CuFe2O4的形貌和尺寸可控合成及催化性能研究

The size and shape controllable synthesis of composite metal oxides and studies on their structure-reactivity correlations in molecular level are the focus of both nano-catalysis and materials. This research concentrates on the synthesis of low cost CuFe2O4 by solution-based methods with specific shapes, such as nanorod, nanodisk and nanocube,etc. In order to controllable synthesis of nanocrystals, we studied the growth mechanism of crystallite by adjusting the reaction parameters. CuFe2O4 precursor can be reduced to Cu/Fe3O4 composite catalyst by moderate reduction and Fe3O4 inherit pecursor's shape. Cu metals can be reintroduced into spinel strucuture to form CuFe2O4 by oxidation; redispersion of Cu and inhibition of the Cu sintering will be achieved. The water gas shift reaction is selected as the probe to detect the performance of Cu/Fe3O4 with different shapes. Furthermore, a lot of in-situ characterizations are used for understanding the shape effect on the reactivity and investigating the reasonable structure-reactivity relationship.

复合金属氧化物的尺寸与形貌可控合成，并在分子水平上研究其在催化反应中的构效关系是纳米催化和材料领域共同的研究热点。本课题以廉价的CuFe2O4作为研究对象，利用基于液相的合成方法制备纳米棒、纳米片及纳米立方体等特定形貌的CuFe2O4前驱体。并通过调变实验参数，考察晶体生长机理，达到可控的目的。CuFe2O4前驱体经H2适度还原可得到Cu/Fe3O4复合催化剂，而且Fe3O4能保持前驱体的形貌，金属Cu以纳米颗粒均匀分散在载体Fe3O4表面上。再氧化后金属Cu可以再次进入尖晶石结构且形貌能够保持，实现Cu的再次分散抑制铜的烧结，实现催化剂的循环再生。以水汽变换等反应作为探针，考查不同形貌Cu/Fe3O4催化剂的反应性能，利用多种原位表征手段，揭示Fe3O4形貌对Cu的催化反应性能的影响，探讨合理的构效关系，用于指导理性合成催化剂。

催化剂的形貌不同，表面暴露的活性位也会不同。将反应性能同催化剂的形貌挂钩建立催化反应中的构效关系。铜基催化剂是水汽变换反应的重要催化剂，载体和活性物种所起的作用是目前研究的重点。本项目主要通过控制反应条件可控合成不同形状的氧化铁和铁酸铜。首先利用模板法合成了形貌均匀的管状氧化铁，并利用各种表征手段对管状氧化铁的微结构进行表征，实验结果表明所合成的管状氧化铁具有非常高的比表面积，在NOx的氨氧化反应中表现出比片状和颗粒状氧化铁更高的反应活性。随后我们利用共沉淀法及沉积沉淀法分别合成了颗粒状和棒状的Cu-Fe-Ox复合物。并利用原位手段对Cu-Fe-Ox的氧化还原能力及水汽变换反应性能进行了研究。结果表明Cu-Fe-Ox经适度还原后均可以还原为Cu/Fe3O4。颗粒状的Cu/Fe3O4比棒状样品具有更好的活性。