IrMOx双活性位催化剂CO选择氧化微观动力学研究

CO选择催化氧化是脱除富氢气氛中CO的最有效途径之一，如何设计高效催化剂实现对CO、O2和H2适度吸附与活化是目前亟待解决的问题，表面反应关键步骤的把握和主要影响因素研究对于探讨催化反应机理和设计合理结构催化剂具有重要指导意义。本项目以负载型IrMOx（M为Fe或Sn）双活性位催化剂为模型催化剂，以调变活性位对反应物的吸附与活化为切入点，在原位条件下研究反应性能与不同状态活性位的定量关系，以双活性中心L-H非竞争吸附机理为基础建立CO选择氧化催化反应微观动力学模型，并将其与催化剂结构相关联。主要借助原位红外漫反射、微量吸附量热、原位穆斯堡尔光谱和表面反应等手段，深入研究不同反应条件对IrMOx催化剂中活性位Ir和MOx的状态和表面吸附物种的影响，运用微观反应动力学综合实验数据和理论分析基元化学反应，推测表面反应控制步骤。所得研究结果将对设计发展高性能的CO选择氧化催化剂提供思路和理伦依据。

CO选择催化氧化是脱除富氢气氛中CO 的最有效途径之一，如何设计高效催化剂实现对CO、O2和H2适度吸附与活化是目前亟待解决的问题，表面反应关键步骤的把握和主要影响因素研究对于探讨催化反应机理和设计合理结构催化剂具有重要指导意义。本项目设计并制备出负载型IrFeOx双活性位催化剂，采用原位红外漫反射、微量吸附量热、准原位穆斯堡尔光谱等表征手段，深入研究不同反应条件对IrFeOx催化剂中活性位Ir和FeOx的状态和表面吸附物种的影响。定量揭示出催化剂中Fe物种的促进作用与H2浓度的关系，Fe2+物种的量随H2浓度的增加而增加，并与CO氧化活性的变化趋势相同，说明Fe2+是活化O2的活性位。H2的存在稳定Fe2+物种从而促进CO氧化反应。基于双活性中心L-H非竞争吸附机理建立PROX反应微观动力学模型，模拟计算结果与实验数据吻合较好。结合微观反应动力学模型与实验数据分析结果表明：吸附的CO与OH基团的表面反应是生成CO2的主要途径；H2的存在增加了OH基团的浓度，进而降低反应的总包活化能，提高PROX反应速率；H2不但稳定Fe2+物种，而且增加表面OH基团，从而促进CO选择氧化反应。项目所得研究成果为设计和发展高性能的CO选择氧化催化剂提供思路和理伦依据，基于上述研究成果，项目组开发出具有更高性能的Ir(FeOH)x催化剂，实现了20-60 oC区间内PROX反应中CO转化率100%。