多级孔分子筛主体—纳米粒子客体复合材料的可控制备及催化性能研究

This project aims to prepare the functional composite materials, which are composed of hierarchical porous zeolite as the host and metallic nanoparticles (metal, metal oxide or sulfide and so on) as the guest. Owning to the rigid zeolitic framework, the metallic nanoparticles will be restricted in the domain of mesopores and the morphologies will be well controlled. Through the studying and comparison of the zeolitic framework type, morphologies and porosity of the hierarchical porous zeolites, the loading capacity and distribution of metallic nanoperticles inside the porous host，the catalytic properties of these composite materials will be tested in different catalytic reactions. The different type of metallic nanoparticles will be also investigated in detail in the specific catalytic reactions. We try to find out the general laws between the structural characteristics and catalytic properties，in order to provide a feasible reference and guidance for the preparation and development of novel nano-catalysts。 We aim to develop a series of novel composite materials which possess excellent catalytic properties and devote ourselves to explore their application in practical industrial catalysis.

本项目制备以多级孔分子筛为主体或载体，以金属、金属氧化物或硫化物等为客体催化剂的功能化复合材料，利用沸石骨架的刚性特征控制纳米粒子在其内部的生长；尝试考察多级孔分子筛的骨架结构、形貌、孔隙率等，以及客体纳米粒子在主体材料中的负载和分布情况，来研究和对比客体催化材料在相应催化反应中不同的催化特性；考察不同种类客体催化剂在特定催化反应中的催化性能，努力寻找出复合材料的结构特征和催化性能之间存在的规律，以期为新型纳米催化剂的制备和开发提供一定的借鉴与指导。开发出一系列具有优异催化性能的复合材料，并致力探索其在实际工业催化中的应用可能和前景。

如何提高催化剂材料的活性位点和稳定性以增加其催化性能，一直是人们关注的热点问题之一。多孔结构的引入可以大大增加催化剂体系与反应物分子之间的接触面积，加快物质和电子传输，利于催化反应的进行。本研究从两个角度入手，一是以多孔结构的沸石分子筛或碳材料为载体，负载金属纳米粒子构建复合催化剂，二是直接制备多孔结构的贵金属基纳米催化剂材料。主要获得了几部分成果：（1）自支撑二氧化硅沸石分子筛（SPP）的合成及和贵金属纳米粒子（Pd、Pt等）复合材料制备，并考察其催化甲酸产氢性能，研究中发现SPP的骨架稳定性不佳，导致限域生长和催化性能较弱；（2）鉴于上部分研究结果，以分级孔碳材料为载体并负载超小的Ru纳米团簇（Ru@hPCN），由于碳的高稳定性，Ru@hPCN表现出很好的催化硼烷氨水解产氢反应，其产氢效率和结构稳定性均优于商业化的Ru/C催化剂；（3）直接通过自组装的方法制备多孔贵金属基纳米催化剂材料，如尺寸可调的PdAgCu多孔纳米球、空心结构的PdAgCu多孔纳米球、空心的Pd多孔球等，这些催化剂材料在乙醇、甲酸等电催化氧化反应中均表现出优异的活性与稳定性。（3）开发了多孔结构的SnS-石墨烯杂化纳米材料，其在柔性全固态超级电容器方面表现出极好的性能。在多孔材料为载体的催化剂材料的设计中，初步掌握了载体结构、稳定性、客体纳米粒子、以及催化性能之间的相互制约关系，为复合催化剂材料的开发提供了很好的借鉴。在多孔贵金属基催化材料的合成中，充分考察了催化剂材料的化学组成和形貌结构与电催化活性和稳定性之间的内在联系，初步掌握了不同结构的电催化剂材料的催化机制，为今后电催化剂的设计合成提供一定的理论支撑。而其他多孔结构催化剂体系的开发，将进一步为研究孔结构的存在如何影响催化性能提供指导。本项目研究的后续工作将主要侧重于不同催化剂体系的催化机制研究，以期为高效催化剂的商业开发提供充足的理论支持。