本文關鍵詞：稀土催化材料的制備、結(jié)構(gòu)及催化性能，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

中國科學: 化學 2012年 第42卷 第9期: 1289 ~ 1307

《中國科學》雜志社

SCIENCE CHINA PRESS

SCIENTIA SINICA Chimica 評 述

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稀土催化材料的制備、結(jié)構(gòu)及催化性能

詹望成, 郭耘, 郭楊龍, 龔學慶, 王艷芹, 盧冠忠*

結(jié)構(gòu)可控先進功能材料及其制備教育部重點實驗室; 華東理工大學工業(yè)催化研究所, 上海 200237 *通訊作者, E-mail: gzhlu@

收稿日期: 2012-05-05; 接受日期: 2012-06-05; 網(wǎng)絡版發(fā)表日期: 2012-07-13 doi: 10.1360/032012-282

摘要 稀土催化材料的研究和發(fā)展為La和Ce等高豐度輕稀土元素的高質(zhì)、高效利用提供了有效的途徑. 稀土元素具有未充滿電子的4f軌道和鑭系收縮等特征, 作為催化劑 的活性組分或載體使用時表現(xiàn)出獨特的催化性能. 本文從稀土氧化物、稀土復合氧化物、 稀土-貴金屬催化劑、稀土改性多孔催化材料等稀土催化材料出發(fā), 重點介紹和討論了稀土的添加對催化劑的結(jié)構(gòu)、活性和穩(wěn)定性等的影響, 闡述了稀土與過渡金屬及氧化物、稀土與貴金屬之間的相互作用, 及對催化劑催化性能的影響. 并對稀土催化材料的研究和發(fā)展提出了思考和展望.

關鍵詞 稀土氧化物 催化材料

氧化還原性能 酸堿性能 催化性能 催化劑制備

1 引言

稀土由鑭系元素(15個元素)和與其密切相關 的兩個元素—鈧(Sc)和釔(Y)組成, 具有特殊的光、 電、磁和催化等特性, 其應用領域已從冶金機械、石油化工、玻璃陶瓷、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)領域拓展到磁性材料、儲氫材料、發(fā)光材料、催化材料、高溫超導材料等功能材料領域. 由于我國稀土礦以輕稀土組分為主(其中鈰和鑭在包頭礦和四川冕寧礦中的含量約占80%, 在南方離子礦中的含量約占30%), 因此, 隨著稀土永磁、冶金、熒光粉等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展, 中、重稀土的用量不斷增加, 導致鈰和鑭等高豐度輕稀土元素的大量積壓, 造成了稀土利用的不平衡.

稀土元素具有未充滿電子的4f軌道和鑭系收縮等特征, 作為催化劑的活性組分或載體使用時表現(xiàn)出獨特的性能, 如Ce的4f軌道可以起到電子“儲存器”的功能, 有效地儲存伴隨氧空位形成所產(chǎn)生的自由電子, 而這些高度局域化的表面電子可以很好地促進分子氧的吸附和活化, 從而賦予催化劑良好的儲/放氧能力及氧化性能. 又如La在分子篩催化劑中的存在可以調(diào)節(jié)催化劑表面的酸性能, 增強結(jié)構(gòu)的

穩(wěn)定性, 從而提高催化劑的性能. 因此, 充分發(fā)揮Ce和La等輕稀土元素在催化材料中的作用, 是改善相關催化劑性能, 實現(xiàn)稀土資源的高質(zhì)、高效利用的最有效的途徑之一.

本文將從稀土氧化物、稀土復合氧化物、稀土-貴金屬、稀土改性多孔材料等不同種類的稀土催化材料出發(fā), 著重討論催化材料的組成、結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關系, 以及稀土在這些催化材料中所起的作用及作用原理, 從而理解稀土與過渡金屬或貴金屬之間的相互作用.

2 稀土氧化物

基于Ce元素具有Ce3+/Ce4+的可變價特性, 氧化鈰具有良好的儲/放氧性能, 在貧氧或還原條件下, CeO2表面的一部分Ce4+被還原成Ce3+, 并產(chǎn)生氧空位; 而在富氧或氧化條件下, Ce3+又被氧化為Ce4+, 即CeO2 x又轉(zhuǎn)化成CeO2, 從而實現(xiàn)氧的釋放-存儲這一循環(huán)過程. 基于CeO2的強儲/放氧能力, 到目前為止, CeO2直接作為催化劑的應用過程主要有CO氧 化[1, 2]和氯代烴催化燃燒[3, 4]等氧化反應. 由于CeO2

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