纳米多晶相金属氧化物表面晶相控制及其在催化反应中的应用研究

多晶相金属氧化物的性能往往与其晶相尤其是表面晶相有直接关系，因此控制多晶相金属氧化物的表面晶相结构对于许多领域如材料科学，物理化学领域是非常重要的。我们最近初步探索了一种负载极少量的修饰剂（修饰剂的量为其在TiO2上单层分散量的3%）就可以稳定TiO2晶相尤其是表面晶相的方法，难能可贵的是，该方法同时还可以非常有效地抑制TiO2粒子的团聚。本项目将进一步通过调变合成条件和修饰剂从而控制多晶相金属氧化物表面和体相晶相结构，并研究其内在控制晶相的机理。在此基础上将研究拓展到控制制备具有特殊表面晶相结构的纳米多晶相金属氧化物催化剂，建立金属氧化物的表面晶相及组成与催化反应性能尤其是光催化反应性能之间的关联，从而达到有目的的设计、组装、合成纳米金属氧化物催化剂，进而为发展催化剂制备科学奠定基础。

多晶相金属氧化物的性能往往与其晶相尤其是表面晶相有直接关系，因此控制多晶相金属氧化物的表面晶相结构是非常重要的。本项目研究了如何控制制备具有特殊表面晶相结构的纳米多晶相金属氧化物催化剂，建立了金属氧化物的表面晶相及组成与催化反应性能尤其是光催化反应性能之间的关联。.(1) 将紫外拉曼光谱应用于简单/复合金属氧化物催化剂表面晶相结构的研究中，深化了对简单/复合多晶相氧化物材料表面晶相的认识，作为部分成果获得2011年度国家自然科学二等奖。. 将表面灵敏的紫外拉曼光谱技术应用于TiO2、ZrO2及复杂氧化物体系表面物相的研究。发现TiO2、ZrO2以及钼酸铁催化剂，表面和体相晶相组成均存在有很大差异。上述工作深化了人们对多晶相金属氧化物表面晶相的认识，提供了一种研究多晶相金属氧化物催化剂表面和体相晶相的研究手段，为多晶相氧化物的制备及其在催化和材料领域的应用提供理论基础。.(2) 发展了一种调控多晶相金属氧化物表面晶相的方法，获得了国家发明专利。. 利用TiO2、ZrO2在高温过程中的相变机制，发展了调控不同粒径TiO2、ZrO2晶相尤其是表面晶相成的表面负载方法。采用该方法不改变TiO2、ZrO2的基本组成就可以将表面的特定晶型稳定到至少900 oC。其重要性在于，既实现了高温处理下催化剂晶化度的提高，又非常有效地抑制了高温下纳米粒子的长大和团聚。这为有目的的设计、组装、合成纳米金属氧化物催化剂，进而为发展催化剂制备科学奠定了基础。.(3) 利用二氧化钛表面异相结，在光催化降解污染物、重整生物质减低CO选择性研究方面取得了重要研究成果。相应研究工作获得15届世界催化大会“青年科学家奖”、16届全国催化会“催化新秀奖”、第八届辽宁省青年科技奖。. 基于TiO2，利用La2O3、Nd2O3、Gd2O3、Sm2O3等修饰剂，在实现锐钛矿-金红石表面异相结可控制备的基础上，将其应用于光催化降解污染物反应。修饰剂的存在可以使锐钛矿-金红石复合晶相结构甚至在900 oC高温焙烧下得以保持，而这种复合结构可以大幅度提高光催化降解污染物活性。进一步将锐钛矿-金红石复合晶相结构应用于光催化重整生物质反应。结果表明，锐钛矿-金红石的精细调控不仅可以大幅度提高光催化重整生物质产氢活性，更重要的是可以使CO的含量甚至低于5 ppm，几乎接近燃料电池对氢气使用要求。