sp3@sp2纳米碳载金属催化剂中金属-载体间相互作用的研究

For the supported metal catalysts, the metal-support interaction plays a vital role in their catalytic application. Nanocarbon materials exhibit excellent physicochemical properties, which render them promising candidates for being employed as catalyst supports. Some previous studies reported that compared with purely sp2-hybridised nanocarbon materials or sp3-hybridised nanodiamond, sp3@sp2 nanocomposites exhibited stronger interaction with the supported metal nanoparticles (NPs), thus changed the nature of active sites and enhanced catalytic performance. At present, however, the metal-support interaction of these sp3@sp2 nanocomposites supported metal catalysts have not been investigated systematically. In this project, we will apply a range of characterization techniques, including high-resolution transmission electron microscopy, diffuse reflectance infrared fourier-transform spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, etc to investigate the microstructure, surface properties and thermal stability of the sp3@sp2 nanocomposites supported metal (Pd, Ru) catalysts, so that the influence of sp3@sp2 nanocomposites support as well as the crystal structure of supported metal on the metal-support interaction will be revealed. Moreover, the structure-performance relationship of the supported metal catalysts will be established in the CO oxidation and C2H2 selective hydrogenation reaction under real reaction conditions with the help of in situ TEM. The results obtained from this project will offer general guidelines and experimental proofs for designing and preparing superior carbon supported metal catalysts with excellent catalytic performance.

对于负载型金属催化剂，金属-载体间相互作用对催化剂性能具有重要影响。纳米碳材料具有独特物理化学性质使其成为了优异的催化剂载体。研究发现，相较于sp2杂化纳米碳材料及sp3杂化纳米金刚石，sp3@sp2纳米碳复合材料与其负载的金属颗粒间的相互作用更强，会显著影响催化剂的微观结构和催化性能。但是目前关于该碳材料与负载金属间的相互作用并没有得到系统研究。本项目以sp3@sp2纳米碳载金属(Pd、Ru)催化剂为研究对象，利用高分辨电镜、漫反射红外光谱、X-射线光电子能谱等方法研究催化剂的微观结构、表面性质以及热稳定性等，揭示sp3@sp2纳米碳载体及其所负载的金属晶体结构对金属-载体间相互作用的影响；并借助原位气体样品杆，利用原位透射电镜研究在CO氧化和C2H2选择性加氢反应中金属-载体间相互作用，通过与催化性能关联，建立催化剂的构效关系。为设计制备催化性能优异的碳载催化剂提供理论指导和实验依据。

负载型金属催化剂是非均相催化领域中一种非常重要的催化剂，其中金属-载体间相互作用显著影响催化剂的催化性能。通常情况下载体表面结构会影响金属-载体间相互作用，从而影响负载的金属颗粒的尺寸、形貌、电子结构以及界面结构等微观结构。纳米金刚石作为一种由sp3杂化碳构成的纳米碳材料既具有纳米碳材料的共性，同时也具有一些自身独特的性质。经过高温焙烧可以得到以金刚石为核、sp2-C层为壳的核壳结构的sp3@sp2复合纳米碳材料。此结构的纳米碳作为载体时，能够显著增强金属-载体间相互作用，并改善催化剂的催化性能，但是目前关于这种复合纳米碳载体和金属之间的相互作用机制还缺乏系统研究。本课题中我们制备了具有不同sp2-C层和表面性质的复合纳米碳载体。用于负载了Pd、Ru贵金属催化剂，通过球差校正透射电子显微镜、近常压X-射线光电子能谱等各种原位/非原位表征技术对不同催化剂中负载的金属物种的尺寸、形貌、电子结构、热稳定性以及其对反应物分子的吸脱附性能等进行了研究，并考察了它们在CO氧化反应的催化性能和催化机制。发现具有较少sp2-C层且表面富含缺陷的复合纳米碳载体能够显著增强两种负载贵金属催化剂中的金属-载体间相互作用，但是对不同贵金属催化CO氧化反应的反应性能的影响却不同。本项目深入系统地研究了sp3@sp2复合纳米碳载体与负载的金属之间的相互作用机制，并建立了相应催化剂的构效关系，可为设计制备合适的载体和高性能的催化剂提供借鉴和理论指导。