电化学调控钯基纳米催化剂用于"煤制乙二醇"的基础研究

Ethylene glycol is a basic chemical raw material. The heavily dependent on imports of ethylene glycol (>6Mt/a), the relative abundance of coal resources and lack of oil and gas in China, indicating that the "Coal-to-Ethylene Glycol" (CTEG) is of strategic importance and significant social and economic benefits. The structure-performance relationships of catalysts and the catalytic reaction mechanism of "CO oxidative coupling to oxalate", which is a crucial step in the CTEG, is not clear so far. The strong adsorption of surfactant on the surface of nanomaterials prepared by chemical method makes it difficult to be completely removed, which will greatly affect the study of the structure-performance relationships of nanomaterials. However, nanomaterials with surface cleanliness, composition and morphology controllable can be easily attained by electrochemical method without the use of surfactants, which is very helpful to study the composition and surface structure effects of catalysts and the reaction mechanism of "CO oxidative coupling to oxalate". In this project, we plan to synthesize a series of palladium-based nanocatalysts with composition, size and shape controllable using electrochemical method. The catalytic performance of as prepared catalysts with different surface structure towards the "CO oxidative coupling to oxalate" will be carefully investigated, and the reaction mechanism of CO coupling will be deeply understood. Through this study, it is hopeful to reveal the intrinsic relationships between structure and effect of the catalysts, and to establish the related catalytic CO coupling reaction theory. This research will be helpful to guide the synthesis of nanocatalysts with high performance, and it is of great scientific significance and economic value to develop a new generation of CTEG techniques.

乙二醇是一种大宗化工基本原料，年进口量高达600多万吨以及我国富煤缺油少气的国情，决定了煤制乙二醇具有重要的战略意义和显著的社会经济效益。目前煤制乙二醇中的关键步骤"CO氧化偶联制草酸酯"的催化剂构效关系和催化反应机理还不明确。化学法制备的纳米材料通常难以排除表面活性剂的干扰，不利于研究材料的构效关系规律。电化学法易于控制纳米材料的组成和形貌，且不用添加表面活性剂，材料表面洁净，有利于CO氧化偶联反应中催化剂的组成和表面结构效应以及反应机理的研究。本项目拟采用电化学法制备一系列组成、尺寸和形貌可控的钯基纳米催化剂，研究具有不同表面结构的纳米催化剂对CO氧化偶联制草酸酯的催化性能，深入认识不同结构组成的纳米材料催化偶联CO的反应机理，揭示催化剂的构效本质，建立CO氧化偶联反应的相关催化理论。本项目研究有助于指导高效纳米催化材料的合成，对研发新一代煤制乙二醇技术具有重大的科学意义和经济价值。

乙二醇是一种大宗化工基本原料，年进口量高达600多万吨以及我国富煤缺油少气的国情，决定了煤制乙二醇具有重要的战略意义和显著的社会经济效益。CO气相氧化偶联制草酸酯是煤制乙二醇工艺中的关键步骤，其中如何进一步提高钯催化剂的性能、提高贵金属的使用效率、降低成本成为亟待解决的关键科学和技术问题。电化学法易于控制纳米材料的组成和形貌，且不用添加表面活性剂，材料表面洁净，有利于CO 氧化偶联反应中催化剂的组成和表面结构效应以及反应机理的研究。本项目以煤制乙二醇中CO气相氧化偶联制草酸酯为具体研究体系，围绕着高效纳米催化材料的结构设计与调控的关键技术问题开展研究。采用电化学法或与化学相结合的方法调控制备出一系列具有特定尺寸、形貌和表面结构的催化剂纳米材料，通过对CO 氧化偶联制草酸酯催化性能的评价，揭示了纳米材料表面结构与催化性能之间的内在联系规律以及载体的作用机理。主要研究成果有：（1）采用电化学法调控制备出多种表面形貌结构的单金属、双金属纳米催化剂，获得了表面结构效应认识；（2）利用电化学UPD效应，控制合成出一例低负载、高活性、长寿命的CO偶联反应催化剂；（3）利用载体效应，控制合成出两例高性能的CO偶联反应催化剂，揭示了载体作用机制。这些成果有助于指导高效纳米催化材料的合成，对研发新一代煤制乙二醇技术具有重大的科学意义和经济价值。为新一代煤制乙二醇中高效纳米催化材料的结构设计和应用提供科学依据和理论指导。研究成果部分已发表在Electrochim Acta、J Power Sources、Chem Comm、Catal Sci Technol等知名期刊杂志上6篇（其中SCI收录影响因子4以上论文5篇，JCR分区大类1区2篇，2篇被选为杂志内封面文章），申请并获授权中国发明专利4件。