铈基氧化物-贵金属多组分复合超级结构的制备及催化性能研究

Catalysts have occupied an extremely important position in the modern chemical industry and the related industries. The overall performance of composite catalysts is superior to the simple summation of original components and able to meet various demands of practical applications due to the synergies in the properties between different components. Nano-coposite catalyst has a unique morphology and reveals a high proportion of surface atoms, so its surface activity and selectivity are much higher than the traditional bulk catalyst materials. Therefore, based on the years of research, we aim at the international frontier and hot spot which is the synthesis and catalytic performance study of Ce-based oxides-precious metal multicomponent complex hierarchical structures. Combining the theoretical knowledge of the preparation of inorganic nano-composites and the catalytic mechanism of rare earth-precious metal composites, we conduct a systematic study of the synthesis and catalytic performance of cerium-based oxides-precious metal multicomponent composite hierarchical structures, inorder to design and synthesize the phase controlled, structurally stable catalysts. According to the evaluation of the catalytic properties of synthetic materials, the experimental phenomena and data, the factors of improving the catalytic properties are explored and obtained. Finally, the catalytic mechanism of the multicomponent nano-complexes are deducted and concluded.

催化剂在现代化学工业及相关工业中占有极其重要的地位，复合催化剂由于不同组分在性能上具有取长补短的协同效应，使其综合性能要优于原组分之和且能满足各种不同的实际应用要求。经过纳米化的复合催化剂由于具有独特的形貌结构及暴露出高比例的表面原子，其表面活性和选择性大大高于传统体相材料催化剂。因此，在多年研究工作的基础上，我们瞄准多组分复合超级结构的制备及催化性能这一国际前沿领域和研究热点，结合无机纳米复合材料的制备，稀土-贵金属复合材料催化机理等理论知识和分子模拟设计手段，对铈基氧化物-贵金属多组分复合超级结构的的制备和催化性能进行系统研究，设计和制备出物相可控、结构稳定的铈基氧化物-贵金属多组分复合超级结构催化剂；并通过对合成出的催化剂材料进行表征和催化性能评价，结合实验现象，分析实验数据，探讨并得到提高催化性能的因素，最后演绎归纳出多组分纳米复合催化剂的催化机制。

近年来，铈基复合纳米材料的合成及其构效关系的研究是催化领域研究的热点之一，这主要得益于铈基复合纳米材料不仅具有多种组分的优势，而且由于多种组分的结合产生了新的特性，因此表现出了优越的催化性能。本课题围绕着铈基氧化物-贵金属多组分复合超级结构的制备和催化性能展开，从铈基载体的修饰与改性、载体和贵金属之间的相互关系入手，做了大量的研究工作，取得了许多优异的成果，主要包括：（1）多维纯相氧化铈的可控合成，如三维花状介孔结构、核壳纳米球结构、不同暴露晶面的小颗粒结构等，相对于商品氧化铈，所合成的纯相氧化铈材料的催化性能均有了明显提高，这主要得益于材料本身的高比表面或暴露的晶面提供了较多的活性位点。（2）在介孔实心/空心纳米球、花状结构、空心多面体等多维金属离子掺杂氧化铈的研究内容中，我们对单一/多种过渡或稀土金属离子掺杂对氧化铈结构、形貌和催化性能的影响进行了较为全面的表征，相对于纯相氧化铈，掺杂型氧化铈材料的催化性能有了较大的提升，这主要得益于掺杂引起的结构氧空位浓度的增加以及在氧化铈表面高度分散的外来金属氧化物。（3）当外来金属氧化物的浓度超过一定范围后，就生成了铈基复合氧化物。我们采用非模板法和模板法分别制备了不同的铈镍、铈铜、铈镍铜产物，其催化性能有了显著提高，研究了氧化铈晶面、外来金属氧化物对催化速率和热稳定性的影响。而且我们还采用铜掺杂型氧化铈为载体负载氧化铜，分析了铜掺杂离子和氧化铜两种物质对催化性能的促进机制。（4）以预先合成的不同形貌、结构的纯相氧化铈或掺杂型氧化铈为载体负载贵金属纳米颗粒，负载贵金属后的催化剂相对于无负载贵金属时的催化性能显著提高，在低温区有更好的催化效果。从催化剂的构效关系方面入手重点研究了氧化铈载体和贵金属纳米颗粒之间的相互作用力，归纳出这种铈基-贵金属多组分复合超级结构的催化机制。