于团聚。通常,在用于多相催化之前,需要通过多种预处理步骤去除胺类配体,因为胺类被视为催化剂毒物。然而,这些表面修饰剂对加氢反应可能产生的有益影响——类似于金属表面上旁观物种的作用——常常被忽视。
因此,为了阐明配体在液相加氢反应中可能产生的影响,直接使用了以二氧化钛(P25)为载体的胺稳定铂纳米粒子,未进行任何预处理。在双层搅拌反应釜中,于69 °C至130 °C、1 atm氢气压力下,考察了两种不同尺寸的胺稳定铂纳米粒子的催化活性。通过气相色谱法(GC)测定环己烯转化为环己烷的转化率,并与无配体铂粒子进行了比较。所有催化剂在反应前后均通过透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)检测,以确认其尺寸、形貌及配体壳层是否发生变化。液相环己烯加氢结果显示,负载于二氧化钛上的胺稳定铂纳米粒子的转化率高于无配体粒子。为进一步验证催化性能,选择了5-甲基糠醛(5-MF)的加氢反应,因为α, β-不饱和醛的加氢反应更为复杂,存在多种反应路径。然而,XPS和红外光谱(IR)证实,在给定反应条件下,5-MF会作为催化剂毒物发挥作用。
从单个原子尺寸到具有高比表面积和特定尺寸的较大纳米颗粒,这类催化剂是多种非均相催化反应(如加氢、脱氢和光催化反应)中极具前景的材料1。由于在烯烃加氢反应中具有高活性,铂纳米颗粒被广泛应用于工业过程。此外,铂纳米颗粒在α,β-不饱和酮和醛的选择性加氢反应中也表现出良好的催化性能1,2,3,4。在此类体系中,尺寸、形貌和载体等参数均可影响其催化性能1,5,6。
尺寸会影响纳米颗粒的形貌,尤其是在1至5 nm范围内7。具体而言,尺寸会影响可利用的吸附位点(例如:边缘、台阶或平台),从而影响催化活性表面,进一步影响催化活性7,8,9。此外,载体能够与金属发生相互作用。这些相互作用形式多样,包括电荷转移或溢流过程,以及纳米颗粒形貌的改变或被包裹等6,10。尽管尺寸、形貌和载体对催化性能的影响已被广泛研究,但吸附物(不直接参与反应,即所谓的旁观分子或表面修饰剂)可能产生的影响仍研究较少1,5,6,11。在采用胶体法制备催化剂时,使用胶体金属纳米颗粒并将其随后负载到载体上,配体可稳定纳米颗粒,因而可能对反应产生潜在影响。
胶体合成的一大优势在于能够有针对性地制备出特定尺寸和形貌的纳米颗粒,从而有助于调控其催化性能 通过 合成路线12,13,14配体的功能是控制纳米颗粒的尺寸、形状和形貌。然而,类似于胺类的配体常被视为催化剂毒物,因为配体会占据可利用的吸附位点。15,16因此,为了提高催化剂的催化活性,通常通过预处理(例如煅烧或紫外光诱导分解)去除配体17,18.
这与均相催化形成对比,在均相催化中,配体对于稳定过渡金属配合物并调节其反应性至关重要15,19。配体与反应物之间的相互作用能够控制均相催化反应的化学选择性、区域选择性和立体选择性。由于均相催化剂与产物的分离并不容易,因此尽管非均相催化剂的选择性较低,但其应用更为广泛;这就引发了一个问题:配体是否也能对非均相催化产生积极影响。
在多相催化中,一种有前景的配体策略是使用含芳香族和脂肪族硫醇的自组装单分子层,以提高在Pt和Pd纳米颗粒上对α,β-不饱和醛和多不饱和脂肪酸加氢反应的选择性。选择性的提升基于多种效应:反应物与修饰剂之间的特异性相互作用、有选择性地阻断某些不希望的 活性位点,以及空间位阻和电子效应均在选择性提升中发挥作用20,21,22,23。其中需区分配体与旁观者(spectators)。旁观者不直接参与反应,但通过空间位阻效应影响反应进程,而配体则直接参与反应24,25。旁观者可能在催化反应过程中形成,也可能由先前的化学过程产生11,26。
选择合适的配体和溶剂以实现成功的液相加氢反应是一项具有挑战性的任务。溶剂必须对氢气和反应物均具有高溶解度。此外,溶剂不应发生任何后续反应或副反应,以免降低反应的选择性。合适的配体应在特定吸附位点上具有强吸附性,以防止其在反应条件下脱附,同时仍保持催化活性。理想情况下,配体可通过其空间位阻效应以及与反应物的相互作用,阻断有利于副反应的吸附位点,从而调控反应的选择性15,21。
本研究阐明了十二胺(DDA)的空间位阻效应和电子效应是否影响环己烯和5-甲基糠醛(5-MF)的加氢反应。DDA不直接与反应物相互作用,表明这是一种旁观者导向的加氢过程。与环己烯加氢相比,5-MF是一种无毒的糠醛衍生物,被用作结构更复杂且更具商业价值的反应物。糠醛及其衍生物的选择性加氢在工业上具有重要意义,因为糠醛是生物石油生产过程中的副产物,这些化合物可来源于生物质,并可作为合成多种精细化学品的有前景的起始原料27,28。
然而,选择性加氢具有挑战性,因为碳-碳双键和羰基的加氢反应相互竞争。从热力学角度看,碳-碳双键的加氢反应比羰基的加氢反应更有利29。
1. Pt/DDA(1.6 nm)纳米粒子的合成

图1:负载型铂纳米粒子的胶体合成。 首先,必须进行胶体合成(步骤1)。将还原溶液加入金属盐溶液后,室温下搅拌60分钟(步骤1.3)。此后有两种不同的路径。若需获得更大的纳米粒子,则需要进行种子生长(步骤2)。将金属盐溶液和还原溶液加入种子溶液后,室温下搅拌90分钟(步骤2.3)。合成完成后(步骤1或步骤2),必须进行纯化(步骤1.4)。为避免卤化物等杂质残留在表面,需进行配体交换(步骤1.5)。将铂纳米粒子在甲苯中于52 °C加热60分钟,向溶液中额外加入一定量的DDA,再于52 °C继续加热60分钟(步骤1.5.1至1.5.3)。通过执行步骤3可将二氧化钛负载纳米粒子。在纯化、配体交换及载体负载后,通过透射电子显微镜(TEM)检测粒子尺寸。 请点击此处查看该图的放大版本。
