基于聚合离子液体卡宾结构位置锚定与体系交叉孔道调控的高分散性纳米Pt簇催化剂的构筑及反应性能研究

To realize the effective anchoring-position and dispersion of nano Pt clusters, this project firstly synthesizes the new type of polytriazolium poly(ionic liquid) with hollow sphere structure by molecular design and functional modification. Based on the strong electrostatic interaction between nitrogen atom on the triazole ring of poly ionic liquid and metal ions, the metal ions can be adsorbed and assembled. Afterwards, the nano Pt clusters can be distributed effectively according to the in-situ reduction technology and the formed strong coordination effect from the metal-carbene complex by extracting the proton. On the basis of deposition of mesoporous CeO2, the existed strong interaction between CeO2 and the porous carbon nitrogen material can cross-link their porous structure. Consequently, the CN/nano Pt clusters /CeO2 composite hollow microsphere catalyst with cross pore channels characteristic can be obtained. Using the reaction of cinnamaldehyde selective hydrogenation as a probe one, the intrinsic relationship between the reaction performance and the location, size of Pt cluster and the cross channel structure of the catalyst system is systematically studied. It is vital to investigate the possible mechanism between the unique catalyst preparation method and the location anchoring of nano metal clusters, increased stability and improved dispersion of the nanoclusters. The implementation of this project can provide the innovative design conception of nano metallic catalyst, and develop the new directional-anchoring technology for nano metal clusters, which has potential economic and social benefits.

本项目从实现纳米Pt簇分布位置的有效锚定及提高分散性出发，采用分子设计与功能修饰合成具有空心球结构的新型三唑鎓型离子液体聚合物。利用该聚合物三唑环上氮原子与金属离子间的强静电作用，吸附、聚集金属离子，并根据原位-还原技术与聚合离子液体失质子形成的金属-卡宾结构，定向锚定纳米Pt簇的空间分布。通过表层沉积CeO2，利用其与聚合离子液体热解产物间的相互作用，实现介孔CeO2与多孔碳氮材料间的孔道交联，得到具有交叉孔通道的CN/纳米Pt簇/CeO2复合空心微球催化剂。以肉桂醛选择性加氢反应为探针，深入研究催化剂反应性能与纳米Pt簇分布位置、粒径尺寸以及体系交叉孔道结构间的内在对应关系。明确催化剂的独特制备方法对实现纳米金属簇的位置锚定、提高其稳定性与分散性的作用机制。本项目的实施有助于创新纳米金属催化剂的设计思路，发展纳米金属簇的定向锚定新技术，具有潜在的经济和社会效益。

本项目从提高纳米贵金属团簇的分散性、热稳定性、抑制其在催化剂制备及使用过程中发生的团聚、烧结等现象出发，采用分子设计与功能修饰合成具有空心球结构的新型三唑鎓型离子液体聚合物，从而实现纳米贵金属团簇分布位置的有效锚定。技术层面，为实现贵金属纳米簇空间分布的定向锚定，利用该聚合物三唑环上氮原子与金属离子间的强静电作用，吸附、聚集金属离子，并根据原位-还原技术与聚合离子液体失质子形成的金属-卡宾结构。为实现异相催化性能的放大，利用聚合离子液体热解时产物间的相互作用，实现载体氧化物的表层沉积。制备的介孔载体与多孔碳氮材料间的孔道交联，得到具有交叉孔通道的CN/贵金属纳米簇/金属载体复合空心微球催化剂。并深入研究异相催化剂反应性能与贵金属纳米簇分布位置、粒径尺寸以及体系交叉孔道结构间的内在对应关系。明确催化剂的独特制备方法对实现纳米金属簇的位置锚定、提高其稳定性与分散性的作用机制。进一步地，将前期工作中发现的金属-载体相互作用的效应延伸到CeO2-非贵金属复合材料的设计与催化性能探究；并探究了将化学成分调控空间小、比表面积小的无机物载体调整为有机多孔框架材料，实现了贵金属的有效锚定与分散以及实现了金属-载体相互作用效应的放大。项目的实施促进了纳米金属催化剂的设计、制备新思路，发展了有利于提高金属纳米粒子/簇热稳定性、构建具有独特催化体系结构的新技术，为化学工业及环境保护等领域内的高效催化剂研发提供了新思路，具有潜在的经济和社会效益。