三维有序介孔二氧化铈基纳米催化材料的结构调控及催化CO低温氧化性能研究

Trace CO will have a great effect on the human body in a closed space. Catalytic oxidation technology is the most effective means to eliminate CO. The key point is the development of high activity and stability of the catalyst. This project aims to through regulating synthesis and calcination conditions to adjust the channels diameter and wall thickness of KIT-6 molecular sieve. Using KIT-6 as a hard template, CeO2 based catalytic materials with controllable pore structure are prepared by nanocasting technology. Pd/3DOM CeO2-MOx catalyst with high activity and stability is prepared by optimizing Pd load method. The channels diameter and wall thickness of KIT-6 molecular sieve in the nanocasting process is how to affect the structural characteristics of three-dimensional ordered mesoporous metal oxides will be systematically researched. The influence of the surface adsorption oxygen concentration on the catalytic activity will also be deeply studied. It is important to understand the nature of the reaction and deactivation mechanism of CO low-temperature catalytic oxidation process from the molecular level. At the same time, it is necessary to establish the relationship of pore structure - surface adsorption oxygen concentration - catalytic activity of the three- dimensional ordered mesoporous metal oxides. Using characterization techniques, it is meaningful to explore the adsorption and activation mechanism of CO molecules in the surface of catalytic material, and study the formation process and structure of the catalytic active center.

密闭环境中，微量CO会对人体产生极大影响。采用催化氧化法是消除CO最有效手段，关键在于开发高活性、高稳定性催化剂。本项目拟通过调节KIT-6合成条件及焙烧条件来调节KIT-6的孔道及壁厚。以此为硬模板，采用纳米复制(nanocasting)技术，制备孔结构可控的CeO2基催化材料。优化Pd负载方法，制备出高活性、高稳定性Pd/3DOM CeO2-MOx催化剂。系统研究KIT-6分子筛的孔径及壁厚变化在纳米复制过程中是如何影响三维有序介孔金属氧化物的结构特性。深入研究表面吸附氧浓度对催化活性的影响。从分子水平上认识CO低温催化氧化反应机理和失活机理的本质，建立三维有序介孔金属氧化物孔道结构—表面吸附氧浓度—催化剂活性的构效关系。利用系列表征技术，探究CO分子在纳米催化材料表面的吸附与活化机理，研究催化活性中心的形成过程和结构。

密闭环境中，微量CO会对人体产生极大影响。采用催化氧化法是消除CO最有效手段，关键在于开发高活性、高稳定性催化剂。本项目在实施过程中，通过控制介孔硅KIT-6分子筛的水热合成温度、时间及焙烧温度来调节KIT-6的孔道结构，然后通过纳米复制的方法定向设计具有不同孔道结构的CeCu催化剂。研究结果表明通过Uncoupled复制的所制得的meso-CeCu-KIT-6-50催化剂具有较为开放的孔道结构，其在CO催化氧化中也表现出了优异的催化性能，T50值仅为36℃。同时该催化剂也表现了较佳的稳定性，在55℃可连续工作12h，CO的转化率仍保持在100%。通过负载一定量的贵金属Pd制备成Pd/CeO2催化剂，发现由三维有序介孔金属氧化物制备的Pd/meso-CeO2催化剂对CO的催化活性最好，其催化性能与三维介孔结构、大的比表面积、小的晶粒尺寸、良好的还原性能以及催化剂表面活性氧浓度相关。本项目系统地研究了KIT-6分子筛的孔径及壁厚对三维有序介孔金属氧化物催化剂结构的影响。当KIT-6的水热合成时间小于24 h，孔隙浸渍不完全，结果有两种孔隙结构即 Meso-CeCu催化剂有一组孔隙直径相当于KIT-6孔壁厚度，另外一组孔径相当于两个孔壁厚度的尺寸加上KIT-6的孔径。反过来，当KIT-6的水热合成时间大于24 h，孔隙浸渍完全，只有一种孔隙结构，即Meso-CeCu催化剂孔隙直径相当于KIT-6孔墙壁厚。深入探索了表面化学吸附氧浓度对催化活性的影响机制，建立了三维有序介孔金属氧化物孔道结构—表面吸附氧浓度—催化剂活性的构效关系。结果表明，催化剂的孔道结构直接影响了催化剂表面化学吸附氧浓度，进而影响催化剂活性。利用系列表征技术，详细分析了CO分子在纳米催化材料表面的吸附与活化机理。依托本青年基金，项目团队在国外SCI期刊上发表论文13篇，培养研究生5名（其中2名在读），圆满完成了全部研究内容和预期目标。