注意:胶体合成方法如图1所示,实验步骤将在下一部分中描述。
2. 通过种子介导生长法合成较大尺寸的铂纳米颗粒(Pt/DDA (2.4 nm))
3. 铂纳米颗粒在二氧化钛上的沉积(Pt/DDA/P25)
4. 通过浸渍法合成无胺负载型二氧化钛担载铂纳米颗粒
5. 液相加氢反应
6. 透射电子显微镜测量的准备工作
7. 合成样品的XPS测量
8. FT-IR 测定
本文展示了不同铂纳米颗粒的合成及其催化性能测试结果。首先,通过透射电子显微镜(TEM)对合成的铂纳米颗粒以及负载在P25上的颗粒进行了形貌和尺寸表征。此外,利用X射线光电子能谱(XPS)分析了它们的化学组成,例如各元素的氧化态及其化学环境。随后,评估了负载型铂纳米颗粒在烯烃(如环己烯)和醛类(如5-甲基糠醛,5-MF)加氢反应中的催化性能。由于在所用反应条件下醛类的加氢反应未观察到任何转化,因此进一步开展了系统性研究,以阐明铂纳米颗粒表面可能存在的中毒现象。
催化剂的表征
通过透射电子显微镜(TEM)检测了Pt纳米颗粒以及负载在P25上的颗粒的粒径和形貌,因为颗粒的粒径和形貌会影响催化活性31透射电子显微镜(TEM)图像 图2 显示,Pt 纳米颗粒在胶体合成后立即呈现准球形形貌(图2A)。配体交换为DDA后,其尺寸和形状保持不变图 2B)。然而,较大的颗粒(图2C),通过晶体生长法合成,形状更不规则,部分呈三足形和椭球形。在二氧化钛上沉积Pt/DDA(1.6 nm)后(图2B) 大小和形状未发生变化 (图 2D)。通过浸渍法合成的无胺铂催化剂Pt/P25(2.1 nm)的尺寸和形貌图2E) 与通过胶体合成法制备的铂纳米颗粒相比,处于相同的范围。

图 2:胺稳定的铂纳米颗粒及负载型二氧化钛铂催化剂的透射电镜图像与尺寸分布直方图。 图中显示了以下样品的透射电镜图像(上方)和尺寸分布直方图(下方):(A)直接合成的样品(Pt/DDA(1.3 nm));(B)经DDA配体交换后的样品(Pt/DDA(1.5 nm));(C)种子生长法生长后的样品(Pt/DDA(2.4 nm));(D)负载于二氧化钛上的样品(Pt/DDA/P25(1.6 nm));以及(E)无胺基团的铂纳米颗粒负载于二氧化钛上的样品(Pt/P25(2.1 nm))。透射电镜图像采用80 eV的加速电压采集。 请点击此处查看该图的放大版本。
采用X射线光电子能谱(XPS)获取表面吸附物种的化学信息。对配体交换前后的Pt纳米颗粒、负载在二氧化钛上的Pt纳米颗粒以及去除胺配体后的Pt纳米颗粒进行了表征。XP谱图如图3所示。首先讨论Pt/DDA纳米颗粒(1.3 nm)的Pt4f谱图(图3,顶部谱图)。Pt4f谱图在71.5 eV和74.8 eV处显示两个信号,源于自旋-轨道分裂,其峰面积比为4:3。位于71.5 eV的Pt4f7/2信号可归属于Pt纳米颗粒(1.3 nm),相较于体相Pt的71.1 eV,该信号向高能方向偏移了0.4 eV32。然而,该测得的结合能与在金膜上沉积的Pt/DDA纳米颗粒(1.3 nm)的结果吻合良好33。体相Pt与小尺寸Pt/DDA纳米颗粒之间结合能的差异可通过尺寸效应加以解释。
配体交换后,铂信号发生0.2 eV的微小偏移,而铂颗粒尺寸未发生变化,该偏移处于结合能测量精度范围之内。在二氧化钛上沉积后未观察到差异,但通过浸渍法合成的Pt/P25(2.1 nm)的X射线光电子能谱(XP)显示,Pt4f7/2峰相对于Pt/DDA/P25(1.6 nm)下移0.6 eV,相对于体相Pt32下移0.2 eV。在较高结合能处观察到额外的物种,可归因于氧化态的Pt2+和Pt4+物种34。Pt0的Pt4f5/2峰与Pt4+的Pt4f7/2峰的结合能分别为74.2 eV和75.0 eV,两者相近因而相互重叠。
在C1s区域,所有所示谱图中均出现介于289.0 eV与284.0 eV之间的三个信号。所有XPS谱图均以284.8 eV处的污染碳为参考基准30。将这些信号归属至不同碳物种较为困难。预计胺的α碳应出现在285.4 eV和285.6 eV处35,36。然而,由于荷电效应,该信号可能发生位移,从而与邻近氧的碳原子信号重叠。286.3 eV至289.0 eV之间的信号可归属于与氧成键的碳37。可能由于二氧化碳污染或配体在表面发生反应,导致这两种碳物种的形成38。
所制备的小粒径Pt纳米颗粒的N1s精细谱(图3,上图谱)在402.6 eV、399.9 eV和398.2 eV处显示出三种不同的氮物种。402.6 eV处的信号可归属于铵盐化合物39,而399.9 eV处的信号对应于吸附的胺配体33。Pt4f谱中溴离子(Br3d5/2位于68.2 eV)的存在以及N1s精细谱中的铵盐物种,是由于使用了DDAB作为相转移剂所致。然而,也不能排除胺类物质因水分或自氧化反应而形成的可能35。398.2 eV处的额外物种相较于胺信号向更低的结合能方向偏移,可能源于胺与表面之间的相互作用。已有研究将该信号归因于多种物种,例如寡聚物和酰胺35,40。此外,胺类可在Pt(111)表面发生去质子化反应,这也可能是出现额外物种的原因41,42。通过进行配体交换,铵盐化合物可以被去除,但胺-表面相互作用产生的额外物种仍保留在铂表面。有趣的是,配体交换后的胺信号结合能几乎与交换前Pt纳米颗粒所观察到的相同,而该额外物种在负载于二氧化钛上后向更低结合能方向偏移了0.3 eV。这种额外胺-表面物种的位置变化可通过其与表面更强的相互作用来解释,这可能出现在两种情形中。一方面,胺可能在沉积到P25后仍然存在,但并未直接与Pt表面接触;另一方面,载体本身在N1s精细谱中已在该位置显示出信号,这可能与杂质有关(见补充图S5)。这些杂质很可能来源于P25的生产过程或工业中所采用的清洗工艺43,尽管也不能完全排除分析过程中质谱仪分析室或大气中残留物污染的可能性。这也解释了为何在无配体的Pt/P25(2.1 nm)样品中仍能检测到胺的存在。

