伽马氧化铝高能晶面调控的高性能催化剂创制

Gamma alumina is the most extensively used catalytic material. The exposed facets of conventional gamma alumina are mostly (110) and (100), while in principle, the (111) surface is associated with higher energy and stronger acidity. Therefore, innovation of gamma alumina with prefered (111) facet leads to a variety of new possibilities in catalysis. By using carboxylic acid surfactants to control the surface structure, the applicants’ group has shown that assemblies of boehmite (AlOOH) nanosized precursors result in nanorods which can be turned to a new type of gamma alumina material mostly exposing high energy (111) surface with excellent catalytic performances. On the basis of these results, this project focuses on the investigations of the structural details in the assembly of boehmites and the following transformation to gamma alumina, as well as the effects of the preparation conditions on the preferred exposing facets, in order to develop methods for mass productions of this new material. New approaches will also be established to characterize the electronic and structural details of the hydroxyl groups, aluminum and oxygen species, as well as the interactions between the alumina support and the dispersed noble metal/metal oxide active species on the (111) high energy surface, aiming to fabricate new high performance catalysts for the applications in catalytic hydrogenation and conversion of syngas to ethylene glycol. With the information extracted in this study, the applicants will be able to advance the related catalytic technology and accelerate China’s transition to a high-efficiency, low carbon economy, and discover new catalytic reactions.

伽马氧化铝是应用极广泛的催化材料。传统伽马氧化铝表面主要为(110)及(100)晶面，而理论上其(111)面表面能更高、酸性更强，如能使其以(111)为主要暴露晶面，将可能从经典材料中获得不同于传统的新型催化材料。本项目组的前期工作将软水铝石纳米前体组装成纳米管形貌，并通过羧酸型表面活性剂控制其表面结构，继而转化成表面主要为(111)面的新型伽马氧化铝，该材料性能出色。本申请立意在前期基础上，细致研究软水铝石纳米粒子的组装与随后的结构转化及制备条件对伽马氧化铝（111）晶面暴露的影响，突破该材料的规模制备技术。发展方法进一步把握该高能晶面的羟基、电荷以及表面配位等性质，表征其与分散其上的金属、金属氧化物等活性组分的调控作用情况，构造新型高性能催化剂，重点研究其在选择加氢、合成气转化制乙二醇等反应中的催化性能，亦可望推动其他相关催化过程的高效与低排放技术进步，促进发现新催化反应。

本项目计划研究目标包括：① 掌握以（111）晶面为主要表面的伽马氧化铝新材料的理论及实验制备方法。② 探索该材料的表面性质，包括结构与酸碱性，研究金属及氧化物等在其上分散的结构问题，了解氧化铝高能晶面对负载其上的金属及金属氧化物的影响。③ 重点研究该材料作为催化剂、催化剂载体的结构与电子性质。④ 研究上述新催化材料在重要催化反应中的应用。经过三年多的研究工作，基本完成上述所有研究目标，包括发表论文与申请专利。. 研究内容包括：获得了一种以高能（111）面为主要暴露晶面的γ-Al2O3-(111)新材料，包括优化的材料制备方法、结构表征与基本性能研究工作；发现高能晶面氧化铝与负载金属之间的作用要强于普通氧化铝，该作用有利于金属的分散，并获得更正的表面电性，对该金属中心的催化性能产生巨大的影响，发现氧化铝载体负载氧化物作为加氢催化剂时独特的晶面效应，如 CrOx/γ-Al2O3氧化物加氢催化剂中，以（110）面为主的氧化铝为载体时，催化剂性能优异，而在TiOx/γ-Al2O3氧化物加氢催化剂中，以（111）面为主的氧化铝为载体的催化剂性能优异，通过表征进行了合理的解释。研究了不同晶面氧化铝材料与氧化铈组成的纳米复合载体上铜与镍离子的自发空间分散，可望为使用不同活性中心构造空间配合的复合催化剂创造新的方法。在规模合成与向应用转化方面，还有所突破，已经向企业转移合成技术并完成公斤级扩试，产品质量合格。正在设计百公斤以至吨级合成装置与过程。