可控碳改性Pd/TiO2用于直接合成雙氧水:非均相界面對催化性能的影響

摘要：雙氧水(H2O2)是一種重要的綠色氧化劑,廣泛應用于紡織、醫(yī)療、廢水處理、軍事等重要領域.目前, H2O2的工業(yè)生產(chǎn)以蒽醌法為主,該法設備投資大、運行成本高,同時工藝涉及大量的有機溶液,活性中間體蒽醌也會發(fā)生緩慢降解,產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物.與蒽醌法相比,通過負載型貴金屬催化劑催化H2與O2反應直接合成H2O2,過程綠色環(huán)保且生產(chǎn)工藝簡單,引起了各界廣泛關注.然而,從熱力學上分析, H2和O2更容易反應生成H2O, H2O2只是該反應的中間產(chǎn)物,會繼續(xù)發(fā)生加氫和直接分解反應生成H2O,導致H2和O2的低效利用,開發(fā)高H2O2選擇性且高反應效率的催化劑已成為氫氧直接合成H2O2研究的重點與難點.目前大部分研究策略旨在通過調(diào)控或影響反應中心結構、價態(tài)來抑制H2O2的副反應,進而提升H2O2的選擇性和反應效率;盡管已取得了良好的進展,但仍需發(fā)展新的調(diào)控策略來滿足工業(yè)應用的要求.本課題組前期研究表明,促使H2O2從催化劑上脫附可以有效地提升H2O2的選擇性和產(chǎn)率.相比于針對反應中心的調(diào)控,不穩(wěn)定的H2O2從催化劑上快速脫附同樣起到抑制H2O2參與副反應的作用.為此,本文提出一種炭量可控的非均一界面改性方法,以常規(guī)的Pd/TiO2作為研究對象,借助各種結構表征,發(fā)現(xiàn)炭物種在TiO2表面呈非均一分散狀態(tài),而且改性對于催化劑的幾何結構影響較小;另外,催化劑表面的疏水性會隨著碳含量的增加而增加,導致其與H2O2間的吸附能相應變小.反應結果顯示,表面非均一的炭化改性技術可以顯著提升Pd/TiO2催化劑的H2O2選擇性和產(chǎn)率.通過構效關系分析,可知這種改性技術可以保持Pd顆粒與TiO2間相互作用的同時,還可以促進H2O2的快速脫附,進而提升改性Pd/TiO2催化劑的H2O2直接合成效率.該改性方法簡單、易控,可拓展應用到其他類型催化劑的H2O2直接合成性能調(diào)控與改進.