图3:胶体Pt/DDA纳米颗粒及负载于二氧化钛催化剂的XPS分析。 图中显示了Pt4f的精细谱图(A)、C1s的精细谱图(B)以及N1s的精细谱图(C)。堆叠的XPS谱图依次表示:配体交换前的Pt/DDA(1.3 nm,位于顶部)、配体交换后的Pt/DDA(1.5 nm,位于其下)、沉积在二氧化钛上的Pt/DDA/P25(1.6 nm),以及通过浸渍法合成的Pt/P25(2.1 nm,位于底部)。虚线表示实测强度,浅灰色线表示扣除的背景信号,深灰色线表示所有拟合组分的总和,彩色线表示各个单独拟合的组分。Pt4f精细谱图揭示了金属态Pt4f7/2和Pt4f5/2(品红色)、氧化态Pt2+(蓝色)和Pt4+(红色)物种的存在。橙色线表示溴离子(Br-3d5/2和Br-3d3/2)的存在。C1s精细谱图中存在三种不同的碳物种,分别以红色、蓝色和橙色标示,但难以将其确切归属至具体化学形态。N1s精细谱图揭示了铵根(橙色)、胺基(蓝色)以及一种额外的胺-表面结合物种(红色)。所有谱图均采用单色Al Kα辐射源测定(通能:40 eV,能量步长:0.05 eV,扫描次数:10),并以脂肪族C1s信号284.8 eV为参考进行校准30。 请点击此处查看该图的放大版本。
催化性能测试
在通过透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征后,以环己烯加氢反应为模型反应,测试了负载在二氧化钛上的铂纳米颗粒的加氢性能。与通过浸渍法制备的纳米颗粒进行比较,有助于阐明配体对加氢反应可能产生的影响。为此,反应在双层壁搅拌釜式反应器中的氢气气氛下进行。所用溶剂甲苯在反应条件下不发生加氢(见补充图S1)。图4展示了Pt/DDA/P25在配体交换前(1.3 nm)和配体交换后(1.6 nm)、较大颗粒Pt/DDA/P25(2.4 nm)以及无胺的Pt/P25(2.1 nm)在不同反应时间下的环己烯转化率。
未经配体交换步骤(步骤1.5)的原位合成Pt/DDA/P25催化剂(1.3 nm)在反应60分钟后对环己烯的转化率可达56%,而经过配体交换处理的Pt/DDA颗粒(1.6 nm)在相同反应时间下对环己烯的转化率可达72%。在相同条件下,无配体颗粒的转化率明显较低,仅为35%,低于胺类稳定颗粒。该结果非常具有前景,因为无胺催化剂不含任何可能部分阻塞铂表面的配体(除吸附的溶剂外)。不同催化剂的活性差异将在后文进一步讨论。此外,还测试并比较了在二氧化钛上通过晶体生长法14合成的较大胺类稳定Pt/DDA纳米颗粒(2.4 nm)与相同质量负载量(0.1 wt%)的较小Pt/DDA颗粒(1.6 nm)。较小Pt/DDA颗粒(1.6 nm)对环己烯的转化率为72%,略高于较大Pt/DDA颗粒(2.4 nm)的67%。在此情况下,对于胺类稳定的Pt纳米颗粒(1.6 nm和2.4 nm)催化环己烯加氢反应,未观察到显著的尺寸效应。该结果与文献中关于不同尺寸无配体Pt纳米颗粒催化环己烯加氢反应的结果一致,表明环己烯的加氢反应不依赖于颗粒尺寸44。由于在二氧化钛上较小的Pt颗粒(1.6 nm)表现出最佳效果,因此选择该颗粒用于后续实验。

图 4:二氧化钛负载铂催化剂催化环己烯加氢反应的随时间转化率。 图中显示了在甲苯中、69 °C 和 1 bar 氢气压力下,Pt/DDA/P25(1.6 nm;黑色圆点)、Pt/DDA/P25(2.4 nm;蓝色圆点)、原位合成的 Pt/DDA/P25(1.3 nm;绿色圆点)以及无胺 Pt/P25(2.1 nm;红色圆点)催化环己烯加氢反应的随时间转化率曲线。加氢反应在双层搅拌釜式反应器中进行。误差棒表示计算得到的标准误差。每个测量系列重复进行了三次。请点击此处查看该图的放大版本。
环己烯的成功加氢表明,在反应条件下氢气在甲苯中的溶解度足以用于液相加氢反应的研究。
在测试了Pt催化剂对环己烯加氢反应的催化活性后,还研究了5-MF的加氢反应,因为5-MF是糠醛的衍生物,可由生物质获得,是合成多种精细化学品的有前景的起始原料27。对胺稳定和无胺的Pt纳米颗粒在70 °C至130 °C的反应温度范围内进行了测试。除甲苯外,还使用2-丙醇作为溶剂。此外,还在无溶剂条件下进行了加氢反应。然而,在这些条件下,任何催化剂均未观察到转化。
检测底物抑制作用
由于在气相色谱图中未观察到液相中5-MF的转化(见补充图S3),因此进一步研究了5-MF对环己烯转化率的影响。这些实验旨在确定在该条件下,5-MF本身、其表面物种或可能的反应产物是否对催化剂具有毒化作用。此前,Pt/DDA/P25(1.6 nm)表现出最高的转化率,因此本实验选用该催化剂。环己烯在不同反应时间下随5-MF添加量增加的转化率如图5所示。
