层状前驱体法负载型高分散金属催化剂制备及活性晶面选择性控制研究

Supported metal catalyst prepared by the traditional impregnating method usually suffers from a low dispersion of active component, a high dose of metal and a limited catalytic performance. Therefore, it is necessary to conduct intensive research on the high dispersion and controllabe facet synthesis of the active component of supported metal catalyst. In this project, we intend to design and develop a novel method to prepare highly dispersed supported metal catalysts (containing Pd, Pt, Au, Ni and Cu) by utilizing the lattice orientation effect and induction effect of the layer doubled hydroxides (LDHs), then discuss the mutual interation between support and active component. Meanwhile, several effective methods (such as precursor induction, micromolecule protection and chmical interference) are used to control growth, orientation and exposure of the active facet, based on the mechanism of crystal surface energy. In case of keeping high dispersion of active component, different shapes and active facets of active component are synthesised. According to the investigation on the high dispersion and controllable synthesis of active metallic component, the relationship between the morphology, exposed facet of active metallic component and catalytic performance together with the catalytic mechanism will be revealed, which can contribute to the development of catalytic performance of supported metal catalyst. Therefore, this study is of great significance to understand the nature of the catalytic active center and effectively utilize of metallic component of supported metal catalyst.

本项目针对传统浸渍法制备的负载型金属催化剂存在活性组分分散度低、用量大以及催化性能差等问题，开展负载型金属催化剂活性组分高分散及晶面选择性控制研究工作非常重要。基于层状材料中金属元素的晶格定位效应以及层板对金属微晶发育的诱导效应,发展活性组分的高分散方法，制备系列高分散Pd、Pt、Au、Ni和Cu催化剂，并探讨载体与活性组分之间的相互作用机理；同时，在保持活性组分高度分散的前提上，基于晶体表面能控制原理，通过前驱体诱导、小分子保护以及化学干扰等方法，控制活性金属微晶晶面的生长速度、生长方向和活性晶面裸露度的最大化，实现对活性金属微观形貌和裸露晶面的选择性控制。通过活性金属高分散方法和晶面选择性控制研究，揭示活性金属的形貌、裸露晶面与催化性能之间的关系，以期实现负载型金属催化剂性能的大幅度提高。研究工作对探讨负载型金属催化剂活性中心的本质和促进负载型催化剂金属组分的高效利用具有重要意义。

课题组按照项目任务要求，开展了负载型高分散金属催化剂的结构设计及活性金属微观形貌和晶面的选择性控制研究，获得了预期研究成果。利用LDHs层状材料层板元素的原子级分散、层板元素可调变等特点，发展并掌握了內源法、外源法以及內-外源耦合法等高分散负载型催化剂新型制备方法，设计和构筑了系列高分散负载型单金属（如Pd、Pt和Ni等）催化剂及高分散Pd基双金属催化剂。以晶体表面能控制为出发点，对纳米金属的成核和生长过程进行精准调控，实现了负载型催化剂活性组分形貌和裸露晶面的选择性控制，并拓展至金属氧化物材料的微观形貌控制，制备获得了具有介晶结构的Pd基纳米颗粒，不同晶面和微观形貌的Pd纳米颗粒以及CeO2和ZnO等金属氧化物。将获得的催化剂应用于选择性加氢反应及典型醇类选择性氧化过程，系统研究了不同裸露晶面及微观形貌对反应物吸脱附能力、反应中间体形成及催化性能的影响，揭示了催化剂制备方法、活性组分分散状态、活性组分与载体之间的相互作用等与催化性能之间的内在关系。通过项目研究，项目负责人在Chem. Soc. Rev.、ChemSusChem.、J. Catal.、AIChE J、Dalton Trans.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.、Sensor. Actuat. B-Chem.、Appl. Catal. A：Gen.、Mater. Lett.和RSC Adv.等期刊发表研究论文14篇，申请国家发明专利5项，授权2项，构筑了自主知识产权体系。超额完成项目计划任务。.综上所述，本项目基于LDHs层状材料层板元素的原子级分散、层板元素可调变等特点，发展并掌握了內源法、外源法以及內-外源耦合法等高分散负载型催化剂新型制备方法，并实现了负载型催化剂活性组分形貌和裸露晶面的选择性控制。根据对活性金属组分的高分散性和可控合成性的研究，揭示了活性金属组分的形貌，活性金属组分暴露面与催化性能之间的关系以及催化机理。项目实施对揭示负载型金属催化剂活性中心的本质、提高原子经济性和实现金属组分的高效利用具有重要意义。