CeO2、TiO2及Ce0.5Ti0.5O2催化載體的制備及性能研究

劉 欣， 賈 偉， 張愛琴， 申倩倩， 賈虎生， 許并社

(1.太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室，山西太原030024)

(2.太原理工大學材料科學與工程學院，山西太原030024)

(3.中海油太原貴金屬有限公司，山西太原030006)

(4.太原理工大學新材料工程技術研究中心，山西太原030024)

1 前 言

稀土催化劑在氧化還原反應中具有較高的活性，使其可以部分替代貴金屬催化劑或作為催化劑助劑[1，2]。汽車尾氣催化劑中添加鑭(La)和鈰(Ce)后，不僅可以有效提高催化劑抗Pb，S中毒性能和高溫穩定性，還可以減少貴金屬的用量，降低成本。稀土催化劑中使用最多的是CeO2，因其具有高儲氧/釋氧能力，可以在氧化反應中作為載體或助劑使用，也可直接作為催化劑使用[3，4]。如在一氧化碳催化氧化中，Au/CeO2是一種高效的催化劑[5]。Mn-CeO2催化劑在催化消除含氯有機廢氣反應中顯示出良好的活性和穩定性[6，7]。CeO2也是甲烷催化燃燒中常用的載體，可以負載貴金屬Pd或過渡金屬Co，Fe，Ni等[8，9]。在CeO2中添加第二組分形成固溶體可以顯著提高CeO2的熱穩定性、氧化還原性和催化活性，因此復合氧化物的制備和性能引起了研究者的廣泛關注。

TiO2具有較高的物理化學穩定性及其較強的光催化氧化性能[10]，廣泛應用于有機污染物降解、廢氣廢水處理、重金屬回收、以及氮氣和一氧化碳等氣體的還原等領域[11-13]。最近的一些研究中，一氧化碳和二氧化碳以及其混合物在5%Ru/TiO2催化劑上的甲烷化反應被詳細地分析，該催化劑對于一氧化碳甲烷化反應顯示了高活性、高選擇性和長壽命等特征。天津大學劉楠等[14]研究了CuO/CeO2-TiO2催化劑對一氧化氮還原反應的催化作用。

近年來，可修飾的納米金屬顆粒(NP)成為半導體物理、醫藥和催化領域研究的方向，NP負載已經應用在各種催化材料基體中，例如:5‰ Rh-γ-Al2O3甲烷部分氧化的應用[15]。 Sch?ffer等[16]開展了 CeO2-TiO2、 Pt/CeO2-TiO2氨氧化反應生成NO的研究，在600～800℃溫度區間，NO選擇性達到了98%。Rico-Francés[17]開展了TixCe(1-x)O2/Pt選擇性氧化CO的研究。

鑒于CeO2、TiO2及CeO2-TiO2混合氧化物在催化載體領域的重要性，本文考察研究了CeO2、TiO2的多種制備方法及對性能的影響，通過對各種方法獲得產物的組織、性能對比，選擇溶膠-凝膠法制備Ce0.5Ti0.5O2，并進行了表征。

2 實 驗

2.1 CeO2催化載體的制備

2.1.1 熱分解法

將一定量的硝酸鈰(Ce(NO3)3·6H2O)置于馬弗爐中，在空氣氣氛下由室溫程序升溫(升溫速率2℃/min)至一定的溫度，并在此溫度下維持4 h，得到的催化劑樣品標記為 1-CeO2-X(X為焙燒溫度350，450，500，650，800℃)。將制得樣品壓片、研碎，取孔徑為250～380 μm的篩網過篩備用(以下其他方法制備的樣品，采用相同方法進行壓片、研碎、過篩)[18]。

2.1.2 沉淀法

將原料Ce(NO3)3·6H2O配置成0.2 mol/L的鹽溶液250 mL，滴加10 mL H2O2，然后加入一定量的聚乙二醇(PEG2000)，將上述溶液加到氨水中(反向沉淀)，攪拌12 h(6 h:在80℃水浴鍋，加熱期間多次加入去離子水；6 h:磁力攪拌)，陳化12 h，再加入10倍于溶膠的正丁醇，然后超聲波震蕩，充分攪拌，然后蒸餾瓶中蒸餾，直至蒸干，在450℃下焙燒4 h，樣品標記為2-CeO2。