如前一章节所示,在反应时间为60分钟且不存在5-MF的条件下,环己烯的转化率为72%。加入等量的5-MF后,环己烯的转化率下降至30%。当5-MF与环己烯的摩尔比增加至10:1时,转化率进一步降低至21%。因此,5-MF更有可能阻断催化剂的活性表面位点,这相当于反应物对负载于二氧化钛上的铂纳米颗粒产生了抑制作用。然而,在5-MF过量的情况下,氢化反应仍然可以进行。

图5:添加5-MF验证毒化效应的环己烯加氢反应随时间的转化率。 环己烯在Pt/DDA/P25(1.6 nm)催化剂上的加氢反应随时间变化的转化率曲线,未添加5-MF(实线)、5-MF与环己烯体积比为1:1(虚线)和1:10(点线)的情况。反应在甲苯溶剂中进行,使用双层壁搅拌釜式反应器,反应温度为69 °C,氢气压力为1 bar。请点击此处查看该图的放大版本。
为了证明这一点,按照之前所述的方法,在反应前后对催化剂进行了透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析。由于TEM图像未显示任何变化,因此下文仅讨论XPS谱图(TEM图像见补充图S6)。测得的XPS谱图如图6所示。这些谱图将与5-MF吸附在Pt薄膜上的谱图进行比较,以区分是5-MF导致的催化剂中毒,还是反应中间物种引起的效应。
此处仅总结最重要的内容,因为使用前催化剂的XP谱已在上文讨论过。Pt4f精细谱显示出两个信号,分别位于74.8 eV(Pt4f5/2)和71.5 eV(Pt4f7/2),两者均可归属于Pt纳米颗粒。如前所述,由于电荷效应,C1s谱中物种的归属可能较为困难,这可能导致α碳以及邻近氧的碳原子信号发生重叠。然而,配体壳层的结构变化(例如DDA的取代)应引起各信号之间相对强度的变化。此外,N1s区域也显示出两个信号,分别对应于胺(400.0 eV)和另一种表面物种(397.8 eV)。
反应后,尽管透射电子显微镜(TEM)未显示颗粒形貌和尺寸的任何变化,但在X射线光电子能谱(XPS)中可观察到多种变化。氢化后,Pt信号向较低结合能方向偏移了0.6 eV。C1s精细谱显示出与之前讨论相同的三个信号。然而,与未使用的催化剂相比,位于289.0 eV处的信号向较低结合能方向偏移了0.7 eV。所有谱图均以284.8 eV处的信号为参考。应注意的是,氢化后,外来碳与较高结合能物种之间的比例从1:0.2:0.1变为1:0.4:0.3。因此,邻近氧的碳原子相对含量增加,这表明5-甲基糠醛可能吸附在铂表面。
尽管在N1s精细谱中未观察到峰位移动,但使用后氮元素含量有所下降。根据C1s、N1s和Pt4f信号,计算得出氮/碳和氮/铂的原子比。氢化反应后,碳/氮比从13:1上升至27:1,而氮/铂比则以相似倍数从1.2:1下降至0.6:1。这可能是由于DDA部分被5-MF取代所致,进一步表明5-MF对催化剂表面产生了阻塞作用。
反应后Pt信号的化学位移降低可归因于Pt纳米颗粒上电荷密度的增加。可能的原因是在反应条件下发生了金属-载体相互作用,导致电子从载体向金属转移,从而引起信号下移45,46,47。另一种可能是吸附的5-MF因其给电子效应而导致信号下移。然而,覆盖5-MF的Pt薄膜在Pt 4f信号中表现出相反的行为:此处信号相较于合成的Pt/DDA/P25(1.6 nm)向更高的结合能方向移动了0.8 eV。氢在铂上的吸附也可能引起Pt 4f信号结合能的变化,这一点已在Pt(111)表面的常压XPS测量中得到证实48,单晶的位移为0.4 eV,而本实验中观察到0.7 eV的下移。一种可能的解释是,纳米颗粒比体相材料对电子结构变化更为敏感,且整个颗粒可能已完全被氢饱和。碳物种在暴露于5-MF后结合能从289.0 eV移至288.3 eV,表明出现了一种含碳-氧键的新碳物种。由于被5-MF覆盖的Pt薄膜也显示出相同的物种,该信号可归属于5-MF的醛基。然而,催化剂使用前后在286.3 eV处的碳物种相较于Pt薄膜上5-MF的285.8 eV碳物种上移了0.5 eV。充电效应以及5-MF薄膜的厚度均可能导致结合能变化,因此如前所述,对该物种的讨论较为困难。

图6:液相5-MF加氢后表面中毒的XPS证据。 显示的是Pt4f信号(A)、C1s信号(B)和N1s信号(C)的详细谱图。堆叠的XPS谱图分别为使用前的Pt/DDA/P25(1.6 nm)(顶部)和纯5-MF加氢后的样品(中部)。作为对比,底部显示的是覆盖5-MF的Pt薄膜。所有谱图均采用Al Kα(单色)辐射源测量(通能:40 eV,能量步长:0.05 eV,扫描次数:10)。所有谱图均以脂肪族C1s信号284.8 eV为参考30。 请点击此处查看该图的放大版本。
为了进一步了解中毒效应,并区分由5-MF引起的中毒与可能的表面物种影响,进行了傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析。在此,将催化剂添加5-MF前后Pt纳米粒子的FT-IR光谱与纯DDA和5-MF的参考光谱进行比较。为了指认出现的吸收峰,还结合了文献中的理论计算和实验结果进行对比分析。测得的FT-IR光谱在3500 cm-1至700 cm-1范围内的结果如图7所示。所有观察到的吸收峰还在补充表S6和补充表S7中列出,并指认了对应的振动模式。
