新型三维有序大孔氧化物担载纳米Au-Mx合金催化剂的制备及其对柴油炭烟颗粒物氧化反应的催化作用研究

柴油燃烧排放出的颗粒物(PM)是严重的大气污染物，它的有效消除是目前环境催化领域中一个亟待解决的难点问题。PM燃烧催化剂的研究不仅对气-固-固多相复杂反应催化剂的设计具有重要的基础研究意义，而且具有重要的环保意义和社会效益。针对目前PM催化消除研究中存在着"催化剂的低温活性不够高"和"虽然贵金属纳米颗粒催化剂的起燃温度较低，但其热和催化稳定性较差"两个关键问题，本研究拟选择三维有序大孔氧化物担载纳米Au-Mx合金为催化剂体系，利用具有自主知识产权的"气膜辅助还原法"制备该类新型催化剂并探讨其制备规律；同时采用多种物理测试手段对所制备催化剂进行结构和物化性能表征研究，特别是在原位条件下探讨该类催化剂上PM燃烧的反应机制及纳米Au-Mx合金颗粒长大烧结机理，进而，建立担载型纳米Au-Mx合金催化剂的热和催化稳定性提高的有效办法；为设计制备低温高活性、高稳定性的PM氧化催化剂提供理论依据和指导。

柴油燃烧排放出大量炭烟颗粒物（PM），对城市环境和人类健康造成了很大的威胁。它的有效消除是目前环境催化领域中的一个亟待解决的难题之一。针对这一复杂的固（炭烟）－固（催化剂）－气（O2等气体分子氧化剂）三相深度氧化反应，本研究主要致力于解决如何降低柴油碳烟燃烧反应的起燃温度和提高催化剂的热稳定性这两个关键性问题。对催化净化柴油车尾气排放的炭烟催化剂的设计与制备规律进行了深入研究，揭示了催化剂上炭烟颗粒氧化的反应机理。.. 利用胶体晶体模板法成功合成了几种铈基三维有序大孔复合氧化物（3DOM）催化剂，其相互贯通的孔道使炭烟颗粒能够自由进入催化剂的孔道内进行反应，从而改善了催化剂与炭烟颗粒的有效接触，进而大大提高了铈基氧化物催化剂对炭烟颗粒燃烧的催化性能。在此基础上，成功合成出了大孔-介孔铈锆固溶体催化剂，增加了催化剂的比表面积，同时增加了催化剂对炭烟颗粒及小分子(氧或 一氧化氮)的活性位点，提高其催化活性。以“气膜辅助还原法”和“还原-沉积法”为基础，设计并研制出三维有序大孔氧化物担载Au、Pt或Au-Mx（其中：Mx为贵金属Pt、Pd、Ag、Rh；或Mx为廉价金属Cu、Ni、Co、Sn等）纳米颗粒催化剂，实现了降低炭烟起燃温度的目的。利用XRD、TEM、SEM等手段，对反应前后的催化剂进行了表征，发现Au催化剂在高温时颗粒容易烧结而造成纳米 Au 颗粒的粒径增大，从而造成 Au 基催化剂的失活。本研究发现Au在惰性载体氧化铝上由于与其相互作用力较弱，容易失活。为了提高Au催化剂的稳定性，设计并合成了另一种多层载体3DOM x-CeO2/Al2O3担载Au纳米颗粒催化剂，发现其催化活性和稳定性较好，催化剂使用后，Au颗粒并无明显长大。.. 通过原位TEM、原位红外等手段，在原位反应条件下研究了炭烟催化燃烧反应的机理。阐明了NO在净化碳烟燃烧过程中的作用。以简单氧化物3DOM氧化铝和氧化锆为载体，研究Au-Mx双金属催化剂作用机理。研究发现，Au-Mx双金属（合金或核壳结构）催化剂展现出了较好的协同作用，既提高了单金属催化剂的活性和选择性，也提高了催化剂的稳定性。特别是我们发现3DOM Ce-Zr-O固溶体担载的Au（核）Pt(壳)的双金属核壳结构催化剂不仅具有非常高的炭烟颗粒低温氧化活性（起燃温度可降至220摄氏度），而且具有很好的热稳定性。