一维纳米铈锆复合氧化物的可控合成及其形貌催化研究

纳米材料的催化性能与其尺寸和形貌密切相关，尺寸和形貌可控的纳米催化材料的合成及其结构和性能的研究已成为多相催化领域的研究热点。Cu、Au纳米粒子与CeO2-ZrO2复合氧化物粒子组成的催化剂体系具有很高低温水气变换活性，但稳定性普遍较差。基于CeO2在催化反应中的显著形貌效应，即暴露较多活性晶面的氧化铈纳米棒/线在提高反应活性的同时也通过强金属-载体作用力提高了反应稳定性，本项目拟发展新的制备技术合成CeO2-ZrO2复合氧化物纳米棒、纳米线、纳米管，以择优暴露高活性晶面。以此为基础，构建新型纳米结构的负载型Au、Cu纳米催化剂体系，通过调控载体和金属粒子的形貌和尺寸提高催化剂的氧化还原性能和金属-载体相互作用程度，抑制金属粒子在水气变换反应过程中聚集，提高催化反应活性和稳定性。开展原位动态结构表征、反应机理和动力学研究，从分子、原子层次上揭示纳米催化的尺寸效应和形貌效应本质。

纳米材料的催化性能与其尺寸和形貌密切相关，尺寸和形貌可控的纳米催化材料的合成及其结构和性能的研究已成为多相催化领域的研究热点。基于CeO2材料在催化反应中的显著形貌效应，即暴露较多活性晶面的氧化铈纳米棒/线在提高反应活性的同时也通过强金属-载体作用力提高了反应稳定性。本项目通过原位气氛高分辨电镜和同位素实验等原位手段发现，一维CeO2纳米棒的特殊形貌可以铆合稳定负载的金纳米粒子，从而抑制金纳米粒子在水气变换反应过程中聚集，提高催化材料的稳定性；提出了依据在催化反应中的功能性差异可将金粒子的原子分为铆合位，表层原子，边界活化位和支撑位四类的结构机制。本项目发展了简单的碱辅助水热法成功制备出具有组分可控、尺寸均匀、形貌单一的CeO2-ZrO2复合氧化物一维纳米棒材料；CeO2-ZrO2 纳米棒体系均为具有半开放萤石结构的固溶体，且其一氧化碳氧化催化活性高于传统的零维CeO2-ZrO2纳米粒子，然而锆离子的加入在不同的形貌上显示出对化学反应迥异的影响规律，这一发现拓展了形貌效应概念的范畴。上述结果为从分子水平上设计新型高效催化剂提供了理论指导和实践基础。