2,500 cm-1 至 1,300 cm-1 的区域未被考虑,因为大气中水和二氧化碳的大量强烈重叠吸收带会掩盖该区域。遗憾的是,该区域也包含一些具有分析价值的吸收带,例如芳香醛的羰基价键振动带,预期出现在 1715 cm-1 至 1695 cm-1 之间49,50。首先,将讨论特定吸收带及其对 DDA 和 5-MF 相应分子振动的归属。随后,将这些光谱与 Pt 纳米粒子在接触 5-MF 前后测得的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱进行比较。配体 DDA 在 2,851 cm-1 至 2,954 cm-1 范围内显示出强吸收带,可归属于甲基和亚甲基基团的对称与不对称伸缩振动。3331 cm-1 处的强而尖锐的吸收带源于氨基的 N-H 伸缩振动49,51。该吸收带可用于监测 DDA 在 Pt 表面的结合状态。在较低波数区域出现多个吸收带,但由于不同振动之间的相互干扰,形成了组合振动以及骨架振动,因此难以将其明确归属于特定的分子振动。结合文献49,50,51 和理论计算分析表明,1,158 cm-1 至 1,120 cm-1 区域的吸收带源于骨架振动。1,063 cm-1 处的吸收带以及 790 cm-1 处的吸收带可归属于氨基:在 1,063 cm-1 处为 C-N 伸缩振动,而 790 cm-1 处的吸收带则对应于氨基的摇摆(wagging)和扭转(twisting)振动的组合。此外,CH2 的摇动振动在 720 cm-1 处产生一个特征性吸收带49。遗憾的是,对于 1,090 cm-1 至 837 cm-1 之间的多个吸收带,无法进一步明确归属。这些吸收带可能源于 C-C 骨架的组合振动。然而,此类振动对环境变化(例如氨基振动)不敏感,因此可忽略不计。
5-MF在3,124 cm-1和2,994 cm-1处显示出吸收峰,这归因于环上C-H键的伸缩振动。2,933 cm-1处的吸收峰对应于甲基的C-H伸缩振动52。在1,211 cm-1至800 cm-1范围内还出现了其他吸收峰。芳香环与甲基的组合振动以及C-H面内振动导致在1,023 cm-1和947 cm-1处出现吸收峰,而800 cm-1处的吸收峰则归属于C-H面外振动52,53。文献中也报道了糠醛在1,151 cm-1和929 cm-1处的吸收峰,但未将其指派给任何特定的振动模式54。
对Pt/DDA纳米粒子的研究表明,N-H伸缩振动消失,而烷基链的C-H伸缩振动基本不受影响。该谱带的消失可依据金属表面选择定则进行解释,即平行于表面的振动无法被观测到。另一种可能是,N-H键在吸附到表面后发生断裂,这可以解释XPS中在比游离胺略低的结合能处出现的第二个物种。还有一种可能性是,由于吸附位点的限制,该谱带可能变得较弱,因而因信噪比较差而无法被检测到。类似地,指纹区中的较弱谱带也无法被观察到。
在反应条件下,Pt/DDA 纳米颗粒与 5-MF 发生配体交换后,波数高于 2,500 cm-1 的区域可能出现两条非常微弱的谱带,分别位于 2,924 cm-1 和 2,851 cm-1,对应于 DDA 的振动模式。与 5-MF 相关的额外谱带出现在 1,101 cm-1、1,053 cm-1、1,022 cm-1、955 cm-1、819 cm-1 和 798 cm-1。加入 5-MF 前后光谱之间的显著差异进一步支持了 DDA 被 5-MF 取代的先前结论。5-MF 原有强吸收谱带强度的降低,以及涉及苯环面内 C-H 振动的谱带(3,124 cm-1、2,994 cm-1、1,023 cm-1 和 947 cm-1)发生的显著变化,可通过芳香环近乎平行于表面的吸附构型及相关的金属表面选择定则加以解释。

图 7:铂纳米颗粒及其参比样品的傅里叶变换红外光谱(FT-IR),用于证明中毒现象。 左侧显示的是 DDA(A)和 Pt/DDA 纳米颗粒(1.3 nm)(B)的 FT-IR 光谱。右侧显示的是纯 5-MF(C)以及在纯 5-MF 反应条件下处理过的 Pt/DDA 纳米颗粒(D)。请点击此处查看该图的放大版本。
补充表 S1:氢化反应的加热介质。 列出了不同加热介质的沸点。环己烯的氢化反应使用了二异丙基醚作为加热介质。由于5-MF在69 °C时未显示出任何转化,因此测试了具有更高沸点的加热介质。请点击此处下载该表格。
补充图 S1:甲苯加氢反应测试的气相色谱图。 该气相色谱图显示了在反应条件下使用 Pt/DDA/P25 (1.6 nm) 作为催化剂,在 1 atm 氢气、69 °C 下处理的甲苯。本实验旨在考察甲苯可能发生的加氢反应。样品在反应 60 分钟后采集。在反应条件下未观察到溶剂发生加氢反应。污染物用 * 标注,存在于甲苯中(见补充图 S2)。请点击此处下载该文件。
补充表 S2:甲苯加氢测试中气相色谱图的保留时间及杂质信息。 样品在使用 Pt/DDA/P25(1.6 nm)作为催化剂、69 °C 反应 60 分钟后采集。采样通过隔垫使用 1 mL 注射器进行。杂质以 * 标注,存在于甲苯中(见补充图 S2)。请点击此处下载该表格。
补充图 S2:甲苯的气相色谱图。 该气相色谱图显示了甲苯,已对其可能的杂质进行检测。杂质用 * 标注,并且在其他气相色谱图中也存在。 请点击此处下载该文件。
补充表 S3:甲苯及杂质在甲苯气相色谱图中的保留时间。 从储存容器中取样甲苯,检测其可能含有的杂质。杂质用 * 标注,在甲苯中存在(见补充图 S2)。请点击此处下载该表格。
补充图 S3:5-MF 加氢反应 60 分钟后的气相色谱图。 样品在 69 °C 下反应 60 分钟后采集,催化剂为 Pt/DDA/P25 (1.6 nm)。通过隔垫使用 1 mL 注射器取样。请点击此处下载该文件。
