掺杂纳米氧化物的设计、制备及催化机理研究

In view of superiority for resource of rare earth and comprehensive ecological improvement in China,we intend to, carried out a study on catalysts of doped nano-CeO2 as a representative oxide with various morphology based on the research of the applicants. Althougth a little was reported on anion-doped nano-CeO2,we had synthesized N-doped nano-CeO2 in our recent study. From the perspective of solid state chemistry, considering stability of crystalline structure and chemical bond, a ratio of cation radius (r) and anion radius: r(Ce4+)/r(O2-) ≥ 0.732 is the best. Actully, this ratio is 0.703 in CeO2. The question is: r(Ce4+)/r(O2-)≥ or ≤ 0.703 is the best? From the perspective of catalysis, we hope that nano-CeO2 is not stable enough so that a disproportionated reaction to produce oxygen may continously occur. Therefore, how to coordinate the optimization of the stability of the crystal structure and catalytic properties is a core scientific problem to be solved. In this application, we will synthesize nano-CeO2 with various ionic mismatch ratio by solvothermal method. And finally we hope to perfect and understand the in-depth relationship between theory of solid-state chemistry, synthesis chemistry and catalytic reactions by investigation of degradation of organic pollutants. As a result, some theory evidence could be found in application of nano-CeO2 in comprehensive ecological improvement.

基于我国稀土资源优势和环境治理压力，结合申请人的研究积累，本项目拟以CeO2为代表，开展用于催化领域不同形貌纳米掺杂氧化物的合成与催化特性研究。从晶体学角度考虑，要想稳定CeO2离子晶体结构和化学键，需其阳、阴离子半径比r(Ce4+)/r(O2-)不小于0.732，而CeO2的实际比值仅为0.703，故其结构不稳定。再者，从催化应用角度来看，则希望CeO2具有非稳定晶体结构，以便使释放新生氧的歧化反应可持续进行。因此，如何协调、优化晶体结构的稳定性与催化特性间的关系成为亟待解决的核心科学问题。与阳离子掺杂相比，阴离子掺杂尚有难度，但基于申请人在该领域10余年的研究经验，通过配方设计和溶剂热法可实现不同阳、阴离子错配比及不同形貌纳米CeO2的合成，通过考察其对有机污染物的降解特性，可完善固体化学键理论，深入理解合成化学与催化剂、催化反应间的关系，为促进CeO2在环境治理上的应用提供理论依据。

基于我国稀土资源优势和环境治理压力，结合申请人的研究积累，本项目以CeO2为代表，开展了用于催化领域不同形貌纳米掺杂氧化物的合成与催化、储氧特性研究。从晶体学角度考虑，要想稳定CeO2离子晶体结构和化学键，需其阳、阴离子半径比r(Ce4+)/r(O2-)不小于0.732，而CeO2的实际比值仅为0.703，故其结构不稳定。而从催化应用角度考虑，则希望CeO2具有非稳定晶体结构。因此，如何协调、优化晶体结构的稳定性与催化特性间的关系成为亟待解决的核心科学问题。与阳离子掺杂相比，阴离子掺杂尚有难度。.本项目分别开展了阴离子氮、大尺寸阳离子、小尺寸阳离子以及阴阳共掺杂CeO2粉末的合成及其催化、储氧特性的研究。.影响CeO2储氧能力、催化特性的因素很多，例如化学特性、晶体结构、形貌特点等，最终的储氧能力、催化特性是其综合作用的结果。掺杂对最终性能所带来的影响，事实上是同时牵动了上述几个因素，因此，除了具体的掺杂元素外，还与掺杂剂、反应体系等诸多因素都有着密切关联。.通过本项目非常系统的研究，可以为工业界提供详实数据支持，为将来开发相关产品提供了基础研究的依据。