高稳定性Au/Nb-CeO2的可控制备及其对苯/甲苯催化燃烧性能研究

Catalytic combustion for volatile organic compounds have been the important research subject in environmental management field, among which the heterogeneous catalysis study on the building of new and high-performance catalysts for benzene/toluene combustion reaction is of great significance for alleviating air pollution and coping with the increasingly stringent air pollution regulations. From the comprehensiveness and depth of research on catalysis, and for such problems as the shortage of application and low stability of gold catalysts in benzene/toluene combustion reaction, the primary objective of the current proposal is to explore and develop new and high-performance Au/Nb-CeO2 catalyst, investigate the regulation mechanism of niobium on catalysts, and demonstrate the promoting effect of niobium on stability. Focusing on the key processes in benzene and toluene combustion reaction, special efforts will be dedicated to clarify the regulation mechanism of surface/interface, support and crystal surface on catalytic activity and stability from the atomic/molecular level and reveal the relevant reaction mechanism. Efforts will also be directed to gain insight into the role of the synergistic effect between niobium, cerium oxide and Au in improving the catalytic performance, and understanding the relevant active sites, thus providing guidance of theory and practice for developing new and efficient catalytic systems for the treatment of volatile organic compounds.

挥发性有机物的催化燃烧一直是环境治理领域的重要研究课题，其中基于苯/甲苯燃烧反应的高效催化剂构建的多相催化研究对于缓解大气污染和应对日益严苛的大气污染法规具有重要意义。从催化研究的全面性和深度方面出发，针对目前苯/甲苯燃烧反应中金催化剂应用较少及稳定性不足问题，本项目旨在研究创制新型高效Au/Nb-CeO2催化剂，并探究铌对催化剂性能的调控机制，重点探讨铌对稳定性的促进作用。围绕苯/甲苯催化燃烧反应的关键反应过程，从原子/分子水平上阐明表界面、载体、晶面等对于新型Au/Nb-CeO2催化剂活性和稳定性的调控规律，揭示相关反应机理。系统认识铌、二氧化铈与金之间协同效应在提高催化性能中的作用，明确相关作用位点，为发展挥发性有机物治理高效催化新体系提供理论指导和科学基础。

基于挥发性有机物燃烧反应的高效催化剂构建的多相催化研究对于缓解大气污染和应对日益严苛的大气污染法规具有重要意义。项目从拓宽纳米金的催化应用和创制新型高效催化剂出发，开发铌作为助剂调控Au/CeO2的物化性质，并以苯燃烧作为模型反应，探讨了铌对活性和稳定性的促进作用。通过项目实施，制备出一系列优异的Au/Nb-CeO2催化剂，考察了Nb对金与载体之间的相互作用、金粒径大小、表面性质等的调控作用，建立了Au/Nb-CeO2的物化性质与苯催化燃烧性能的构效关联。结果表明，热分解法合成了铌均匀分散的高稳定性的Au/Nb-CeO2催化剂，铌主要以无定型NbOx态存在二氧化铈中，有两种价态：Nb4+和Nb5+。主要有两种存在形式：存在于CeO2表面的高分散态和少部分进入CeO2晶格。铌掺杂阻止了CeO2的晶粒增长，拉长了Ce-O键，增加了氧缺陷。相比于Au/CeO2，Au/Nb-CeO2拥有更大的比表面积、更好的还原性能。通过铌的引入，增强了Au-载体间相互作用，促进了金在载体上的锚定和分散。所制备的金负载量为1%，Ce:Nb摩尔比为15:1的1%Au/15CeNb催化剂可在空速为30000 mL/(g•h)时，将1000 ppm苯转化90%的温度为258 ℃，而且表现出非常好的稳定性。进一步地，通过水热法合成了具有棒状、帚状、球状、立方体形貌的Nb-CeO2载体并负载金催化剂，均表现出优于热分解法制备的颗粒状，Au/Nb-CeO2的催化活性，反应活性按照ACN-broom > ACN-bar> ACN-MM> ACN-ball> ACN-cube的顺序的降低，最优ACN-broom材料相对颗粒状催化材料ACN-MM反应活性和反应速率得到进一步提高；ACN-broom表现出最佳活性与其较高的比表面积、暴露（110）活性晶面、独特的束状结构、弥散分布的Nb组分、良好的低温氧化还原能力等有关；在苯燃烧反应中，230℃下连续反应48小时，转化率无明显变化。较高的稳定性能与其较强的Au与Nb-CeO2的相互作用有关。