补充表 S4:5-MF 加氢反应气相色谱中各物质的保留时间。 样品在 69 °C 下反应 60 分钟后采集,催化剂为 Pt/DDA/P25 (1.6 nm)。请点击此处下载该表格。
补充图 S4:可能产物的气相色谱图。 该样品包含5-甲基糠醛在甲苯中加氢反应的可能产物和副产物。甲苯中的污染物用*标记(见补充图 S2)。请点击此处下载该文件。
补充表 S5:可能产物的保留时间。 本表格包含5-甲基糠醛在甲苯中加氢反应的可能产物及副产物。污染物用*标记,存在于甲苯中(见补充图 S2)。请点击此处下载该表格。
补充图 S5:二氧化钛(P25)的全谱局部图。 仅显示了纯二氧化钛(P25)全谱的一部分,其中包含杂质峰。这些杂质来源于工业生产二氧化钛或工业清洗过程44。该谱图使用 Al Kα(单色)辐射源测定(通能:200 eV,能量步长:1 eV,扫描次数:2)。本谱图未进行校准。请点击此处下载该文件。
补充图 S6:氢化5-甲基糠醛前后胺稳定的铂纳米颗粒的透射电子显微镜图像及粒径分布直方图。图中上方为透射电子显微镜(TEM)图像,下方为粒径分布直方图。左侧TEM图像显示氢化前的铂纳米颗粒(Pt/DDA/P25(1.6 nm)),右侧TEM图像显示氢化后的铂纳米颗粒(Pt/DDA/P25(1.6 nm))。TEM图像采用80 eV的加速电压采集。请点击此处下载该文件。
补充表 S6:DDA 和 Pt/DDA 纳米粒子的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)振动模式。 表中列出了在两次测量中均观察到的所有谱带,这些谱带也显示在图7中。无法归属于任何振动模式的吸收谱带以短横线(-)标记。请点击此处下载该表格。
补充表 S7:5-MF 和 Pt/5-MF 纳米粒子的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)振动模式。 表中列出了在两次测量中均观察到并在图7中显示的所有谱带。无法归属于任何振动模式的吸收谱带以短横线(-)标记。请点击此处下载该表格。
成功合成了两种不同尺寸和形状的DDA封端Pt纳米颗粒12,14。小尺寸Pt纳米颗粒(1.6 nm)呈准球形,而较大颗粒(2.4 nm)则更不对称,部分呈现三脚架状或椭球状结构。由于在通过种子生长法进一步增大颗粒尺寸时会形成伸长结构,因此获得更大准球形铂纳米颗粒的可能性受到限制14。颗粒的尺寸和形状还可受到配体、反应时间和温度的影响。除DDA外,其他配体也可用于合成过程,但封端剂会影响纳米颗粒的生长,从而影响其尺寸和形状,这一点在金纳米颗粒的合成中已有报道39。将还原溶液加入金属盐溶液后,需搅拌60分钟(合成较大颗粒时为90分钟),以确保Pt纳米颗粒的生长过程完成。单体向颗粒表面的传输可能成为限制因素。此外,温度可影响临界半径,即种子在溶液中保持稳定所需的最小颗粒尺寸。升高温度会降低临界半径,从而加快成核速度,并导致单体浓度迅速下降55。合成完成后,XPS检测仍可观察到铵离子和溴离子杂质,可通过DDA配体交换去除。此外,所有合成的纳米颗粒均被负载于P25粉末上,且未发生形貌、尺寸变化或配体流失。作为对照,采用浸渍法制备了无配体Pt催化剂,其Pt纳米颗粒尺寸为2.1 nm,呈准球形。XPS进一步显示,表面不仅存在金属态Pt物种,还存在氧化态物种。这表明在缺乏胺类配体的情况下,铂纳米颗粒与载体发生相互作用,可能导致金属部分被载体包埋10。因此,颗粒裂解氢气的能力部分丧失56。然而,高温还原金属盐前驱体更有利于此类包埋现象的发生。本实验所用还原温度(180 °C)远低于文献报道引发包埋所需的温度(600 °C)57。另一种更可能的解释是所用Pt源还原不完全。但无论哪种情况,均会导致催化剂的部分失活。
在文献中,胺类或氨等配体在多相催化传统概念中常被视为催化剂毒物15,16。然而,环己烯液相加氢反应的研究表明,Pt/DDA/P25 仍具有催化活性,且其转化率甚至高于不含胺的催化剂。已知胺类会系统性地阻断 Pt(111) 表面上的 terrace 吸附位点11,58。文献中的研究结果已表明,配体这种选择性占据活性位点的效应可通过稀释吸附位点的方式,提高在富含乙烯的气流中乙炔选择性加氢的反应选择性59。该活性位点选择效应在硫醇类分子吸附于 Pd(111) 表面时也已被观察到22,23。对于环己烯加氢反应而言,这些 terrace 位点已被胺类阻断,但高活性的低配位反应中心仍然可用。除了配体的位点选择效应外,还应关注配体的其他性质。在选择配体时,需确保其在合成过程中能够稳定金属纳米颗粒,并防止其发生团聚。此外,配体应在金属表面具有强吸附能力,并具备足够高的热稳定性,以确保在反应条件下不会发生脱附或分解。实验结果表明,DDA 总体上似乎适用于此类催化体系。在模型反应中未观察到明显的尺寸效应。有趣的是,未进行配体交换的含铂纳米颗粒催化剂其转化率(50%)低于经配体交换后负载于 P25 上的铂颗粒(72%)。因此,在此类条件下,可能需要考虑离子化合物对活性位点的阻断作用。进行配体交换至关重要,可通过去除共吸附的溴离子和铵离子等离子化合物来提高铂纳米颗粒的催化活性,这一点已由配体交换前后 XPS 分析结果所证实。
