高分散贵金属纳米催化剂的构建及其催化性能增强机理

Noble metal nanocatalysts exhibit excellent catalytic performances. However, the factors like poor stability and sinter at high temperature have been the bottleneck to the industrial applications of noble metal nanocatalysts. It is important significance to make a breakthrough in controlling the size and dispersion of the noble metal nanoparticles on noble metal nanocatalysts. In this proposal, noble metal nanocatalyst with high dispersion will be fabricated by using argon cold plasma. The cold-plasma-fabrication process is operated at room temperature, and does not use acids, bases, organic reagents and reductants like H2. This proposal will take the catalytic reduction of CO2 (CO2+H2) to test the cold-plasma-fabricated noble metal nanocatalyst. By employing in-situ technology and theoretical calculations, the mechanism on how cold plasma affect the surface properties of the noble metal nanocatalyst, the mechanism of the catalytic reduction of CO2 on the cold-plasma-fabricated noble metal nanocatalyst, and the mechanism of the enhanced performance of the cold-plasma-fabricated noble metal nanocatalyst will be studied experimentally and theoretically in this proposal. These studies will help to achieve a low temperature, controllable and targeted fabrication of noble metal nanocatalyst with high dispersion by using cold plasma. The success of above mentioned research can not only provide a highly efficient noble metal nanocatalyst with high dispersion, but also give theoretical and technical supports for enhancing chemical processes including CO2 conversion.

贵金属纳米催化剂具有优越催化性能。但贵金属纳米颗粒热稳定性差、易团聚的缺陷限制了这类催化剂的应用。在控制贵金属纳米颗粒尺度和分散性方面实现突破，构筑更为高效的贵金属纳米催化剂，对石油化工行业发展意义重大。本申请项目利用冷等离子体，不使用酸、碱、有机溶剂，不使用H2等还原剂，只以氩气作为冷等离子体引发气体，在室温下，构建高分散贵金属纳米催化剂。本申请项目将以CO2催化还原反应（CO2+H2）为探针，利用原位红外等实验技术与密度泛函理论计算相结合的方式，研究冷等离子体运行条件对贵金属纳米催化剂表界面性质的影响机理，分析贵金属纳米催化剂上CO2催化还原反应机理，解析冷等离子体构建的贵金属纳米催化剂催化性能增强机理。最终实现利用冷等离子体低温、可控、定向制备高分散贵金属纳米催化剂。本项目的实施将为CO2转化等石油化工过程强化提供高效、高分散贵金属纳米催化剂，并提供理论和技术支撑。

贵金属纳米催化剂具有优越催化性能，被广泛应用于CO2转化、CH4重整、合成气转化等石油化工过程中。然而，贵金属纳米颗粒热稳定性差、易团聚的缺陷始终是限制这类催化剂应用的瓶颈之一。在控制贵金属纳米颗粒尺度和分散性方面实现突破，构筑出更为高效的贵金属纳米催化剂，对石油化工行业的发展，意义重大。通过本项目的实施，我们利用冷等离子体技术协同苯丙氨酸分子自组装，在室温条件下，实现了对贵金属纳米颗粒尺度、形貌、分散性、组成、晶面、晶型等物理化学性质的可控调变，建立了冷等离子体操作特性与贵金属纳米催化剂表界面性质间的定量关系；我们在实验中建立原位在线检测系统，并结合密度泛函理论计算，系统阐述了贵金属纳米催化剂表界面性质影响催化剂与CO2等反应物之间的电子传递特性进而影响CO2等反应物吸附与转化的机制；我们发现通过调控贵金属纳米颗粒的尺度、形貌、分散性、组成、晶面、晶型等可有效强化电子由贵金属纳米催化剂向CO2等反应物的传递进而促进催化转化效率的机理；在此基础上，我们实现了高效贵金属纳米催化剂的室温可控定制。利用上述研究成果，我们以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.、Appl. Catal. B等国际重要学术期刊发表SCI英文论文10篇（其中有1篇论文被选为Front Cover、1篇为ESI高被引论文），另以合作作者参与发表SCI英文论文5篇，论文被他引200余次；申请专利6项，已授权2项；获得了天津市自然科学三等奖（排名第3，2017年）、B. Eliasson Award（2018年，国际等离子体领域重要奖项，每两年颁发一次，每次授予一人）、Williams Crooks Award（2018年，国际等离子体领域重要奖项，首位获此殊荣的大陆学者）等。