2.1.3 溶膠-凝膠(sol-gel)法

將21.7 g的固體Ce(NO3)3·6H2O和檸檬酸(CA)按照一定的物質的量比(nCA/nCe＝2)溶解在250 mL水中，并在80℃攪拌下蒸發至透明凝膠，再置于120℃下烘干，最后將其在450℃下焙燒4 h，樣品標記為31-CeO2。

將原料Ce(NO3)3·6H2O配置成0.2 mol/L的鹽溶液250 mL，加入0.29 mol尿素和8.68 g聚乙烯吡咯烷酮，90℃水浴加熱，攪拌12 h，逐滴加入氨水進行沉淀，離心分離，樣品在60℃下干燥24 h，在450℃下焙燒4 h，樣品標記為32-CeO2。

2.1.4 水熱法

將21.7 g的固體Ce(NO3)3·6H2O溶解于250 mL乙醇溶液中，并在該溶液中加入一定量的聚乙烯吡咯烷酮(10～30 g/L)，然后一滴一滴地加入烷基胺(丁胺、十六烷基胺或三乙胺，12 mmol)，攪拌10 min，將混合液倒入內襯四氟乙烯晶化釜，放入烘箱內180℃水熱晶化24 h。取出得到膠體，加入過量的1∶10的水-丙酮溶液洗滌分離。在恒溫干燥箱中干燥后轉移到馬弗爐中于300℃焙燒4 h，樣品標記為41-CeO2。

將21.7 g的固體Ce(NO3)3·6H2O和CA、CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)按物質的量之比為5∶1∶1混合，加入氨水調節，使體系pH＝9，水浴條件下攪拌2 h，將反應物轉移到具有聚四氟乙烯(內襯)的高壓反應釜中于120℃晶化12 h，取出后將沉淀用無水乙醇和蒸餾水洗滌，在恒溫干燥箱中干燥后轉移到馬弗爐中于450℃下焙燒4 h，得到介孔CeO2產物，樣品標記為42-CeO2。

2.2 TiO2催化載體的制備

2.2.1 溶膠-凝膠法

以鈦酸丁酯作為鈦源與乙醇混合均勻，然后將混合溶液滴加到水溶液中，使鈦醇鹽發生水解反應生成溶膠，經過凝膠化過程及熱處理，最終制備出TiO2納米顆粒。

(1)取5 mL鈦酸丁酯、50 mL乙醇，混合均勻待用，量取50 mL蒸餾水、50 mL乙醇，混合均勻待用，磁力劇烈攪拌混合液條件下，將鈦酸丁酯和乙醇混合液逐滴加入蒸餾水和乙醇混合液，平均3 s/滴。滴加結束后，將所得混合溶液繼續用磁力攪拌1 h，使反應所得溶膠經陳化凝膠化，再使用離心，將所得前驅體分離出。用乙醇將前驅體洗滌3次，每次使用50 mL乙醇超聲分散樣品后再離心。洗滌結束后，將樣品60℃干燥6 h得到前驅體，將前驅體樣品320℃煅燒2 h，以除去樣品內所含有機雜質，最終得TiO2非晶納米顆粒。樣品標記為11-TiO2。

(2)通過添加PEG(2000)0.1 g，減少制備過程中的團聚。樣品標記為12-TiO2。

(3)通過添加冰醋酸調節反應溶液的pH值抑制水解。樣品標記為13-TiO2。

2.2.2 沉淀法

采用直接沉淀法，以鈦酸丁酯為鈦源，3 mol/L氨水為沉淀劑，電磁攪拌下，逐滴加入配置好的氨水，3 s/滴，至pH＝8～11之間時，停止滴加。使用無水乙醇超聲波清洗3次，離心分離。制備出TiO2前驅體，60℃干燥。前驅體樣品在空氣氣氛中320℃燒結2 h。樣品標記為21-TiO2。

