ZrO2介观晶体的控制制备及其负载Au、Cu催化剂的水煤气变换制氢性能研究

Mesocrystals gather the structural properties of polycrystals and singlecrystals, possessing both high-porosity and professionally exposed crystal plane, have received more and more attentions. In this research proposal, we are planning to prepare nanoporous ZrO2 mesocrystals with controlled microstructural properties by a simple and green method, namely controlled hydrolysis of Zr sources under hydrothermal condition. Novel Au and Cu catalysts supported on ZrO2 mesocrystals for water-gas shift reaction will be developed. Particularly, the relationship between the microstructural properties of ZrO2 mesocrystals and the catalytic performance of Au/ZrO2 and Cu/ZrO2 catalysts will be elucidated and the reaction mechanism on these catalysts will be investigated. The implementation of the present proposal can be expected to develop a kind of high-efficiency water-gas shift catalyst for H2 production and guide other researches on the further development of mesocrystal metal oxides in the application of thermocatalysis theoretically and experimentally.

介观晶体集合了多晶和单晶的结构特性，可同时具有丰富的纳米孔道和择优的暴露晶面，已成为新型纳米催化材料的重要研究方向。本项目拟采用水热条件下Zr源强制水解法控制制备具有特定形貌、暴露晶面和孔尺寸的ZrO2介观晶体，研究以其为载体的Au、Cu基催化剂的水煤气变换反应性能，阐明ZrO2介观晶体的微结构与其催化性能之间的关系，确立ZrO2介观晶体与负载金属间的作用机制并建立催化反应机理，以期获得一种新型高效的水煤气变换制氢催化材料，为氧化物介观晶体的合成及其在热催化领域的应用提供理论及实验上的借鉴。

本项目系统研究了ZrO2介观晶体的水热-水解控制制备技术，通过调控水热反应条件、水解控制剂参数、结构导向剂参数、金属离子掺杂参数等制备参数成功制得了系列具有不同形貌特征和微观结构的ZrO2和金属离子改性的ZrO2介观晶体。研究发现ZrO2介观晶体的生长遵循非经典的“取向聚集”机理。借鉴该机理，本项目还成功开发出CeO2、Y2O3及La(OH)3介观晶体的控制制备技术。以ZrO2及其他氧化物介观晶体为载体制备的负载Au或负载Cu催化剂均表现优异的WGS反应制氢催化活性。本项目深入探究了ZrO2和CeO2负载型介晶催化剂的制备-结构-催化性能之间的关系及其上的WGS反应催化机理，明确了该类催化剂上的活性位点结构为Cu-[O]-M（M代表Zr或Ce，[ ]代表氧化物载体的表面氧空位），Cu-[O]-M位点的数量及还原能力是决定相关介晶催化剂性能的两个关键参数。. 项目开展以来共发表相关研究5篇论文，其中SCI收录2篇，EI收录2篇，获得与本项目相关的中国发明专利授权7项。本项目所取得成果可以为Cu/ZrO2 或Cu/CeO2介晶WGS催化剂的后续改进制备和工业应用提供必要的理论和实验支撑，也可以为其他金属氧化物介晶的控制制备及其热催化应用研究提供参考和借鉴。