贵金属催化剂上N2O分解反应的原位量热研究

以N2O为推进能源的新型推进动力具有独特的优越性能，其催化分解反应在航天领域受到高度重视。然而N2O催化分解反应实际应用的前提是必须降低催化剂上N2O的分解温度和提高催化剂的高温稳定性。较低温度下，催化剂表面吸附氧会对N2O分解产生明显抑制，因此，要降低N2O分解温度必须使氧在较低温度下脱附。.本申请以降低贵金属催化剂上N2O分解温度为研究目标，针对N2O分解反应中催化剂上氧能够在较低温度下克服强的化学键而脱附，提出研究反应过程催化剂表面热量的产生和传递及对氧脱附的影响。具体通过原位量热技术研究N2O分解反应过程中键的形成和转化所引起的热量变化并与O2的脱附行为相关联，同时结合N2O和O2吸附热测量、原位红外和拉曼对活性中心本质的研究以及热力学计算，建立催化剂活性位、吸附热、反应热和氧脱附之间的联系，认识N2O分解反应中氧脱附的影响因素，为航天推进用N2O分解催化剂研制提供指导和研究方向。

以N2O为推进能源的新型推进动力具有独特的优越性能，其催化分解反应在航天领域受到高度重视。然而N2O催化分解反应实际应用的前提是必须降低催化剂上N2O的分解温度和提高催化剂的高温稳定性。氧脱附是N2O分解反应中的速率控制步骤，较低温度下，催化剂表面吸附氧会对N2O分解产生明显抑制，因此，要降低N2O分解温度必须使氧在较低温度下脱附。.本申请以降低贵金属催化剂上N2O分解温度为研究目标，同时兼顾催化剂在N2O分解反应中的高温稳定性。针对N2O分解反应中催化剂上氧能够在较低温度下克服强的化学键而脱附，首次测量了N2O在催化剂表面上的解离吸附所放出的热量，并与O2在N2O分解反应后催化剂上的吸附热进行关联，从两者一致性角度证实了N2O在催化剂表面解离吸附产生的热量能够促进氧在催化剂表面的脱附。在此研究基础上，通过在贵金属催化剂中引入弱吸附O2的Au，有效地降低了贵金属催化剂对O2的吸附强度，密度泛函理论计算（DFT）表明Au对Pd的修饰也能够降低对N2O的吸附，使N2O分解的速控步骤由O2脱附变为N2O解离吸附。针对贵金属催化剂在N2O分解反应中的高温稳定性问题，利用金红石型TiO2和RuO2之间的晶格匹配，在金红石TiO2载体上制备出稳定和高分散的RuO2催化剂，进而实现了在N2O分解反应中的高活性和稳定性。由原位量热研究并结合热力学计算证实晶格匹配能够降低Ru-O键强，进而有利于反应中氧的脱附。在此基础上我们又研究了助剂、载体和粒径等因素对贵金属催化剂吸附和反应性能的影响，建立了催化剂结构-吸附性质-反应性能的构效关系，这些研究为航天推进用N2O分解催化剂研制提供了指导和研究方向。