采用均勻沉淀法，以鈦酸丁酯為鈦源，使用50 mL純水和50 mL乙醇的混合溶液作為溶劑。鈦酸丁酯6 mL，加入8 mL冰乙酸抑制水解。將9 g固體尿素配制的50 mL乙醇溶液逐滴加入上述溶液。同時加熱至沉淀劑分解溫度160℃，50 mL乙醇清洗3次，離心分離。將前驅體樣品160℃烘干，然后在空氣氣氛中320℃下煅燒2 h制備出TiO2樣品。樣品標記為22-TiO2。

2.3 Ce0.5Ti0.5O2催化載體的制備

采用溶膠-凝膠法合成了Ce0.5Ti0.5O2載體。將適量的硝酸鈰(Ce(NO3)3·6H2O，99.00%)溶解在圓底燒瓶中所含的HNO3水溶液(0.02 mol/L)中。然后，在連續攪拌下逐滴加入異丙醇鈦(Ti[OCH(CH3)2]4，97.00%)，出現白色沉淀。在80℃攪拌下將懸浮液加熱30 min。在該步驟中，醇鹽水解后形成的醇的一部分被蒸發。為了獲得完全凝膠化，懸浮液在80℃回流2 h。獲得的凝膠在40℃烘箱中干燥8 d。最后將所制備的固體在500℃煅燒5 h，加熱速率為2℃/min。

2.4 性能表征

熱場發射掃描電子顯微鏡(SEM)使用JEOL公司的JSM-7800F，配有牛津MAX50n(50 mm大窗口能譜探測器)。透射電鏡(TEM)使用JEOL公司的 JEM-2010F-200 kV。樣品XRD圖譜表征均在PANalytical＆Empyrean型X射線衍射儀上進行。采用Cu靶Kα射線(λ＝1.5406 ?)，管電壓40 kV，管電流40 mA，小角度衍射的掃描范圍為2θ＝0.8°～8°，掃描步幅為0.002°/min，廣角衍射的掃描范圍為 2θ＝10°～80°， 掃描步幅為 3°/min。 樣品的 N2低溫吸附脫附實驗在NOVA4200e Surface Area＆Pore Size型儀器上完成，相對壓力:0.01～0.99[am(N2，77 K)＝0.162 nm2]，溫度為-196℃。樣品的比表面積使用BET(Brunauer-Emmett-Teller)方法計算，孔徑分布采用BJH(Barrett-Joyner-Halanda)法脫附孔徑表示，整個孔容在相對壓力約為0.985時計算。氫氣程序升溫還原(H2-TPR)譜在康塔Autosorb-IQ-C上測試。

3 結果與討論

3.1 XRD表征

CeO2的平均晶粒大小按照(111)晶面半高峰寬，再根據 Scherrer公式Dp＝ k·λ/(β1/2cos θ)進行計算， 其中Dp為粒子直徑，k為Scherrer常數(0.89)，λ為入射X射線波長(0.15406 nm)，θ為衍射角(°)， β1/2為衍射峰的半高峰寬(rad)。圖1為熱分解法制備的CeO2粉體的XRD圖譜，所有焙燒溫度下得到的CeO2均為立方螢石結構，晶化程度良好。根據Scherrer公式可以計算得出CeO2的晶粒尺寸，其大小順序依次為:11.04(350℃)，11.14(450℃)，11.50(500℃)，13.09(650℃)，21.43 nm(800℃)，隨著熱分解溫度的升高，晶粒尺寸逐漸增大。

圖1 熱分解法制備的CeO2粉體的XRD圖譜:(a)350℃，(b)450℃，(c)500℃，(d)650℃，(e)800℃Fig.1 XRD patterns of CeO2powders prepared by thermal decomposition:(a)350℃，(b)450℃，(c)500℃，(d)650℃，(e)800℃

圖2 為沉淀法制備的CeO2粉體的XRD圖譜，CeO2為立方螢石結構，根據Scherrer公式可以計算得出2-CeO2的晶粒尺寸為17.89 nm。

圖3a和3b為溶膠-凝膠法制備的31-CeO2和32-CeO2粉體的XRD圖譜，CeO2為立方螢石結構，根據Scherrer公式計算得出31-CeO2的晶粒尺寸為11.09 nm，32-CeO2的晶粒尺寸為17.29 nm。

