稀土@过渡金属氧化物核壳结构构筑及催化CO优先氧化的界面效应研究

The development of hydrogen source system is one of the technical bottlenecks for the application of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and CO preferential oxidation in H2-rich gases is an important part of hydrogen production process. Although noble metal catalysts show the high CO catalytic activity, the high cost and the scarcity of resource still limit their use on a large scale. The development of low-cost and highly effective non-noble metal catalysts is of great significance to improve the economy of PEMFC utilization and realize the energy use with "zero pollution". Due to the synergistic effects at the interfaces, the overall performance of composite oxide core-shell nanostructures is superior to the simple summation of original components. In this project, rare earth oxide@transition metal oxide core-shell nanostructures will be synthetized using coordination polymer as precursors, then the surface texture and the composition proportion and distribution of multiple metals will be tailored effectively by the preparation of coordination polymer. According to the results of structural characterization and catalytic activity evaluation, the influence rules of the synergistic effects between the interfaces of core-shell on catalytic propertities will be drawn out. Combining experimental results with theoretical simulations, the reaction process of CO in H2-rich stream on the surface of catalysts and the catalytic mechanism will be clarified. This research will help to deepen the understanding of the key factors of improving the catalytic properties and supply scientific evidence for optimization the comprehensive performance of the existing nano-catalysts.

氢源系统开发是质子交换膜燃料电池（PEMFC）应用的技术瓶颈之一，H2中CO优先氧化是制氢过程的一个重要环节。目前使用的贵金属催化剂虽然催化活性较高，但价格昂贵、资源有限，限制了其大规模利用。因此开发廉价高效的非贵金属催化剂有利于改善PEMFC应用的经济性，也对实现能源利用"零污染"有重要意义。复合氧化物不同组分间的界面协同效应对催化性能的影响十分关键。本项目拟以配位聚合物为前驱体在纳米尺度上构筑稀土@过渡金属氧化物核壳结构，并有效调控多元金属元素的组成比例和空间分布，利用多种表征分析手段，结合催化性能评价结果，重点考察核、壳微观结构以及核@壳界面协同效应对催化性能的影响机制；辅以量子理论计算，从分子水平上考察H2中CO在界面处活性位上的催化反应历程，阐明CO优先氧化反应机制，深入了解提高催化性能的关键性结构因素，为优化现有金属氧化物催化材料的综合性能提供科学依据。

作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键技术之一，CO选择性催化氧化脱除已成为目前的研究热点。开发廉价高效的非贵金属催化剂有利于改善PEMFC应用的经济性。如何构建具有特定微观结构和化学组成的多组分金属氧化物核壳结构并提高不同活性组分间的异质界面协同效应对复合氧化物催化材料的综合性能的提升十分关键。本项目中，我们采用简单易行的液相合成法，成功地构建了一系列新型的具有不同形貌和化学组成的稀土-过渡金属氧化物核壳结构，如CeO2@MnO2纳米球、Mn2O3@CeO2立方体、NiCo2O4@CeO2纳米球、Fe2O3@CeO2立方体、CeO2-MOx（M = Cu, Ni, Co）中空核壳结构以及Fe2O3/CeO2双壳层空心盒子等具有异质界面的核壳结构，利用多种物理与化学表征分析手段，系统研究了核壳结构的微观结构以及多元金属元素的组成比例和空间分布，探索了核壳结构的形成机理；结合催化性能评价结果，深入考察了核@壳界面协同效应对催化性能的影响机制。研究结果表明，集成多元金属氧化物组分能有效地提高材料的氧化还原性质；相对于单一组分金属氧化物以及简单的氧化物杂化材料，核壳结构异质界面的构建能有效地提高催化活性；核壳界面处丰富的氧化还原反应环境能极大地促进材料的低温氧化能力和活性氧迁移能力。本研究具有重要的应用价值和科学意义，为开发高性能的非贵金属复合氧化物催化材料提供新的思路和理论依据。