贵金属负载纳米催化材料的调控合成与性能研究

Supported noble metal catalyst is the key in the field of heterogeneous catalysis and chemical reaction engineering. This application focuses on the synthesis of novel supported catalyst through the assembly of well defined (including morphology, size and crystal surface) monodisperse nanocrystals of active component and supported component precursor, and their applications in catalysis aiming at the catalytic reactions with important industrial background, such as ethylene epoxidation. With optimization of the synthesis process, monodisperse nanocrystals with controlled size and preferential crystal surfaces will be fabricated. The relationship between catalytic activities and microstructures (size/crystal surface) of catalyst will be investigated in order to deeply understand the "crystal plane effect" of the catalyst combining the micro-structural characterization, probe catalytic reaction and theoretical calculation. High active structure will also be determined. The loading of noble metals on the support materials will be achieved through a bottom-up self assembly process. The pore size and surface electrical properties in the final mesoporous catalyst could be adjusted by optimization of the assembly process. All these will lead to directional design and synthesis of novel highly active catalysts, which provides inorganic functional nanomaterials with new solution in the application of catalysis.

贵金属负载催化剂是许多石油化工过程的关键催化剂，受到材料、催化工作者的广泛关注。申请人拟针对有实用价值的工业催化反应，如烯烃环氧化反应，围绕以单分散纳米晶为基础的负载催化剂设计制备及催化性能开展研究工作。通过具有不同优势晶面单分散纳米粒子的可控合成、微观结构表征及对其探针催化反应研究，结合理论计算，探索材料晶面对其催化性能的影响，力图从微观上进一步理解催化剂"晶面效应"的本质，确定材料的高活性晶面和优势结构。在此基础上，采用可控自组装过程实现活性组分在载体纳米晶上的负载。并通过反应过程的优化，实现催化剂孔径、表面电性的调控。力图从介观和微观双尺度层面剖析影响催化活性的因素，探讨催化活性与材料结构之间的关系，为最终实现高效、稳定的纳米催化剂的工业化应用奠定基础。

贵金属负载催化剂是许多石油化工过程以及高效能源转换器件中的关键催化剂，设计制备高活性、高稳定、价格低廉的催化剂是当前催化领域研究的重要任务之一。本项目在国家自然科学基金的支持下，围绕着“贵金属负载纳米催化材料的结构设计、调控合成和性能研究”的课题内容，针对有实用价值的工业催化及电催化反应，如烯烃环氧化反应、燃料电池中的氧还原反应等，以提高催化剂的活性、选择性、稳定性以及减少贵金属的负载量为目标，开展了一系列研究工作，从宏观、介观、微观等多尺度层面上的调控实现了贵金属负载纳米催化剂的高选择性、高活性、高稳定性的统一。.1.围绕以单分散纳米晶为基础的负载催化剂设计制备及催化性能开展研究工作。通过溶剂热法成功获得了组分和形貌可调的Au、Pt、Pd、Ir及其合金IrCo、PdCo等枝晶材料。发展了二氧化钛、稀土钒酸盐等单分散纳米晶的制备方法。发展了以单分散纳米晶为构建基元的负载催化剂的制备方法。.2. 围绕高比表面积的催化剂载体的控制合成及其结构对催化剂性能的影响开展了一系列研究工作。将具有大比表面积、多孔隙率的纳米阵列作为载体制备负载型催化剂，实现催化剂的结构化。先后获得了铁系氧化物纳米阵列、多层级金属氧化物纳米阵列、金属有机骨架纳米阵列等多种材料，研究了纳米阵列的形貌、比表面、孔隙率调控方法。以烯烃氧化、电催化析氧等反应为探针反应研究了阵列式催化剂的催化性能。.3.将具有超高比表面积的MOFs材料引入贵金属纳米颗粒催化剂的结构设计中，通过MOF材料孔道的限制作用，实现催化反应的选择性，同时提高了活性物质的稳定性。通过对MOFs晶体的生长过程调控，获得了纳米尺寸MOF晶体、多壳层MOF、等级孔MOF等一系列高性能的催化剂载体。以烯烃加氢、苯乙烯氧化、对硝基苯酚还原等重要的催化反应为探针研究了其催化性能。研究了MOF的尺寸、孔结构对其催化性能的影响。通过调控贵金属纳米晶在MOF中的位置，实现了在保持催化选择性的同时催化活性的提高。. 项目执行期间，先后在Nature Commun.、Nano Energy、Chem. Mater.等高水平的国际学术期刊接收或发表SCI论文16篇，申请专利4项。