负载型过渡金属硅化物的化学气相沉积可控制备、表征及其催化性能研究

本项目将开拓具有特定结构和性能的过渡金属硅化物制备新技术，探究过渡金属硅化物的催化性能，揭示此类新催化材料的形态和结构与其催化性能的内在规律性关系。通过设计合成单源金属有机前体，运用化学气相沉积法实现过渡金属硅化物的选控性制备；采用密度泛函理论对过渡金属硅化物的化学气相沉积合成及其在催化反应中的活性中心进行理论模拟，确认制备和催化过程中的控制因素；利用多种原位表征技术弄清过渡金属硅化物的形成机理，实现硅化物的结构和组成等关键参数的可控调变；利用探针分子吸附方法研究过渡金属硅化物的表面催化活性中心；以代表性的重要的选择加氢反应如双烯选择加氢为单烯和烯烃中微量炔烃选择加氢为烯烃等为探针反应，系统地研究过渡金属硅化物的催化性能，揭示过渡金属硅化物的结构和催化性能的有机内在联系。课题的实施将在"分子工程"层面为新型过渡金属硅化物催化材料的合成及在催化领域的应用奠定基础。

非金属硅原子进入过渡金属的晶格导致其晶格的扩展以及金属键长的增加，使得金属d能带收缩和费米能级附近的态密度增大，从而赋予了过渡金属硅合物特殊的物理化学性能。然而传统的过渡金属硅化物通常采用高温冶金方法或物理方法制备得到，其比表面积极低，且制备条件苛刻、过程复杂、难以控制，限制了其作为催化材料的研究和应用。基于此，我们通过金属有机前体和/或硅前体的合理设计，运用金属有机化学气相沉积法实现了过渡金属硅化物包括硅化钴、硅化镍、硅化铁、硅化锰、硅化铂、硅化铜、硅化钯、硅化钌以及硅化钴镍的可控制备；采用原位红外表征技术认识清楚了过渡金属硅化物的化学气相沉积形成机理，实现了硅化物的结构和组成等关键参数的可控调变；利用CO探针分子吸附方法和密度泛函理论研究了过渡金属硅化物的表面的催化活性中心；以芳烃、炔烃、肉桂醛、甲烷化和加氢精制等加氢反应为探针反应，通过与碳化物、磷化物和贵金属催化剂比较研究，发现过渡金属硅化物具有更高的选择加氢性、抗烧结性能、抗硫性和耐CO等特殊的催化性能，用望应用于选择加氢、加氢精制和甲烷化等工业过程。相关的过渡金属硅化物研究被瑞士ETH Zurich的Prins教授（Catal Lett 2012, 142,1413-1436）以及英国Glasgow大学Hargreaves教授（Chem Soc Rev. 2010, 39, 4388-4401）认为是应该进一步探索和发展的重要加氢和氢解催化新材料。本项目从基础研究出发，研究了过渡金属硅化物的可控制备过程，以及在催化加氢反应中的催化作用机理，形成具有知识产权的催化剂和相关技术。课题的实施在"分子工程"层面为新型过渡金属硅化物催化材料的可控制备及其在催化加氢领域的进一步应用奠定了科学基础。发表/接受学术论文15篇，申请/授权专利4件，培养博士和硕士研究生4名。