高分散纳米贵金属催化剂的多重界面调控及热稳定性研究

The activity degradation caused by sintering of noble metals has been one of the biggest issues for automobile catalysts to clean emissions. The strong metal-support interaction (SMSI) could be used to stabilize supported precious metal nanoparticles while maintaining their high activity. But it is not clear how to control the SMSI through tailored interface structure of noble metal nanocatalysts. In this project supported noble metal catalysts with multi-interface were designed. The microstructure of multi-interfaces, which are from support-oxide nano-islands, noble metal cluster and porous overcoating layer, will be atomically precise controlled by atomic layer deposition (ALD) technology, through changing the composition, sequence and numbers of ALD cycles. The relationship between the microstructure and electronic properties of multi-interface and the adsorption behavior, catalytic activities and thermal stability of noble metal catalysts for the purification of CO, HC and NO will be investigated in detail. To reveal the relation between SMSI and thermal stability of noble metal catalysts, the impacts on the evolutions of charge transfer, chemical bonding, electronic structures and interaction strength caused by different interfaces will be studied by the method of quantum chemistry calculation. The obtained useful experimental data and theoretical support is of practical importance to provide the rational design of automobile catalysts with high catalytic performance and thermal stability.

贵金属烧结失活是汽车尾气净化催化剂一直以来面临的最严重的问题之一。利用金属-载体强相互作用（SMSI）可以抑制贵金属烧结，但是，贵金属纳米催化剂的界面结构对SMSI的影响规律尚不明确。本项目设计了多重界面调控的纳米贵金属催化剂，拟利用原子层沉积技术（ALD），通过改变沉积组分、沉积顺序、循环次数等参数，在亚纳米尺度层面上精确调控由载体-氧化物纳米岛、贵金属原子簇或纳米粒子和均一多孔的氧化物包覆层构建的多重界面结构，针对界面性质和电子结构对CO、NO等分子在贵金属纳米粒子表面的吸附性能、CO、HC、NO等污染物参与的化学反应活性及贵金属催化剂热稳定性的影响规律展开深入研究。利用量子化学方法对电荷转移，成键方式，相互作用强度的变化以及不同修饰层对贵金属原子簇电子结构的影响进行初步研究，揭示SMSI与贵金属催化剂热稳定性之间的关系，为高性能汽车尾气净化催化剂的设计提供理论依据和数据支持。

利用金属-载体强相互作用（SMSI）可以抑制贵金属烧结。本项目利用原子层沉积技术（ALD）、选择性包覆、浸渍法等方法构筑了具有多重界面结构的贵金属Pt、Pt催化剂，采用不同的老化程序，将Pt和Pd催化剂进行再分散处理，制备高分散Pt、Pd催化剂。其次，对载体及再分散前后的Pt、Pd催化剂利用湿化学法或ALD技术进行氧化物薄层修饰，构建多重界面结构，针对界面性质和电子结构对CO、NO等分子在贵金属纳米粒子表面的吸附性能、CO、HC、NO等污染物参与的化学反应活性及（水）热稳定性的影响规律展开深入研究。.研究结果表明利用葡萄糖为还原剂制备的暴露高活性（110）晶面的Pd纳米颗粒，可有效提高Pd/CeO2催化剂的三效催化活性，对提高贵金属Pd的利用效率，实现贵金属减量具有一定的潜在价值。.核壳结构的催化剂能够使金属-载体界面位点最大化，水蒸气和核壳结构界面的协同效应对提高Pd@CeO2/Al2O3催化剂三效催化活性具有重要的促进作用。.ALD Al2O3层对Pt、Pd催化剂起到了保护的作用。在老化后的Pt/CeO2表面沉积Al2O3后，可以使催化剂得到部分再生。.本项目开发的等离子溅射法，不仅提高了活性金属的利用率，而且将催化剂的制备周期缩短到以“分钟”计甚至以“秒”计，这是传统化学合成方法所无法匹及的。这各种应用领域的催化剂的快速合成提供了一定的指导和借鉴。.