圖4 XRD圖譜顯示，水熱法制備的樣品41-CeO2為非晶態。根據Scherrer公式可以計算得出樣品42-CeO2的晶粒尺寸為56.56 nm。

圖2 沉淀法制備的CeO2粉體的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of CeO2powders prepared by precipitation

圖3 溶膠-凝膠法制備的31-CeO2(a)和32-CeO2(b)粉體的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of 31-CeO2(a)and 32-CeO2(b)powders prepared by sol-gel method

圖5 為溶膠-凝膠法制備的TiO2的XRD圖譜，煅燒溫度均為320℃。如圖5a所示，樣品13-TiO2比11-TiO2和12-TiO2晶化程度好。 XRD 圖譜中在 2θ＝25.28°， 37.8°，48.05°， 53.89°， 62.69°， 70.31°和 75.03°出現明顯的衍射峰。通過分析這些峰，可知分別對應于銳鈦礦(JCPDS 21-1272)結構中的(101)、 (004)、 (200)、 (105)、 (204)、(220)和(215)晶面。說明經過320℃煅燒2 h發生晶化，轉變為銳鈦礦型TiO2，11-TiO2、12-TiO2部分轉化為銳鈦礦型二氧化鈦。圖5b為直接沉淀法和均勻沉淀法制備的TiO2粉體的XRD圖譜，煅燒溫度均為320℃，22-TiO2樣品比21-TiO2晶化程度好，峰位置與銳鈦型TiO2相符。

圖4 水熱法制備的41-CeO2(a)和42-CeO2(b)粉體的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of 41-CeO2(a)and 42-CeO2(b)powders prepared by hydrothermal method

圖5 溶膠-凝膠法(a)和沉淀法(b)制備TiO2的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of TiO2prepared by sol-gel(a)and precipitation(b)

3.2 SEM表征

從圖6和圖7可以看出，制備方法不同，CeO2粉體的形貌差異也比較大，熱分解制備的CeO2有方形和球形顆粒，沉淀法獲得的為片狀顆粒，水熱法制備的為球形、六面體顆粒。溶膠-凝膠法制備的12-TiO2為球形顆粒，團聚嚴重；沉淀法制備的22-TiO2為連續性的不規則形貌結構。

圖6 不同方法制備的CeO2粉體的SEM照片:(a)熱分解法、350℃，(b)熱分解法、650℃，(c)溶膠-凝膠法獲得的31-CeO2，(d)水熱法獲得的42-CeO2Fig.6 SEM images of CeO2powders:(a)by thermal decomposition，350℃；(b)by thermal decomposition，650℃；(c)31-CeO2 by sol-gel method；(d)42-CeO2by hydrothermal method

圖7 TiO2粉體的SEM照片:(a)溶膠-凝膠法制備的12-TiO2，(b)沉淀法獲得的22-TiO2Fig.7 SEM images of TiO2powders:(a)12-TiO2by sol-gel method，(b)22-TiO2by precipitation

3.3 N2低溫吸脫附結果

圖8 a顯示熱分解法制備的CeO2不同樣品的N2低溫吸脫附等溫線存在滯后環，為第IV類H1型回滯環等溫線，有飽和吸附平臺的趨勢，表明孔徑分布較均勻，應該為兩端開口的管徑分布均勻的圓筒狀孔。沉淀法制備的CeO2粉體的吸脫附等溫線為第IV類H2型回滯環等溫線，有飽和吸附平臺的趨勢，表明孔徑分布較均勻。溶膠-凝膠法和水熱法制備的CeO2粉體的吸脫附等溫線為第IV類H3型回滯環等溫線[19]。

如圖9a和9b所示，溶膠-凝膠法和沉淀法制備的TiO2粉體的吸脫附等溫線均為IV等溫線，11-TiO2的吸附量可以達到600 cm3/g。從吸附的角度分析，非晶態的TiO2具有更大的吸附量。制備方法不同，等溫吸附方式有所差別，與TiO2的相變、團聚和表面結構有很大關系。

