甲烷催化燃烧反应的基础研究

Methane catalytic combustion has great significance of solving the energy source and environment problem. How to improve catalytic activity, thermal stability and poison tolerance of catalysts is the major challenge for methane catalytic combustion. Recent years, the synthetic technology of core-shell structure nanoparticle developed rapidly. Employing these techniques to design catalytic materials with high catalytic activity and high stability has showed great prospect. But using these techniques to develop methane catalytic combustion catalysts is still scarce. The active sites are parceled and probably could improve the material stability. This project will take advantage of core-shell structure nanoparticles which can integrate the properties of inner and outer materials, to design and synthesize supported noble metal catalysts with inert shell and noble metal-metal oxide composite materials with core-shell structure. Methane catalytic combustion reaction will be carried out on these materials. The catalytic active sites, the relationship of catalytic activity, catalysts stability and catalysts structure will also be investigated. Catalytic activity will be improved further based on these research results.

甲烷催化燃烧反应的研究，对解决能源和环境问题具有重要意义。催化剂活性，热稳定性和抗中毒能力的提高一直是甲烷催化燃烧反应面临的难题。近年来，核壳结构纳米粒子的合成技术迅速发展，利用这些技术开发高活性，高稳定性的催化材料，已经显示出重要的应用前景。但这些技术用于甲烷催化燃烧催化材料开发的研究却很少。本项目充分利用核壳结构纳米粒子整合了内外两种材料的性质的优势，将活性相包裹于核内，可提高材料热稳定性，设计合成负载型惰性壳层保护的贵金属催化剂以及核壳结构的贵金属-非贵金属新型复合材料，用于甲烷催化燃烧反应的研究。并开展催化活性中心；催化材料结构和催化性能，催化剂稳定性关系的考察，以此为基础进一步改善和提高催化剂性能。

开发高催化活性和高热稳定性的甲烷催化燃烧反应催化剂对解决环境和能源问题具有重要意义。在本项目的资助下，开展了负载型惰性壳层保护的核壳结构Pd@SiO2纳米粒子上甲烷催化燃烧反应的研究。发展了简单，操作过程易控制且绿色的溶胶-凝胶法制备Pd@SiO2纳米粒子。Pd纳米粒子核的粒径较均一，形成的Pd@SiO2纳米粒子核壳结构较规整。以水热晶化法，不添加任何表面活性剂，制备的CeO2-ZrO2-Al2O3复合氧化物载体具有较大的比表面积和较高的储放氧性能。Pd@SiO2/CeO2-ZrO2-Al2O3纳米粒子上具有优异的甲烷催化燃烧反应性能，CH4起燃温度（T50%）为320 oC，T90%为354 oC。考察Pd@SiO2/CeO2和Pd/SiO2/CeO2纳米粒子甲烷催化燃烧反应性能，低温反应区二者的甲烷催化燃烧反应性能接近，但随着反应温度继续升高，Pd@SiO2/CeO2纳米粒子上甲烷催化燃烧反应性能迅速提高，明显优于Pd/SiO2/CeO2纳米粒子。Pd@SiO2/CeO2纳米粒子，可能由于活性金属Pd位于核内，抑制了Pd的聚集，并减小了水蒸汽的影响，因而在高温反应区显示了明显的优异性。期望这些研究结果为甲烷催化燃烧反应的研究提供有价值的参考。