此外,额外的胺类表面物种对铂纳米粒子催化活性的影响仍不明确,因为该物种可能作为额外的局部氢源。XPS 谱图和傅里叶变换红外(FT-IR)谱图似乎表明铂会从胺基中提取氢,从而形成额外的胺类表面物种。这可能在甲苯中溶解的氢之外额外提供氢,从而影响催化活性。此处可排除甲苯作为氢供体的作用,因为已知甲苯在低氢压和低温条件下不会发生脱氢反应60。然而,氢提取对催化活性的影响仍需进一步研究。在L-脯氨酸修饰的铂纳米粒子上进行的苯乙酮加氢反应已表明,胺基可通过将氢从胺转移至反应物而加速加氢反应15。因此,应考虑胺基及其表面物种对加氢反应的可能影响。
尽管Pt/DDA纳米颗粒在简单烯烃的氢化反应中已成功应用,但对于更具挑战性的反应物5-MF却未观察到任何转化。因此,以下可讨论造成此现象的几种可能原因:一种解释是由于反应温度和氢气压力较低,导致反应未能发生。反应温度被限制在 160 °C. 热重分析显示,在这些温度下,粒径相近的Pt/DDA纳米粒子发生配体脱附及分解反应13由于所使用的反应器限制,无法使用高于1个大气压的氢气压力。与文献报道的实验相比,较低的氢气压力可能是导致羰基化合物(如5-MF)的氢化反应难以进行的原因。已有多个研究表明,强金属-载体相互作用(SMSI)对于呋喃甲醛气相氢化反应的选择性至关重要。61,62,63强金属-载体相互作用(SMSI)导致氧空位的形成,从而促进糠醛的吸附 通过 二氧化钛表面的羰基。会形成一种可被氢化的糠基氧中间体。然而,这一假设受到以下事实的反驳:与气相实验相反,在甲醇中进行的糠醛液相加氢反应未发现SMSI效应影响的证据。铂颗粒负载于不同氧化物(MgO、CeO₂)上时2和 Al2O3) 表现出相似的催化特性64这表明氢化反应在液相和气相中可能通过不同的机理进行,需要进一步研究。Pt颗粒与载体之间的强金属-载体相互作用(SMSI)效应仅在无配体的催化剂中观察到,而该催化剂在所用反应条件下对5-MF没有任何转化活性。因此,SMSI效应的影响似乎不太可能。由于在所采用的反应条件下,5-MF或其表面中间体对催化剂的毒化作用更有可能发生,因此通过XPS和FT-IR对催化剂在反应条件下进行配体交换前后进行了进一步分析。这些表征结果证实了5-MF导致催化剂中毒的假设,因为两种方法均显示Pt表面胺基团相关峰的减弱。FT-IR光谱进一步提示5-MF具有催化剂毒化作用,因为在波数低于1,200 cm⁻¹的区域出现了新的吸收带。-1,与指定为5-MF的谱带一致。结合表面选择定则,推测其吸附构型接近平面。图中示出了所提出的表面重构示意图 图8.

图8:在胺稳定铂纳米颗粒表面添加5-MF对环己烯氢化反应中结构变化的示意图。 FT-IR和XPS结果表明,在铂表面发生了部分DDA被5-MF取代的现象,并导致环己烯氢化反应的活性位点被阻断。FT-IR数据结果提示5-MF的环状结构近乎平行地吸附于表面。请点击此处查看该图的放大版本。
综上所述,负载于P25上的胺类封端Pt纳米颗粒作为新型加氢催化剂具有良好的应用前景,因为在模型反应中,Pt纳米颗粒的转化率高于无配体催化剂。然而,在两种催化剂上均未观察到5-MF的转化。这是由于反应物对Pt的毒化作用所致,而非如文献中常认为的配体毒化,该结论基于所研究的反应条件得出。对于未来的应用,还需进一步理解配体对反应物吸附行为及其与金属纳米颗粒相互作用的影响。胶体合成法是一种有前景的方法,可作为浸渍法和煅烧法之外的替代方案用于制备多相催化剂,因其能够实现对纳米颗粒尺寸和形貌的精确控制。由于胶体合成法允许使用多种不同配体(例如胺类、酰胺类、硫醇类或醇类),因此应进一步研究并比较带有其他配体的Pt纳米颗粒。这为利用具有特定配体-反应物相互作用(如π-π相互作用)的配体提供了可能,从而调控反应物的吸附几何构型,进而控制反应的选择性。该策略可用于α,β-不饱和酮和醛的选择性加氢反应,这一点已在肉桂醛加氢反应中得到证实21。此外,在多相催化反应中调控立体选择性仍是一项具有挑战性的任务;然而,通过引入合适的手性配体,有望像均相催化反应一样实现产物手性的控制。除了配体-反应物相互作用外,配体的稳定效应还可用于保护金属纳米颗粒免受强金属-载体相互作用的影响。强金属-载体相互作用会导致颗粒被氧化物层包裹,从而降低氢的化学吸附能力。为了更深入理解配体的影响,XPS和FT-IR可提供有关选择性毒化效应及配体结合模式的有用信息。此外,可将CO作为探针分子用于识别Pt纳米颗粒表面的可利用活性位点。同时,可在超高真空条件下于Pt单晶表面研究配体与反应物的吸附行为及可能发生的表面反应,以获得对表面过程的基本认识。总体而言,在多相催化中,配体可提供一种新的催化策略,不仅可通过调控颗粒尺寸和载体效应,还可通过配体作用来调节催化反应的活性与选择性。因此,传统上将多相催化中的配体视为催化剂毒物的观点应被重新审视。
作者无任何利益冲突需要披露。
感谢Edith Kieselhorst和Erhard Rhiel在透射电子显微镜(TEM)方面的支持,感谢Carsten Dosche在X射线光电子能谱(XPS)方面的支持。感谢Stefan Petrasz在气相色谱仪方面的协助。本研究中的XPS设备由德国研究基金会(DFG)(编号:INST: 184/144-1FUGG)资助,同时感谢DFG-RTG 2226项目提供的经费支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-丙醇 | Sigma Aldrich | 59300-2.5L | 特级,ACS试剂, >99.8% |
| 4-甲基-2-戊醇 | 卡尔·罗特 | 4371.2 | 纯度: >99%,用于合成 |
