铈基催化剂上甲醛催化氧化的密度泛函理论研究

消除室内甲醛污染是重要的环保课题，金属负载的铈基催化剂可在较低的温度下将甲醛完全氧化，是重要的甲醛污染消除方法之一。实验研究表明金属、金属与载体间相互作用对甲醛氧化具有重要作用，但仅从实验的角度较难说明其对甲醛氧化的催化作用及电子机制。作为实验研究的有益补充，密度泛函理论方法可通过设计合理的模型催化剂，从理论上研究载体、金属、金属与载体间相互作用对甲醛氧化的影响，并可获得基元反应的动力学信息。本项目拟利用密度泛函理论，选择较高活性的金铈催化剂体系，通过研究甲醛在Au团簇及平板模型上的吸附反应行为，认识金属Au对甲醛氧化的催化作用；重点研究Au与CeO2载体间不同作用方式(负载型与取代型)对甲醛吸附、O2活化与循环、甲醛氧化反应动力学的影响，分析其对甲醛催化氧化作用的异同及其电子机制，为开发低温高效甲醛氧化催化剂提供理论参考。

消除室内甲醛污染是重要的环保课题。CeO2负载贵金属的铈基催化剂可通过催化燃烧将甲醛氧化为CO2与水，是重要的甲醛污染消除方法之一。系统研究催化剂中载体、金属、金属在载体上的结构及其相互作用对加深甲醛氧化反应机理、开发低温高效催化剂具有重要意义。本课题将这一问题分解为探针分子O2、CO与甲醛在载体，金属团簇、平台及台阶面，金属负载型催化剂，金属掺杂型催化剂上的吸附、活化与反应四部分。利用密度泛函理论方法，从理论上系统研究了载体、金属、金属在载体上的结构及其相互作用对CO与甲醛催化氧化的影响，阐明了载体、金属及其相互作用对甲醛氧化的作用，取得以下成果：.从微观电子、理论红外频率的角度验证了超氧物种的存在，超氧具有较高的低温催化活性，随着温度的升高，超氧发生迁移形成过氧物种；系统研究了不同氧物种(分子氧O2、表面O2-、O2吸附在表面及次表面氧空位形成的O2/Ov、O2/Osub)、氧空位（表面与次表面氧空位）对CO、CH2O的吸附与催化氧化作用，提出了CO与甲醛的氧化反应机理；揭示了金属Au配位数、模型带电性质等因素对甲醛、O2吸附与氧化反应的催化作用；提出了一种金属团簇在金属氧化物表面吸附的初始结构的构建方法。利用该方法，系统研究了不同大小的Au团簇(x=1~10)在计量的与部分还原的CeO2(111)表面的结构，从理论上建立了负载型Aux/CeO2模型催化剂。并系统计算了CO、O2、甲醛在负载型Au/CeO2、Au9/CeO2模型催化剂上的吸附行为，O2的吸附、活化及氧物种的循环，提出了金团簇负载的铈基催化剂的活性中心在金团簇与CeO2(111)表内的相接处界面的观点。系统研究了CO与甲醛在AuxCe1-xO2-δ模型催化剂上的吸附与反应行为，比较了Au与CeO2载体间不同作用方式(负载型与取代型)对甲醛吸附、O2活化与循环、甲醛氧化反应影响的异同及电子机制，为开发低温高效甲醛氧化催化剂提供了重要理论参考。