氧化镧模型催化剂表面化学的近常压原位动态研究

Lanthanum oxide shows excellent catalysis performance as main catalysts or promoters and is widely used in heterogeneous catalysis.The study of surface chemistry of lanthanum oxide will help us to understand the catalytic mechanism of rare earth oxides, and also to rationally design better lanthanum oxide catalysts. In this proposal, lanthanum oxide model catalyst will be in situ prepared on noble metal substrates under vacuum conditions with precise control in the structures, surface composition, surface defect, and lanthanum oxide/noble metal interface. Catalysts often show big difference in surface structure and surface chemistry between vaccuum studies and real catalytic reactions. In order to overcome such "pressure gap", in situ surface techniques are mainly used to study the surface adsorption and reaction of small molecules of hydrogen、oxygen、water、carbon monoxide and carbon dioxide on lanthanum oxide model catalyst surfaces at near atmospheric pressure. It is aimed to understand the surface reaction mechanism of lanthanum oxide at atomic level. The research results of this proposal will surely deepen our understanding about the rare earth oxide catalysis and provide insights for designing better rare earth oxide catalysts.

氧化镧作为催化剂或助催化剂表现出优异的催化性能，在多相催化中得到广泛的应用。氧化镧表面化学研究不仅对认识稀土氧化物催化有着重要基础研究意义，而且对氧化镧催化有着重要应用价值。本申请项目拟利用分子束外延生长技术，在贵金属衬底表面上制备结构精确可控的氧化镧模型催化剂。通过控制生长条件和后处理过程，调控氧化镧表面组成、氧缺陷浓度、氧化镧/贵金属界面结构。超高真空条件下催化剂表面结构和表面化学行为和实际催化反应体系往往有较大差别。为了克服这一“压力鸿沟”，本申请项目主要利用近常压原位动态表面表征技术，研究氢气、氧气、水、一氧化碳和二氧化碳反应性小分子气体在氧化镧模型催化剂表面的吸附反应行为，探寻氧化镧表面结构与表面吸附反应性能的内在关联，在原子层次上认识氧化镧表面催化的构效关系和微观反应机理。该项目的研究结果势必加深我们对稀土氧化物催化的理解，为合理设计更为高效的稀土氧化物催化剂提供实验基础。

材料表面吸附反应行为受表面结构、形貌、表面缺陷和表面掺杂的影响。在原子分子层次上认识表面结构对表面反应行为的影响，是设计更加高效的催化材料，实现可持续发展的关键。该项目设计制备了不同形貌的氧化镧，研究了其表面小分子气体的吸附行为，并作为载体对加氢反应性能的影响。利用原位吸附反应等表征手段，发现氧化镧在CO2加氢过程中发生晶相的转变，改变了CO2吸附强度和加氢反应性能。氧化镧通常认为是非还原性惰性氧化物，但是在过渡金属修饰形成金属氧化物界面后，可以增强氢气的界面吸附，增加其加氢反应活性。和氧化镧相比，氧化铈的表面化学主要受表面氧缺陷的影响。表面CO2和H2O的吸附可以诱导部分还原氧化铈的再氧化。该项目的结果加深了我们对稀土氧化物催化过程的理解，为稀土催化剂更好的设计利用提供了实验基础。项目执行期间项目负责人参加国内外学术会议5次，共发表标注项目资助的SCI论文5篇，培养毕业博士生1名，硕士生1名，在读博士研究生3名。