具有高分散度的自负载型CO优先氧化催化剂的设计、性能及机理研究

Catalysts developed for the preferential oxidation of CO (CO-PROX) in hydrogen-rich gas are a key link in the application of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs).Meanwhile,they are also importance for the energy utilization without pollution.However,the weakness of available catalysts for CO-PORX limits their applications.To conquer the limitations,we firstly choose the metal-organic frameworks(MOFs)as the CO-PROX catalysts due to their high surface areas and various porous structures,and try to obtain high catalytic activity and stability catalysts by modulating the combination of transition,rare-earth and alkali metals and controlling the structures of pores and clusters.The catalysis of these metals and the effects of preparation methods will be investigated. Furthermore, the in situ IR technique and quantum calculation method will be employed to get insight into the mechanism,which facilitates further exploring the high active,high selective,low cost and long lived CO-PROX catalysts.This will provide a new promising route to clean CO for PEMFCs in industry.

研究和开发具有高CO 优先氧化活性的催化剂，是实现质子交换膜燃料电池应用的基础，同时也对实现能源利用的"零污染"有重要的意义。本项目将针对目前CO 优先氧化催化剂的缺陷，首次以具有大比表面和丰富孔结构的多孔金属有机框架化合物为催化剂，通过调配不同过渡金属、稀土金属以及碱金属元素的组合和改变催化剂孔道结构及核簇结构来调控催化剂的活性和稳定性；探索不同金属的催化作用及不同稀土金属和碱金属的助催化作用；研究不同的制备方法对催化剂性能的影响，并通过原位反应表征及量子计算等方法，研究其反应机理，进一步开发高活性、高选择性、长寿命、低成本的CO 优先氧化催化剂，从而为工业上解决质子交换膜燃料电池的CO 净化问题提供新途径。

研究和开发具有高活性的CO优先氧化催化剂，是实现质子交换膜燃料电池应用的基础，同时也对实现能源利用的“零污染”有重要意义。本项目利用十余种不同构型和尺寸的有机配体与2p、3p、3d、4f金属盐在不同反应条件下制备了一系列的金属有机框架化合物催化剂，得到了大量结构新颖、特点各异的金属有机框架化合物，分析总结了合成规律及条件，考察了部分催化剂的催化性能，尽管它们对脑文格缩合或苯乙烯氧化有较好的催化效果，但对CO优先氧化的催化效果均不理想。通过MOFs前驱体法制备系列性能良好的CO优先氧化催化剂CuO/CeO2和反相催化剂CeO2/CuO，研究不同催化剂制备方法对催化性能的影响，初步探索该类催化反应机理，确定了最佳催化条件。研究结果表明Cu3(BTC)2作为前驱体制备的CuO/CeO2催化剂对CO优先氧化反应效果优异，最佳负载量为5%，最佳焙烧温度为600 oC，当反应温度达到100 oC时CO即可完全转化，催化活性优于Ce(BTC)作为前驱体制备的CuO/CeO2催化剂。对于反相催化剂CeO2/CuO-1R，在90 oC就可以达到CO的100%转化，O2的选择性可以达到100%，并且具有很好的催化稳定性以及一定程度的抗水抗二氧化碳性能。这些新型金属有机框架化合物的成功合成对化学、材料以及相关学科具有重要的学术价值和指导意义；以MOFs为前驱体制备出了具有良好催化性能的CuO-CeO2催化剂，具有一定的工业应用前景，为MOFs 的开发利用及燃料电池CuO-CeO2催化剂的合成提供了一条新的思路，也为创制更高效的CO优先氧化催化剂提供了参考和依据。