基于金属醇酯化学的等级孔道形成机理研究及等级孔扩散体系的设计合成

The introduction of hierarchically porous structure into metal oxides can greatly improve the diffusions performance of catalysts, thus efficiently enhance the catalytic reactivity and ultimately prolonged the catalytic life. Based on the hydrolysis and condensation of metal alcohol easter, a serious of hierarchically porous metal oxides have been synthesized by a template-free method via rapid hydrolysis condensation. The uncontrollability of the synthetic process has seriously restricted its further development. However, little progress is made to solve this most challenging problem. The essential tissue is the poor understanding of the mechanism. This project is focused on the control of the self-formation process of hierarchically porous structure. High resolution transmission electron microscopy has been used for in situ study of the hierarchically 3D dendrimeric nanostructures formation process based on hydrolysis and condensation of metal alcohol easter to investigate the mechanism of the self-formation process of hierarchically porous structure. The General Murry’s Law is introduced for the first time to theoretically study the diffusion performance of hierarchically porous structure, guide the design and synthesis of hierarchically porous metal oxide with high diffusion performance and investigate the diffused law of hierarchical pores.

等级孔金属氧化物由于其等级孔道结构的引入，大大改善了材料的物质流通扩散性能，从而提高了其催化活性及使用寿命，因此成为了近几年研究的热点。基于金属有机醇酯水解缩合反应自发形成等级孔金属氧化物方法，在不添加任何有机模板的条件下，仅仅通过快速水解缩合反应过程，常温下制备出一系列具有等级孔大孔-介孔的金属氧化物材料，引起了广泛的关注及研究热潮。然而其合成过程的可控性是制约该方法发展的最大难题，然而其可控性的研究进展缓慢，其核心问题是缺乏对其形成机制的理解。本项目拟系统研究这一自发形成等级孔道结构的过程调控，并利用高分辨电子显微镜技术原位跟踪金属有机醇酯水解缩合反应自发形成等级孔金属氧化物的过程，理解自发形成等级孔道结构的机理。并首次将广义默里定律引入到所制备的等级孔道扩散性能的理论研究中，指导高流通扩散性能的等级孔金属氧化物的设计合成，并研究等级孔扩散规律。

本项目开发了金属有机醇酯水解缩合合成等级孔γ-Al2O3和等级孔TiO2的策略，制备出高比表面积的等级孔γ-Al2O3和TiO2材料；系统调控了金属醇酯水解缩合反应条件（反应溶剂和含水量）对于等级孔道的影响，实现了一系列不同等级孔道结构的金属氧化物的制备；基于广义默里定律，实现了在流通扩散性能最优条件下等级孔道中大孔、介孔和微孔间孔径关系的构建，指导等级孔材料的合成；进一步将等级孔金属氧化物材料作为载体材料负载金属，成功制备得到Pd基等级孔催化材料，在一系列催化反应中取得了优异的效果；在此基础上，通过硬模板限域策略将具备优异流通扩散性能的等级孔道引入分子筛结构，成功制备得到等级孔分子筛单晶材料，在一系列催化反应中取得了优异的效果。相关成果发表在Journal of Colloid and Interface Science、Chinese Journal of Catalysis、Frontiers of Chemical Science and Engineering等重要国际学术期刊7篇，授权国家发明专利2项，培养硕士研究生4名，其中毕业1人，在读3人。参与组织国内重要学术会议共1次，指导本科生竞赛并获奖2项。