CeO₂在催化炔烃的氢化反应过程中有非常好的效果，但是其中的催化反应机理还不明确，橡树岭实验室吴自立等通过原位中子衍射、红外光谱法等对CeO₂催化剂中界面Ce-H物种、羟基物种在乙炔氢化反应中的作用进行表征。原位的非弹性中子散射测试（inelastic neutron scattering spectroscopy, INS）显示Ce-H和界面原子氢在反应中有催化活性，原位红外测试结果显示，氧化的CeO₂和还原的CeO₂上有桥基OH基团，在选择性催化反应中有作用。同时，作者发现还原型CeO₂上Ce-H的催化活性高于OH催化活性，但是过度还原的CeO₂上，表面上的较强的结合则可能会导致催化剂的失活。以上光谱相关研究结果给出了界面上的反应过程和如何设计合成具有高催化反应活性的催化剂。

本文要点：

（1）原位非弹性散射中子衍射谱（INS）结果显示，界面Ce-H物种的峰在~560 cm^-1，体相Ce-H物种的峰在700~1000 cm^-1，在623 K的H₂气氛中处理，发现540 cm^-1的Ce-H物种当在673 K的H₂气氛中处理，发现组成复杂的峰，是由于温度提高，反应中生成水导致。随后，通过原位INS方法测试了CeO₂-533K-H，CeO₂-623K-H，CeO₂-673K-H样品在催化反应中的变化情况，这几个样品中分别主要体现出表面氢原子、表面Ce-H、体相Ce-H物种。反应中使用C₂D₂进行催化反应，结果显示C₂D₂和CeO₂-533K-H、CeO₂-623K-H作用有类似的峰出现，在50~200 cm^-1有宽峰，并在250 cm^-1有肩峰。这个结果说明，乙炔通过界面氢物种进行催化反应，这个反应通过在32 cm^-1对应于界面氢原子、560 cm^-1对应于Ce-H物种的峰消失得以验证。CeO₂-673K-H样品中由于反应中生成H₂O，反应的峰信息难以很好收取，但是能发现反应后表面和体相的Ce-H物种都被消耗。

原位红外测试。在423 K和室温中分别对样品的C₂H₂吸附进行表征，结果显示界面氢和界面Ce-H物种的催化活性较高。

（2）催化反应机理。氧处理的CeO₂材料界面上的OH物种是催化位点，并加成到乙炔分子上，并将生成的乙烯分子脱附。氢气处理的CeO₂材料界面上当Ce-H和OH共同存在的时候有更高的催化反应活性，但是能够生成双-σ键合物种，这种物种会使材料失活。以上结果说明，通过控制材料中的氧空穴浓度，能够调节催化剂活性。

参考文献

Jisue Moon; Yongqiang Cheng; Luke L. Daemen; Meijun Li; Felipe Polo-Garzon; Anibal J. Ramirez-Cuesta; Zili Wu*

Discriminating the Role of Surface Hydride and Hydroxyl for Acetylene Semihydrogenation over Ceria through In Situ Neutron and Infrared Spectroscopy，ACS Catal. 2020, 10, XXX, 5278-5287

DOI: 10.1021/acscatal.0c00808

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.0c00808