| 5-甲基糠醛 | Sigma Aldrich | 137316-100G | ReagentPlus,99% |
| 丙酮 | Sigma Aldrich | 32201-2,5L-M | 特级,ACS 试剂, >99.5% |
| 套管 | B Braun | 4665643 | 直径:0.80 mm,长度:120 mm |
| CasaXPS | Casa Software | 软件,版本 2.3.15 | |
| 离心机 | 贺利氏 | 型号:Multifuge 1s | |
| 离心管 | 肖特杜伦 | 163-9315026 | 体积:80 mL,直径:44 mm,长度:100 mm |
| 六水合氯铂酸 | 默克 | 8073400001 | 铂含量:40 % |
| 柱 | 安捷伦科技 | 19091 S-001 | 模型:HP-PONA,固定液:二甲基聚硅氧烷,膜厚:0.2 µ米,长度:50 米 |
| CRYSTAL 17 | CRYSTAL 理论化学研究组,都灵 | 软件,版本:v1.0.2 | |
| 结晶皿 | 体积:50 mL | ||
| 环己烯 | Acros Organics | 154840010 | 纯度:99 % |
| 一次性注射器 | Henke Sass Wolff | Norm-Ject,体积:1、2、5 mL | |
| 二十二烷基二甲基溴化铵 | Acros Organics | 407120250 | 纯度:99 % |
| 二异丙基醚 | 卡尔·罗斯 | T899.1 | 纯度:98%,用于合成 |
| 十二胺 | Sigma Aldrich | D222208-500ML | 纯度:98 % |
| 双壁罐式反应器 | 由玻璃工加工处理 | 标准磨口接头套管:2 个 14/23,1 个 19/26,1 个 29/32,反应器体积:150 mL,材质:石英玻璃,带外置加热夹套 | |
| 傅里叶变换红外光谱仪 | Bruker | 型号:Equinox 55 | |
| 橡胶气球 | 德语 &和 Neumann | 163-7652667 | 体积:4 L,材质:乳胶 |
| 气相色谱仪 | 安捷伦科技 | 型号:7820A | |
| HP-PONA色谱柱 | 安捷伦科技 | 19091S-001 | 长度:50 m,薄膜厚度:0.5 µm,内径:0.2 毫米 |
| 氢 | Air Liquide | P0231L50R2A001 | 纯度:5.0 |
| ImageJ | Wayne Rasband | 软件,版本 1.52 | |
| 甲醇 | Sigma Aldrich | 32213-2,5L-M | 特级,分析纯,ACS 试剂, >99.8% |
| 正己烷 | VWR 化学品 | 24577298 | 纯度:99 % |
| Opus | 布鲁克 | 软件,版本 5.5 | |
| 巴斯德吸管 | 品牌 | 747715 | 材料:玻璃,长度:145 mm,内径:1 mm |
| 移液球 | 技术广场 | 89005517 | 直径:94 mm,材料:PVC |
| 四氯化铂 | Acros Organics | 195400010 | 纯度:99 % |
| 手动移液器 | LLG 实验室物流集团 | 9.280 005 | 体积:100-1000 µL |
| 手动移液器 | LLG 实验室物流集团 | 9.280 001 | 体积:0.5–10 µL |
| 溴化钾 | 卡尔·罗斯 | 9252.1 | 纯度: >98% |
| 回流冷凝管 | neoLab | LZ-1197 | 长度:160 毫米,NS 14/23 |
| 卷边玻璃杯 | VWR Chemicals | 548-0625 | 体积:10 mL |
| 圆底烧瓶 | 卡尔·罗斯 | HY50.1 | 体积:10 mL,NS 14/23 |
| 橡胶隔膜 | 卡尔·罗斯 | EE04.1 | 材料:硅胶,NS 14/23 |
| 注射器滤器 | 安捷伦科技 | 5190-5267 | Captiva Econofilter,孔径 0.2 µm,聚四氟乙烯膜 |
| 注射泵 | 兰德格拉夫实验室系统 HLL | 106720180 | 型号:LA180A |
| 透射电镜载网 | 普拉诺 | 直径:3.05 mm,300目,覆有甲酸膜和炭层 | |
| 程序控温烘箱 | Nabertherm | 型号:L5,电压:230 V,功率:2.4 kW,控制器:C6 | |
| 四丁基硼氢化铵 | Sigma Aldrich | 230170-10G | 纯度:98 % |
| 三颈圆底烧瓶 烧瓶 | 卡尔·罗斯 | KY19.1 | 体积:100 mL,NS 14/23,14/23 |
| 二氧化钛 P25 | Acros Organics | 384292500 | 纯度:99 % |
| 甲苯 | VWR Chemicals | 32249-1L-M | 特级,分析纯,ACS 试剂, >99.7% |
| 过渡段 | 卡尔·罗斯 | 带芯和活塞、直管橄榄头,29/32 | |
| 透射电子显微镜 | 蔡司 | 型号:900N | |
| 超声波清洗机 | Bandelin | 305 | 型号:RK 156 体积:6 L |
| 移液管 | 品牌 | 29718 | 体积:50 mL |
| X射线光电子能谱仪 | 赛默飞世尔科技 | 型号:ESCALAB 250 xi |