活性双金属@多孔稀土核壳结构新材料的可控制备及催化应用研究

Due to its superior oxygen storage property, cerium oxide has been usually used as a support for nano metal particles. To reduce the amount of used noble metals and improve their catalytic activity, bimetal nano-catalysis, especially catalysts with non-noble metal cores and with noble metal shells, has become a hot research topic. Generally, the most active sites lie in the interface between the nano metal particles and the supports, but which is relatively small. In addition, it is easy for the nano metal particles to aggregate at high temperature, which degrades the activity of the catalysts eventually. To solve these two problems, it is proposed in this project to design and prepare novel “active bimetal @ porous rare earth core-shell structured materials”, for which the cores (bimetal nanoparticles) are with special morphologies and sizes, for CO oxidation in vehicle exhaust. The effects of shell thickness and pore structures on the catalytic performance, the confinement effects of porous rare earth shells on the bimetallic nanoparticles and the synergetic effect between them will also be investigated.

氧化铈具有优异的储氧功能，常用作金属纳米颗粒的载体材料。为减少贵金属用量并提高其活性，双金属纳米催化(特别是非贵金属为核、贵金属为壳的双金属核壳结构纳米催化剂)已成为研究的热点。但活性双金属纳米颗粒和载体之间的接触界面较小，而催化反应的最高活性位点通常位于活性组分和载体的接触界面；同时活性双金属纳米颗粒在高温下容易聚集长大而导致其催化活性降低。本项目根据活性双金属纳米颗粒负载在氧化物载体上的上述两点不足，拟以多孔稀土氧化物为壳层，具有特定形貌和尺寸的双金属纳米颗粒为核，设计制备具有优异催化功能的“活性双金属@多孔稀土核壳结构新材料”，应用于汽车尾气中CO的催化氧化。考察壳层厚度和孔结构对催化反应性能的影响，并研究多孔稀土壳层对活性双金属纳米颗粒的限域作用及其和活性双金属纳米颗粒间的协同催化性能。

氧化铈具有优异的储氧功能，常用作金属纳米颗粒的载体材料。催化反应的最高活性位点通常位于活性组分和载体的接触界面，接触界面越多活性越高；同时活性金属纳米颗粒在高温热催化反应（如催化燃烧、甲烷重整制氢）条件下容易聚集长大而导致其催化活性降低、甚至失活。基于此，本项目在国家基金的资助下，开展了一系列核壳结构及相关催化剂的设计制备并用于大气污染控制及甲烷干气重整制氢研究，发表SCI论文25篇，以项目负责人为第一或通讯作者论文17篇，其中中科院JCR一区论文5篇（Angewandte Chemie International Edition、Applied Catalysis B: Environmental、ACS Applied Materials & Interfaces、Chemical Engineering Journal、Journal of CO2 Utilization各一篇）。首次在反相微乳液体系中合成得到Pd-Ce-O纳米线限域于多孔氧化硅壳层，表现出了优异的甲烷低温催化燃烧性能、热/水热稳定性及抗硫中毒性能，论文发表在Angew Chem上；通过进一步研究发现该方法可以制备得到目前为止最细的氧化铈纳米线（约2 nm），自组装方式负载Pt后，表现出了优异的CO和甲苯低温催化氧化性能；将氧化铈换成其他具有活泼氧的金属氧化物，如NiO、SnO2、ZrO2等，同样可以得到高性能的CO、丙烷、甲苯催化燃烧或甲烷干气重整催化剂，相关结果发表在ACS Applied Materials & Interfaces、ChemCatChem、Catalysis Science and Technology、Journal of CO2 Utilization等化学化工领域期刊上。本项目所取得的研究成果对高温热稳定性催化剂的设计制备具有重要的指导和应用价值。