圖8 不同方法制備的CeO2粉體的N2低溫吸脫附等溫線:(a)熱分解法，(b)沉淀法，(c)溶膠-凝膠法，(d)水熱法Fig.8 N2adsorption-desorption isotherms of CeO2powders prepared by different method:(a)thermal decomposition，(b)precipitation， (c)sol-gel， (d)hydrothermal

圖9 溶膠-凝膠法(a)和沉淀法(b)制備的TiO2粉體的N2低溫吸附脫附等溫線Fig.9 N2adsorption-desorption isotherms of TiO2powders prepared by sol-gel(a)and precipitation(b)method

表1總結了CeO2和TiO2部分樣品的比表面積、孔容、孔徑和粒徑的數據。溶膠-凝膠法制備的32-CeO2-450℃樣品具有較大的比表面積、孔容、孔徑和較小的粒徑，有利于活性金屬的負載。

表1 CeO2和TiO2樣品的物理性能Table 1 Physical properties of prepared CeO2and TiO2powders

3.4 H2-TPR表征

圖10 熱分解法(a)、沉淀法(b)、溶膠-凝膠法(c)和水熱法(d)制備的CeO2的H2-TPR圖譜Fig.10 H2-TPR spectra of CeO2prepared by thermal decomposition(a)，precipitation(b)，sol-gel(c)and hydrothermal(d)method

圖10 a～10d分別為熱分解法、沉淀法、溶膠凝膠法和水熱法制備的CeO2催化劑的H2-TPR圖譜。在500℃以下出現的低溫還原峰可歸屬為CeO2催化劑表面吸附氧的還原；在500～700℃之間的中溫還原峰可歸屬為CeO2催化劑表面晶格氧的還原；在800℃以上出現的高溫還原峰可歸屬為CeO2催化劑體相晶格氧的還原[23]。從圖10a中可以看出，熱分解法制備的CeO2還原峰位置一致，但是熱分解溫度越高還原峰面積越小，表明還原能力隨熱分解溫度的升高而降低。圖10b為沉淀法制備的CeO2催化劑的H2-TPR圖譜，還原峰溫度為619℃，而且還原反應比較集中。溶膠-凝膠法制備的31-CeO2樣品的主要還原峰溫度為 607℃，32-CeO2樣品的主要還原峰溫度為562℃。水熱法制備的41-CeO2樣品的H2-TPR圖譜有明顯的負峰，這可能是由助劑高溫脫氫造成的，42-CeO2樣品的主要還原峰溫度為562℃。通過比較上述H2-TPR還原峰溫度可以發現，溶膠-凝膠法制備的32-CeO2樣品在中溫條件下具有較強的氧化還原能力，可以認為是由于較大的比表面積和較大的孔容使體相晶格氧的還原溫度下降形成的。

上述結果表明，CeO2的催化活性與比表面積、粒徑大小、孔容、孔徑有密切關系，比表面積大、粒徑小，H2高溫還原峰向低溫方向移動。比表面積、粒徑與表面氧還原、體相氧還原也有相關性，有待于進一步證明。

圖11a是溶膠-凝膠法制備的 11-TiO2、12-TiO2和13-TiO2樣品的H2-TPR圖譜，11-TiO2的耗氫峰位于318、521、607和 682℃，12-TiO2的耗氫峰位于 374、449、553、629和894℃，13-TiO2的耗氫峰位于298、536和765℃。與單純銳鈦礦TiO2的耗氫峰(610℃)有較大的差別，主要原因是由于晶體相變穩定性較差造成的。

圖11 溶膠-凝膠法(a)和沉淀法(b)制備的 TiO2的H2-TPR圖譜Fig.11 H2-TPR spectra of TiO2prepared by sol-gel(a)and precipitation(b)method

圖11 b是沉淀法制備的21-TiO2和22-TiO2樣品的H2-TPR圖譜，21-TiO2的耗氫峰位于402、500、587和830℃，22-TiO2的耗氫峰位于519和585℃。

