Pd-铈基复合氧化物界面构建及其催化甲醇低温深度氧化的研究

Fuel Shortage and pollution of emission have been considered as two major problems nowadays in Chinese automobile industry. Applying methanol as a vehicle fuel instead of oil has been a development trend. There are some problems in the exhaust treatment of vehicle fueled with methanol-gasoline at present. The temperature of the exhaust is low. The activity of methanol deep oxidation catalysts is low. And stability of catalysts is bad. The project will apply the morphology of CeO2-based composite oxides to selectively control the location of Pd nano-particles on the specific crystal face. A series of such catalysts will be prepared and studied. The control of oxide supports, the size and morphology of active Pd will improve the redox properties, enhance the interaction of metal-support, decrease the reaction temperature and improve the stability of catalysts. The dynamic characteristics of size, coordination, morphology, electron structure and so on of metal particles and metal-oxides interface will be studied by in situ XRD、XPS、EXAFS and high resolution ETEM at different reaction atmospheres. The interaction mechanic of Pd particle-oxides crystal face and catalytic activity will be studied. Combined with the research of reaction mechanism and dynamics, the structure-activity relationship will be established.

燃油短缺与污染排放是我国汽车行业的两大问题，从能源与环境可持续协调发展角度推广使用甲醇汽油车已成为发展趋势。项目针对甲醇汽油车尾气净化催化剂存在贵金属用量大、对甲醇深度氧化起燃温度高和稳定性差的问题，拟利用铈基复合氧化物形貌选择性地调控Pd纳米粒子在特定晶面落位，构建Pd-氧化物纳米活性界面，研制一系列基于特定晶面调控的Pd-氧化物纳米结构催化剂体系；通过对氧化物载体、活性金属Pd的纳米尺寸和形貌的调控提高催化剂的氧化还原性能和金属－载体相互作用强度，从而降低起燃温度和提高催化稳定性。运用in situ XPS、XRD、EXAFS以及球差校正环境透射电镜（ETEM）技术，研究在不同反应气氛条件下，金属粒子、金属－氧化物界面的尺寸、配位、形貌、电子结构等的动态演变规律，揭示Pd纳米粒子落位在氧化物特定晶面所形成的界面对催化活性的影响机制；结合反应机理和动力学研究，建立催化剂的构-效关系。

燃油短缺与污染排放是我国汽车行业的两大问题，从能源与环境可持续协调发展角度推广使用甲醇汽油车已成为发展趋势。本项目针对甲醇汽油车尾气净化催化剂存在贵金属用量大和对甲醇深度氧化起燃温度高的问题，利用铈基复合氧化物形貌选择性调控Pd纳米粒子在特定晶面落位，构建了Pd-铈基复合氧化物纳米活性界面，研制出了一系列基于特定晶面调控的Pd-铈基复合氧化物纳米结构催化体系。通过调控铈基复合氧化物的形貌及活性Pd粒子的尺寸和形貌，调控Pd-铈基复合氧化物催化体系的界面结构和缺陷位浓度，从而降低Pd-铈基复合氧化物催化体系催化甲醇低温深度氧化反应的起燃温度，改善了催化反应性能，使其能满足实际需要。根据预定实验方案和路线，发展了用于制备不同尺寸和形貌的活性Pd粒子的液相还原及晶种生长技术，在2-20纳米范围内制备了不同尺寸的Pd纳米颗粒和Pd纳米立方体；优化了不同形貌和不同元素掺杂的铈基复合氧化物的制备条件和技术，涉及的形貌包括纳米球、纳米棒、纳米立方体，涉及的掺杂元素包括La、Mg、Zr；还发展了金属-氧化物的组装技术，成功实现了尺寸形貌均一的Pd纳米粒子在特定晶面暴露的铈基复合氧化物上的精确落位；运用in situ DRIFT研究了在甲醇气氛及反应条件下具有特定尺寸形貌尺寸的Pd/Ce0.9M0.1O2催化剂的动态吸附行为，揭示了Pd纳米粒子落位在氧化物特定晶面所形成的界面对催化活性的影响机制，结合不同尺寸形貌的Pd/Ce0.9M0.1O2催化剂在高空速条件下对甲醇低温深度氧化的催化效果，从原子、分子层次上阐明了催化剂的构-效关系，很好的完成了拟定研究内容和目标。在上述研究过程中，项目负责人在Green Chem、Nano Res、Appl. Catal. A-Gen等期刊发表第一作者及通讯作者论文7篇，另有部分相关研究成果已投稿或整理待发表，申请专利3件，受邀报告4人次，口头报告1人次，培养博士研究生1名（在读），硕士研究生7名（已毕业5名）。上述工作对通过调控金属-氧化物界面结构的方式研制高活性催化剂具有借鉴意义和实际应用价值。