选择吸附导向合成CO变换催化剂及其结构优化

Developing water-gas-shift catalysts is meaningful for easing energy crisis and environmental pollution, as well as the realization of efficient utilization of chemical resource. This project aims to develop water-gas-shift catalysts for the high concertration CO. Based on the structural and compositional design, apply the selective adsorption of CO feed gas directed synthesis techniques to synthesize highly active catalytic materials, and to further understanding the interactions between the reactant CO molecules and the surface of the catalysts. In-depth understanding the relationship between the structural properties of the catalysts, such as the composition, crystal structure, size, morphology, microstructure, the surface state and their catalytic properties, such as the activity, stability, and the sulfur resistance; the catalytic mechanism is investigated to elucidate the mechanism of synergy between the various components of the catalyst, and to guide the optimization of the catalyst structure, and to obtain water-gas-shift catalysts with good catalytic activity, stability and sulfur tolerant.

CO的高效转化利用对于缓解能源危机和环境污染、实现化工资源的清洁高效利用具有重要意义。本课题以高效CO变化催化剂为研究目标，以催化剂的组成设计和结构优化为设计思想，利用CO原料气的选择吸附导向合成技术合成出高活性催化材料，深入认识CO等反应物在催化材料表面的相互作用，系统考察对催化剂的化学组成、晶体结构、尺寸形貌、表面状态和微观结构对其活性、稳定性和抗硫性的影响；考察催化剂的催化作用机理；阐明催化剂各组分间的协同作用机理，并以此指导催化剂的结构优化，筛选出具有良好催化活性、耐硫性和稳定性的新型CO变化催化剂。

该项目主要以CO变换催化剂为研究目标，利用CO/H2等原料气小分子的选择吸附导向合成技术合成出高活性催化材料，深入认识CO/H2等反应物在催化材料表面的相互作用，系统考察小分子导向技术对其性能的影响规律，为开发高效CO变换催化剂提供理论指导。项目的主要研究成果如下：.1）利用CO小分子在CeO2不同晶面选择性吸附制备了暴露有不同晶面的CeO2载体材料，并成功构建了具有不同晶面的Au/CeO2水煤气变换催化剂，基于CO小分子导向技术所制备的Au/CeO2催化剂具有更加优异的WGS催化性能。基于原位红外、量化计算等手段对其内在催化机理进行研究，证实了CO小分子选择吸附有利于构建高活性晶面催化剂，从催化材料的生长、催化反应机理等多维度上深入研究了CO小分子导向制备WGS催化剂并优化其催化性能的科学本质，此外，还将CO小分子导向技术扩展到不同形貌纳米材料的制备，扩展了CO小分子导向制备技术的应用范围。.2）基于采用CO小分子调控和优化CeO2形貌结构的成功经验，又选取H2小分子对铈基材料进行表面优化。制备得到了比表面积大、分散性好的CeAl复合氧化物，考察了H2气氛对最终产物CeAl-H2性质的影响。研究表明与传统方法得到的CeAl复合氧化物相比，CeAl-H2表面存在更高比例的氧空位和吸附氧（活性氧物种），从而具有更强的氧迁移和交换能力。负载Au之后，Au/CeAl-H2表面活性物种的比例也高于Au/CeAl，氧化还原能力也更强，催化性能评价证实Au/CeAl-H2具有更优的WGS反应催化活性。将此氢气小分子导向制备技术扩展到CeO2-Fe2O3体系，得到了类似的实验结果：CeO2-Fe2O3-H2具有更加优异的WGS反应活性，证实了氢气小分子调控技术对开发WGS催化剂具有一定的普适性。.3）围绕CO变换反应，基于DFT量化模拟计算等手段研究CeO2基催化材料的晶面效应，采用实验、表征和ＤＦＴ理论计算相结合的方式，系统考察了催化剂形貌、组成对其CO变换性能的影响。对不同CeO2晶面上活性金属物种（Cu）负载行为、小分子H2O吸附和表面羟基化等进行计算模拟，从多个角度探索了CO变换反应中CeO2基材料晶面效应和小分子调控的内在机理。