金-活性载体(CeO2、TiO2、Fe2O3)界面的精细结构与材料催化性能相关性的研究

Catalytic performance of reducible oxide supported gold catalysis material intimately depends on the property and structure of the Au-support interface. The clear correlation between the fine interface structure and the catalytic performance is a key issue to understand the intrinsic nature of the unique catalysis properties of gold catalysis and has been one of the hottest topics in heterogeneous gold catalysis. However, it is also a grand challenge because of the complexity and variability of the Au-support interface in practical working circumstances. Nowadays, the controllable fabrication of material can be achieved on molecular, or even atomic, level due to the development of nanotechnology. Therefore it is facile to prepare the specific interface holding simplified structure. Meanwhile the significant development of various in situ characterization methods, especially the Environmental Transmission Electron Microscope(ETEM), has provide a great potential for observing the changes of the interface structure and deducing the chemical mechanism in operational conditions. So this proposal is planned to analyze the structure-activity relationship of the Au-support interface taking CeO2, TiO2 and Fe2O3 as supporting material together with CO oxidation, low-temperature water gas shift reaction and methanol/ethanol total oxidation as probe reactions. The model of structure-activity relationship will be established based on the integrated application of in situ characterization technique, catalytic kinetics research and theoretical calculation. Accordingly, the intrinsic nature of active sites and the reaction pathway can be revealed, what is more important, a preparation methodology will be developed to increase and stabilize the active sites.

活性载体负载的金的催化性能与其界面性质、结构密切相关，清楚解析界面结构和材料性能间的构-效关系是理解金催化内在本质的核心问题和研究热点之一。然而，Au-MOx界面结构的复杂性与其在反应环境中的多变性却使得明确构-效关系成为本领域的难点。纳米技术的发展已经进入分子、原子操控阶段，使可控制备结构简化甚至单一的特种界面成为可能；而原位表征技术，特别是环境透射电镜技术的发展为在(近)真实反应条件下，实时观察Au-MOx界面结构与性质的变化提供了强大的技术基础。因此本项目拟使用一氧化碳氧化，低温水气变换与甲醇/乙醇的完全氧化反应为探针，选取CeO2，TiO2，Fe2O3为载体，对比研究经典Au-MOx界面和特种界面的结构与性能差异；联合原位动态结构表征，反应动力学研究和理论计算，构建Au-MOx界面构-效关系模型，认识活性位本质与反应机制；并发展能够增加活性数目和提高活性位稳定性的制备方法。

纳米金粒子负载于活性载体的催化性能与其界面结构、性质密切相关；清楚解析界面结构和材料性能间的构-效关系是理解金催化内在本质的核心问题和研究热点之一。然而，Au-MOx 界面结构的复杂性与其在反应环境中的多变性却使得明确构-效关系成为本领域的难点。本项目通过在一系列具有特殊形貌的活性载体(CeO2、TiO2和Fe2O3)上负载Au纳米粒子，结合原位气氛电镜对Au与活性载体间界面结构和相互作用进行了初步研究。发现气氛组成对Au-CeO2间界面结构影响显著，CO气氛中Au粒子可以完全潜入CeOx载体中，并在O2的作用下Au物种再以颗粒的形式重新浮现于CeOx表面，重新形成的Au粒子仍能借助CO的作用潜入CeOx。Au-Fe2O3纳米棒的界面结构与处理的气氛和温度相关，这是由于Fe2O3载体表面性质随处理条件变化，进而改变Au-Fe2O3间相互作用力，因此Au-Fe2O3催化材料的活性亦不同。介于TiO2不同晶面性质差异明显，Au纳米粒子在不同晶面上尺寸出现巨大差异(平均粒径为dAu/TiO2(110) = 0.83 nm、dAu/TiO2(001) = 3.6 nm)，但焙烧后尺寸差异消失，然而催化性能仍显著不同，负载于TiO2(001)晶面的Au纳米粒子活性较高。为减小Au粒子在催化反应过程中的尺寸效应对研究界面研究的影响，本项目同时研究制备尺寸均匀的Au粒子胶体；同时有效控制合成条件，制备出表面结构和性质差异的CeO2纳米棒，以期进一步对Au-CeO2界面的结构深入研究。上述结果为在原子尺度上理解Au纳米粒子在多相催化中的独特催化性能提供了基础性研究。