氧化铈/金属单晶倒载型模型催化剂的制备和表面吸附反应性能的研究

金属/氧化铈催化剂在燃料电池体系中诸如CO 低温氧化，低温水煤气变换等原料气重整净化去除CO 的催化反应过程中有着良好的应用前景。本研究项目拟在超高真空系统中的可控条件下制备出担载在金属单晶表面上具有不同表面结构和组成的氧化铈/金属"倒载型"模型催化剂（inverse model catalyst），通过光电子能谱、低能电子衍射谱、高分辨能量损失谱、程序升温脱附谱、扫描隧道电子显微镜以及基于同步辐射的高分辨光电子能谱等表面表征手段研究其表面结构与电子性质，并利用水煤气变换和CO氧化等探针反应研究该模型表面上的化学吸附反应性能，通过对表面几何电子结构－吸附反应性质的关联，在微观水平上进一步揭示金属氧化物表面结构和金属－氧化物界面在实际催化反应体系中的作用机制，为更好地理解和设计实际催化体系提供一定的理论基础。

氧化铈作为金属催化剂载体和助剂在CO氧化、水煤气变换、汽车尾气净化等催化反应过程中有着广泛地应用。一般说来，金属/氧化铈催化剂的催化性能与氧化铈表面上氧缺陷的结构和浓度、担载金属的种类和结构、金属-氧化铈相互作用等因素密切相关。因此，研究金属－氧化铈界面的结构和吸附性质并对其进行关联，对深入了解催化反应的微观机制有着非常重要的意义。但在实际催化体系中，由于催化剂本身的组成和结构的复杂性，使得在原子分子水平上理解实际催化剂表面的表面吸附物种、相关活性中心、反应中间物种以及金属－载体相互作用等基本催化问题存在一定的困难。在本研究项目中，我们的研究目标着眼于考察氧化铈结构以及氧化铈－金属界面对表面催化反应性能的影响，采用表面化学和模型催化剂的研究理念，选择Cu-CeOx催化体系为研究对象，在超高真空体系中重复可控条件下制备具有不同结构的氧化铈/Cu(111)倒载型模型催化剂，选取水汽变换反应（CO+H2O→CO2+H2）作为模型反应体系，利用X-射线光电子能谱、程序升温脱附谱和低能电子衍射谱等表面分析手段研究探针或反应物分子在以下模型表面的吸附和反应：(1) Cu(111)及CuOx表面；(2) CeO2(111)薄膜；(3)倒载型CeO2/Cu(111)模型体系。我们系统考察了气相原子氢与具有不同结构的CeO2/Cu(111)体系的相互作用和反应，提出了在超高真空系统中制备还原CeO2-x薄膜的新思路。同时，着重考察了O2，H2O和表面羟基的吸附和反应性能与CeO2表面结构尤其是表面氧缺陷浓度和结构之间的关系，获得了上述结构对于调控表面物种种类及反应通道的相关信息。上述结果进一步揭示在实际金属/氧化铈催化体系上催化反应作用的微观机制，对于理解Cu-CeO2体系在实际催化过程中的微观作用机制有着一定的参考意义。目前该项目已在国内外核心刊物发表论文2篇(其中J.Phys Chem. C 一篇， Chin. J. Catal.一篇)，尚有部分结果仍在投稿和整理中，基本完成了预定研究目标。