稀土复合氧化物负载钯催化剂的制备及甲烷催化燃烧反应的研究

能源和环境是制约我国社会可持续发展的两个重要因素，迫切需要开发利用清洁能源和能源利用新技术，以提高能源利用效率，并从源头消除对环境的污染。本项目以天然气、煤层气等的高效利用为背景，以甲烷催化燃烧为应用目标，从调控稀土复合氧化物的结构和表面性质入手，发展和构建基于稀土复合氧化物的负载型Pd催化剂体系，实现甲烷的高效催化燃烧。揭示稀土（复合）氧化物对贵金属Pd表面性质的修饰与调控机理，建立稀土复合贵金属催化剂的组成-结构-反应活性-稳定性之间的构效关系。拓展具有特定结构和功能的催化活性位的构筑和制备方法，发展贵金属高分散的负载技术，在提高催化剂活性的同时，增强催化剂的稳定性，并降低贵金属的用量，为制备出高活性、高稳定性、低贵金属含量的甲烷催化燃烧催化剂提供基础。预计发表高水平的研究论文8~10篇，培养研究生4~6名，申请专利3~4项。

本项目以天然气、煤层气等的高效利用为背景，以甲烷催化燃烧为主要研究目标，同时开展了一氧化碳和丙烷等催化燃烧的研究。项目从调控稀土复合氧化物的结构和表面性质入手，通过研究稀土（复合）氧化物对贵金属Pd表面性质的修饰与调控机理，建立了稀土复合贵金属催化剂的组成-结构-反应性能之间的构效关系，为制备出高性能的甲烷等催化燃烧催化剂提供了基础。项目获得以下研究成果：.（1）CeO2基氧化物催化剂上甲烷催化燃烧的活性与其表面氧空穴的浓度密切相关。适量过渡金属M（M = Cu、Mn、Fe、Co 和Ni）的掺杂可显著提高CeO2上氧空穴的浓度，提高氧的活化和迁移能力，进而增强了甲烷催化燃烧的活性。.（2）对高浓度甲烷的催化燃烧（30%CH4-6%O2-Ar），LaCoO3具有优异的活性和稳定性。同时LaCoO3在反应过程中，其结构随着温度和反应时间在LaCoO3、La2CoO4和Co/La2O3之间进行相互转化，并表现出不同的反应机理。.（3）提出了在足够CO吸附的前提下，降低CO的吸附强度，同时增强催化剂对O2的活化能力，来提高氧化物催化剂的CO氧化性能的思路，并结合理论模拟，提出了掺杂离子的选择策略。以Co3O4为例，通过CeO2、Bi2O3、In2O3等的修饰显著提高了CO氧化的活性，其中25 wt.% In2O3-Co3O4样品可以在-105 oC的条件下实现CO的全转化，同时其稳定性显著提高。.（4）通过调变贵金属（Pd、Ir）周围的化学环境，可影响反应物的吸附态，继而调节其反应性能。不同形貌的CeO2（纳米棒、立方体和八面体）因其暴露的晶面不同，影响了Pd物种的存在状态，对CO和C3H8的催化燃烧表现出相反的影响规律。对于相同形貌的CeO2，也可通过采用不同的还原剂来调节Pd的存在状态（颗粒的尺寸，化学状态等），进而影响其甲烷催化燃烧的反应活性。.（5）以H-ZSM-5为载体，制备了负载Pt、Pd催化剂，CeO2的引入不仅有利于Pd的分散，同时由于Pd- CeO2之间的强相互作用，促进电子从Pd向CeO2的迁移，导致更多Ce3+和氧空穴的存在，使Pd以高氧化态的形式存在，表现出更优异的C3H8催化燃烧性能。.项目发表文章11篇，申请专利8项，相关研究成果获上海市技术发明一等奖（排名第3）。