单原子金催化剂的可控制备及其结构与催化性能研究

Due to the unique physical and chemical properties of gold microscopic particles, the efficiencies of many chemical reactions are improved remarkably. However, high price and low structural stability at microscale have always been the main obstacles of gold catalysts for wide application. This project aims at the important scientific issues on rational design and controllable synthesis of gold catalysts with the hope of meeting demands for their applications in chemical industry.Various methods and gold precursors will be adopted for direct synthesis of monodispersed single-atom gold catalysts based upon the preparation of nano-carriers with specific size, shape, and surface property. Further, the law of interaction between single-atom gold and the carrier surface will be obtained by characterization and analysis of microstructure of the materials prepared. Meanwhile, the mechanisms about the formation/change of single-atom gold on carrier surfaces and the corresponding catalytic reactions will be eventually revealed at atom- and electron-level by a combination of experimental characterization, performance evaluation, and theoretical calculation. Thus, the implementation of this project will provide theoretical and experimental guidances for scientific design and synthesis of single-atom metals catalysts.

由于金微观粒子独特的物理化学属性，诸多化学反应过程的效率得以显著的提高。然而，价格昂贵而且微观尺度下结构稳定性差等特点，一直以来都是金催化剂推广应用的主要障碍。本项目瞄准当前金催化剂合理设计与可控合成所面临的重要科学问题，以其在化工领域中面临的应用要求为导向，拟选取多种合成方法与金前驱体，在特定尺寸、形貌及表面特性的纳米化载体制备基础上，直接合成出均一分散的单原子金负载型催化剂，并通过对材料微观结构的表征分析，获得单原子金与载体表面间的相互作用规律；与此同时，项目拟通过实验表征、性能测试与理论计算相结合的方式，最终从原子和电子层次上揭示单原子金在载体表面的形成/变化规律以及相应的催化作用原理。项目的实施将为科学地设计和合成单原子金属催化剂提供理论与实验指导。

由于金微观粒子独特的物理化学属性，诸多化学反应过程的效率得以显著的提高。然而，价格昂贵而且微观尺度下结构稳定性差等特点，一直以来都是金催化剂推广应用的主要障碍。本项目采用水热合成法，成功合成出不同形貌和尺寸的氢氧化钴和氢氧化镧，进而通过焙烧处理获得多孔薄片状/花球状/立方状的四氧化三钴和球状/短棒状的氧化镧。在制备的四氧化三钴和氧化镧基础上进行筛选，最终选定立方状四氧化三钴，并利用浸渍法成功制备出高分散的纳米金催化剂。开发的立方状四氧化三钴负载的纳米金催化剂具有优异的对硝基苯酚加氢活性（TOF = 9.83 min-1）及稳定性（循环利用 5 次催化活性没有下降）。因此，在对硝基苯酚加氢还原反应中具有良好的应用前景。而四氧化三钴与金纳米颗粒之间的强互相作用是催化剂获得高活性的主要原因。