高活性纳米复合物(Au-MOx)@m-SiO2介孔核壳结构的合成及其在高温氧化中的催化和抗烧结性研究

Supported nano-sized gold show marvelous catalytic activity in many organic reactions. However, the agglomeration of Au nanoparticles during reaction often leads to the deactivation of Au catalyst. This made it one of the most focused area to prevent the Au nanoparticles from sintering, and retain its catalytic acitivity and selectivity. In this work, it is proposed to carry out the synthesis, characterization, catalytic and mechanismic study of a new system of catalysts, to explore the preparation of (Au-MOx)@m-SiO2 core-shell structure with mesoporous SiO2 shell and pre-synthesized Au-MOx nanocomposite core which contains strong metal- support interaction. The work will also study the influence of metal oxide selection on preparation of nanocomposite structures, investigate the influence of organic template selection on mesoporous shell formation and encapsulation over Au-MOx core, understand how the structure, catalytic activity and stability of mono-dispersed (Au-MOx)@m-SiO2 are influenced by synthetic parameters such as reaction temperature, support, shell thickness and mesoporous channel. By doing so, we will make a stand point in understanding the catalyst active sites, reaction mechanism and anti-sintering mechanism in core-shell structure, especially for reactions carried out at high-temperatures. The study will have great scientific impact on developing new and efficent anti-sintering Au structures, expandig the application area of nano gold, and exploring all kinds of promoter-Au catalysts.

负载型纳米金因其对多种有机反应具有很高的催化活性而备受关注，但反应中的烧结团聚导致其失活极大限制了它的应用。如何阻止纳米金颗粒的团聚保持较高的催化活性和选择性是近来国际上最关注的研究内容之一。本课题拟结合新型催化剂的合成、表征、催化反应和和机理研究等内容，探索以含有金属-氧化物强相互作用的Au-MOx纳米复合物为核、以具有介孔通道的氧化硅为壳的(Au-MOx)@m-SiO2结构的合成，考察金属氧化物的选择对合成纳米复合物的影响，研究不同的表面活性剂对介孔氧化硅壳层的形成以及对纳米复合物核的包裹形态的影响，考察温度、载体、壳层厚度和介孔通道等因素对处于单分散状态下(Au-MOx)@m-SiO2结构、催化活性和稳定性的影响，为阐明核壳结构下催化活性位、反应机理和抗烧结机制奠定基础。本项目对开发新型纳米金抗烧结结构、拓展纳米金的应用范围、探索以此为基础的各种助剂-纳米金催化剂等方面具有重要意义。

本项目针对新型催化剂的合成、表征、催化反应和机理研究等内容，选择贵金属和贵金属合金纳米颗粒（MM’）、含有金属-氧化物强相互作用（SMSI）的贵金属-氧化物纳米复合物（M-M’Ox）、以及具有介孔包裹核壳结构的纳米反应器（M-M’Ox@SiO2）的合成作为研究重点，考察金属的选择、金属氧化物的选择与核壳结构的结合对合成的纳米复合物及纳米反应器的性能影响。项目实施中合成了一系列纳米颗粒，包括AuPd，AuPdO，Au-Fe3O4，Au-Fe2O3，PdSn，PdSnOx，PdZn，PdZnOx，IrCo，IrCoOx，发展出可控制备以上纳米复合物的新方法，能够精确控制目标复合物的粒径、形貌，制得的纳米复合物含有较强的金属-氧化物相互作用。并基于以上结果合成了一系列具有核壳结构的纳米颗粒，包括Ru@SiO2，AuPd@SiO2，AuPdO@SiO2，Au-Fe3O4@SiO2，Au-Fe2O3@SiO2，IrCo@SiO2，IrCoOx@SiO2，形成的壳层具有可调控的介孔通道和壳层厚度。将制备的纳米复合物及纳米反应器作为催化剂应用到一氧化碳氧化反应、二氧化碳加氢还原反应和对氯硝基苯的加氢反应，探索了多种催化条件下各种结构和化学组分对催化性能的影响。实验结果证明，在引入金属-氧化物强相互作用和介孔核壳结构后，这两种限域作用的叠加会对催化剂的性能进行显著的提升，催化剂在活性、选择性、抗烧结性和耐久性上表现出明显的改进。本项目的工作，为纳米催化剂的合成与催化机理研究提供了丰富的案例和理论支持，并对开发应用型催化剂以达到部分取代现有的贵金属催化剂，有效降低成本具有重要的应用价值和科学意义。