新型纳米结构催化剂在能源转化过程中的应用

纳米催化材料的结构和催化性能的研究是当前纳米催化和材料科学领域共同的研究热点。"纳米孔道中的限域效应"、"催化材料的形貌效应"、"异相结与异质结光催化剂"等是中科院大连化物所催化基础国家重点实验室近年来提出的设计和制备催化剂的新概念，并用于改造传统的催化剂。这些新型纳米结构的催化材料在合成气的高效定向转化、低碳醇醚的催化转化、光催化制氢等与能源密切相关的过程中表现出优良的催化性能。本项目拟在此基础上将上述概念拓宽至其它纳米复合型催化剂或具有特定结构的体系，结合理论计算和现代表征技术，在分子/原子层次上探索催化剂表面物理化学性质与反应性能之间的内在规律，加深对这些纳米催化体系作用机制的的认识。据此，可望形成具有原始创新性的催化剂设计和制备方法，研制出具备独特作用的高效纳米催化剂体系，对提高能源效率、开发能源转化新途径具有重要的科学意义和应用价值。

纳米催化材料的结构和催化性能的研究是当前纳米催化和材料科学领域共同的研究热点。“纳米孔道中的限域效应”、“催化材料的形貌效应”、“异相结/异质结光催化剂”都是中科院大连化物所催化基础国家重点实验室近年来在纳米催化领域的重点研究内容，用上述纳米催化剂设计概念改造传统的催化剂对一系列反应也表现出优良的催化性能。在此基础上将此概念拓宽至其它纳米催化剂体系，结合理论计算和现代表征技术，从分子、原子层次上加深对这些催化剂体系的认识是本项目的特色。在项目执行期间，在以下四个方向开展了相关研究，①纳米结构碳材料的催化特性（限域效应）。采用溶剂热法和高温真空蒸发法合成了氮掺杂石墨烯及石墨烯材料的宏量制备，在合成气直接转化制低碳烯烃及直接电催化氧还原反应表现出优异的催化性能；所合成的豆荚状Fe/CNT催化剂，在H2-O2燃料电池中表现出优异的催化活性和稳定性；发展了一系列的纳米孔道封装和选择性刻蚀技术，制备了具有碱性核、酸性壳的yolk-shell型纳米反应器，并把Co(III)(Salen)、脂肪酶Lipase等有机分子封装到纳米笼中，大幅提高了催化剂在目标反应中的催化活性。②金属氧化物催化剂的尺寸和形貌效应。发展了一系列控制氧化物纳米材料尺寸、形貌和晶相的合成新方法，在暴露{110}和{001}晶面的γ-Fe2O3纳米棒上实现了NH3-SCR反应的高活性，在CeO2和La2O3纳米棒催化剂上分别实现了Au和Cu纳米粒子的取向落位，并利用气氛电镜技术跟踪了催化剂在反应气氛下的动态行为；构建了MOx(Fe, Ni)/Au、Cu@Pt-Fe/CB、Au-N/SiO2等催化剂体系，发现Pt表面的界面限域效应可稳定亚稳态的FeO双层纳米结构，深化了对界面限域的纳米氧化物催化体系的认识。③异相结/异质结纳米结构光催化剂。通过对催化剂微观结构的精细调变，构筑了Ga2O3表面异相结和La，Cr共掺杂且对可见光响应的SrTiO3催化剂，促进了电子空穴分离过程，从而大大提高了光催化的活性。④理论催化的新方法。阐述了Co的晶相结构和Pt-Co合金结构对CO活化能力的影响规律，并提出甲酰基或是FT合成反应中碳链增长的重要中间体；结合多种原位表征技术阐明了金属-氧化物界面上CO氧化反应的活性相和Rh(111)模型催化剂表面上石墨烯的生长机制；建立了催化剂烧结和分解的一般性理论及动力学方程。