表2為各種方法制備的CeO2樣品的比較，溶膠-凝膠法制備的樣品比表面積、孔容、孔徑和氧化還原能力較大，粒徑較小，這些特征有利于催化劑載體負載活性金屬，另外溶膠-凝膠法有助于載體間的分子間復合，并且設備和工藝簡單。因此，選用溶膠-凝膠法制備Ce0.5Ti0.5O2。

表2 多種制備方法獲得的CeO2比較Table 2 Comparison of the CeO2by various preparation methods

3.5 溶膠-凝膠法制備Ce0.5Ti0.5O2

溶膠-凝膠法制備的Ce0.5Ti0.5O2的吸附脫附等溫線(圖12c)為IV型吸脫附等溫線，是非多孔性固體表面發生多分子層吸附的典型吸脫附等溫線，該過程常發生于非多孔性金屬氧化物離子吸附N2，在相對壓力約0.3時，等溫線向上凸，第一層吸附大致完成，隨著相對壓力的增加，開始形成第二層，在飽和蒸氣壓時，吸附層數無限大。其中Ce0.5Ti0.5O2吸附量最大為550 cm3/g。

圖12a為溶膠-凝膠法制備的Ce0.5Ti0.5O2的XRD圖譜。Ce0.5Ti0.5O2中CeO2以方鈰礦形式存在，其晶面指數為(111)、(200)、(311)、(331)，有無定形相衍射峰。Ce0.5Ti0.5O2衍射圖譜與純TiO2的相比，其特征峰位置沒有發生改變，表面 Ce4＋沒有進入 TiO2晶格并取代 Ti4＋，Ce4＋離子半徑為0.0993 nm，比Ti4＋離子半徑(0.068 nm)大得多，因此Ce4＋離子不可能進入TiO2晶格形成CeO2-TiO2固溶體，而 Ti4＋離子卻有可能進入 CeO2晶格形成TiO2-CeO2固溶體，由于 Ti4＋和 Ce4＋離子半徑相差很大，形成取代固溶體的可能性不大，但形成間隙固溶體則是有可能的[20-23]。圖13是Ti0.5Ce0.5O2的TEM照片，圖中晶格常數為3.58和3.7 ?，歸屬于Ce2TiO5的晶格常數，該表征結果可以確定Ti4＋進入CeO2晶格中形成間隙固溶體。形成固溶體后，混合氧化物電子結構發生改變，形成各種缺陷結構，有利于氧化還原反應的發生。

圖12 溶膠-凝膠法制備的Ce0.5Ti0.5O2的XRD圖譜(a)、SEM照片(b)、吸附脫附等溫線(c)和H2-TPR圖譜(d)Fig.12 XRD pattern(a)，SEM image(b)，adsorption-desorption isotherm(c)and H2-TPR spectrum(d)of Ce0.5Ti0.5O2by sol-gel method

圖12 d顯示，Ce0.5Ti0.5O2的H2-TPR圖譜在261、529和749℃處出現耗氫峰，高溫處出現氧化還原能力，主要是由于Ti4＋離子進入CeO2晶格形成TiO2-CeO2間隙固溶體，既降低了CeO2和TiO2的還原溫度，而且增強了高溫氧化還原能力。

圖13 溶膠-凝膠法制備的Ti0.5Ce0.5O2的TEM照片Fig.13 TEM image of Ti0.5Ce0.5O2by sol-gel method

4 結 論

(1)通過SEM、XRD表征和N2低溫吸附脫附和氫氣程序升溫還原(H2-TPR)實驗對不同方法制備的CeO2、TiO2和Ce0.5Ti0.5O2的物相、吸附性能及氧化還原性能進行了研究，結果表明溶膠-凝膠法制備的樣品具有較大的比表面積、孔容、孔徑等特點，有利于活性金屬負載催化載體的應用。

(2)Ce0.5Ti0.5O2樣品中，H2-TPR結果顯示低、中、高不同溫度出現耗氫峰，且由于Ti4＋離子進入CeO2晶格形成TiO2-CeO2填隙固溶體，增強了其高溫氧化還原能力。