单分散二维氧化铈纳米(片)材料的可控合成、催化性能及形貌/晶面效应研究

CeO2 nanomaterials have widely employed in many applications such as exhaust gas cleaning, water-gas shift, CO oxidation and etc. The study on the shape control of CeO2 nanocrystals and metal supporting has drawn ever increasing attention in order to increase the catalytic activity. Based on our previous research results, in this project we propose to further explore the synthesis of monodisperse CeO2 nanoplates with regular shapes by thermal decomposition. The structure, morphology and surface will be characterized by XRD, SEM, XAFS and etc. The role of mineralizers（i.e. sodium pyrophosphate, sodium oleate）on the morphological control of CeO2 nanoplates and the nucleation/growth mechanism of CeO2 nanoplates will be investigated in depth. And after that the inverse CeO2 nanoplates/metal (i.e. Au, Ni, Pt, Pd) catalysts would be prepared. The oxidation and reduction activity will be evaluated by TPR, XPS (water-gas shift and CO oxidation as a probe). The effect of the morphology, crystal-plane and the interfacial interaction between CeO2 plates and metals on the catalytic properties of inverse catalysts will be explored. The interaction mechanism between the CeO2 nanoplates and supporting metals, and the inherent relationship among the crystal planes and catalytic activity will be established. This research helps to enrich the knowledge of 2D nanomaterials, and provide the theoretical basis for the design and construction of high-efficient CeO2-metal inverse catalysts on the nanometer or atomic scale.

CeO2在汽车尾气净化、水气变换、CO氧化等领域应用前景广阔。调控纳米CeO2形貌和金属负载以提高其催化活性，已成为纳米催化领域的研究热点。本项目拟采用热分解法制备形貌规则的CeO2纳米片，采用XRD、SEM、XAFS等对CeO2的结构、形貌、表面进行表征分析，探究焦磷酸钠、油酸钠等矿化剂对CeO2纳米片形貌的调控规律，揭示其成核及生长机理；然后制备CeO2纳米片-金属(如金、镍、铂、钯等)逆负载型催化剂，以水气变换和CO氧化等为探针反应，采用XPS、H2-TPR等研究其氧化还原性能，探索纳米CeO2形貌、表面晶面及与金属接触界面效应对催化性能的影响，研究纳米CeO2与金属的相互作用机制，揭示纳米CeO2"形貌-晶面-微结构-催化性能"构效关系。该研究有助于丰富二维纳米材料生长知识，为在纳米尺度甚至原子层次上进行实用高效CeO2-金属逆负载型催化剂的设计与构建提供理论依据和指导。

纳米氧化铈材料在汽车尾气催化净化、抛光材料和燃料电池电解质等领域应用前景广阔。单分散小粒径氧化铈纳米（片）材料的合成、形貌调控和催化性能已成为催化领域的研究热点。我们针对这些问题进行了深入的研究，并取得一系列研究成果。首先，研究了氧化铈纳米片的合成与形貌调控，获得了制备正方形和长条形规则形貌二维超薄氧化铈纳米片的最佳原料配比和反应温度、时间等工艺参数，发现了油酸钠和焦磷酸钠在制备过程中起到了矿化剂的作用，显著提高了氧化铈纳米片的产率，缩短了制备时间，获得了厚度为2nm的氧化铈纳米片材料，分散性好、结晶度高、比表面积大，且（100）晶面充分暴露，发现其储氧能力为普通氧化铈纳米材料的3~4倍；研究了二维氧化铈纳米片的成核和生长机理，发现矿化剂的加入加速了原料试剂醋酸铈的热分解速度，晶核小，生长各向异性，原因归结为矿化剂和油酸等的模板作用。其次，将正方形氧化铈纳米片逆负载在Cu树突载体上，对其CO氧化催化性能测试发现，其起燃温度比Cu独自催化时降低了125K，表观活化能为68.34KJ/mol，与Pt催化能力相当，比Cu催化剂的大28%，机理研究认为Cu载体与氧化铈纳米晶互相协作，表面的氧化铈中的氧与Cu反应，使Ce4+还原为Ce3+，Cu氧化成CuO，氧化铈中的氧空位的存在提供了新的反应通道，从而提高了催化剂的整体活性，同时证实氧化铈纳米片的（100）晶面比（111）和（110）晶面活性高，催化反应中表面/晶面效应显著。再次，研究并发明了多种制备单分散小粒径氧化铈纳米材料的方法，如利用油酸铈为原料用热分解法制备正方形超薄氧化铈纳米片的方法，厚度2nm，无需矿化剂；发现用自制氟化铈纳米片与氢氧化钠反应制备六边形氧化铈纳米片的方法，厚度8~10nm，水溶性好；以自制氢氧化锌与硝酸铈水热反应，获得5~8nm超小粒径氧化铈纳米晶。另外，本课题还系统研究了其他稀土氧化物二维纳米片的合成、稀土掺杂陶瓷的制备和发光性能、氧化锌纳米棒和氧化钛纳米带的合成等。