氢氧直接合成过氧化氢的Pd基核壳结构催化剂基础研究

The effect of the synergistic reaction of the chemical properties of active component and the physical chemical properties of porous supports of Pd core-shell catalysts on its catalytic performance for the direct formation of H2O2, and this researchs belong to the region of surface science and porous materials molecular engineering. It's main concern the characterization and modification of the crystal size and morphology of active components, the pore structure and surface chemical properties of the porous supports, and determing the relationship between the selective/stability of H2O2 and the properties of active conponents and porous support. The influence rule of the synergistic reaction of active conponents and supports on the adsorption ability of H2 and O2, as well as the stability of H2O2 were measured in this work. Moreover, the laboratory methods should be combined with simulation, to develop novel regulation and control technology for the crystal properties of active component, and surface modification technology for the porous supports, and prepare novel Pd core-shell catalysts. A new process for direct synthesis of H2O2 using H2 and O2 was developed based on the novel catalysts, which will improve the selectivity and stability of H2O2 during the process. It also has important scientific significance and industrial prospects.

项目建议研究Pd基核壳结构催化材料的核层活性组分晶体化学性质与壳层多孔载体物化性质的协同作用对氢氧直接合成过氧化氢（H2O2）选择性及稳定性的影响，属于表面科学与多孔材料分子工程的研究领域。主要涉及到活性组分晶体晶型、种类、颗粒尺寸、及多孔载体孔结构、表面化学性质进行表征和修饰，测定H2O2选择性、稳定性与活性组分性质及孔结构的内在关系。从理论层面上，研究催化剂活性组分晶体晶型、种类、颗粒尺寸及分散度与多孔载体孔结构分布与表面化学性质的协同作用对H2、O2的吸附力、反应活性及H2O2的稳定性的影响规律。从技术层面上，将模拟与实验进行结合，研制新的活性组分晶体性质调控技术和表面化学修饰技术，来制备新型氢氧直接合成H2O2的Pd基核壳结构催化材料，研制相应的合成过程。项目成果将为解决H2O2直接合成的选择性和稳定性较低的难题提供新理论和技术基础，项目具有重要的科学意义和实用化前景。

项目设计并合成以Pd为核、SiO2为壳的核壳结构催化剂Pdx@SiO2，以Pd为核、炭C为壳的中空核壳结构催化剂Pdx@HSC。系统研究了核层活性组分Pd价态、颗粒尺寸、分散度、晶体晶面形貌与壳层多孔载体孔道结构、表面化学性质、壳层厚度及其协同作用对H2、O2等的吸附力、反应活性及H2O2稳定性的影响，获得了催化剂Pd核晶型晶面、壳层结构可控的核壳结构催化剂制备工艺。项目完成规定的全部任务，取得的主要进展和成果有：(1)利用密度泛函理论研究活性组分Pd不同晶面Pd(111)、Pd(110)、Pd(100)的电子特性，利用分子动力学方法以及蒙特卡罗方法研究不同晶面上各物质的吸附性能、晶面能量。确定Pd(111)晶面较其他晶面具有最大电子密度，最小晶面能量，故有较好催化性能和较高的稳定性。(2)调控制备了以Pd(100)晶面为主的立方体Pd纳米粒子、以Pd(111)晶面为主的八面体Pd纳米粒子； Pd纳米粒子尺寸范围为6.24±1.09～9.02±2.63nm，确定氢氧直接合成过氧化氢性能与晶体结构与颗粒尺寸的内在关系。(3)掌握核层晶体形貌、粒子尺寸与壳层多孔材料的孔道尺寸及孔容、表面化学性质对H2O2合成选择性及稳定性的协同作用影响。(4)通过在多孔载体表面置入化学基团或离子，改变催化剂对H2、O2的吸附力及吸附量，掌握壳层表面化学性质和孔结构与H2O2合成选择性及稳定性的构效关系：(5)设计并合成以Pd为核，SiO2为壳核壳结构催化剂(Pdx@SiO2、PdKBr@SiO2)：Pd平均颗粒尺寸为6.9～9.3nm，SBET为23～31m2/g，Vmes为0.15～0.31cm3/g，PdKBr@SiO2合成H2O2选择性和产能达到98%和716 mmol/g Pd-1∙h-1。(6)合成了以Pd为核，炭C为壳的中空核壳结构催化剂（Pd@HSC和PdKBr@HSC），催化剂平均粒径70 nm左右，壳层平均厚度为7～7.9nm，SBET为507～620m2/g，Vmes为1.6～2.32cm3/g；Pd@HSC和PdKBr@HSC合成PdKBr@SiO2合成H2O2选择性分别是72%和86%，产能分别是1711mmol/gPd-1∙h-1和2014mmol/gPd-1∙h-1。