纳米金催化剂的协同作用与催化苯系物氧化活性关联性研究

In recent years, the problem of air pollution is increasingly serious. Especially BTX with strong carcinogenicity and genotoxicity in the form of aerosol existed in air, which can enter the body through the respiratory system or skin, is becoming a serious threat to human life and health. Hence, focusing on the low-temperature BTX removal is an urgent environmental issue. Recent reports show that the synergistic effect plays an important role in catalytic oxidation of BTX over various supported gold catalysts. However, it is still not very clear about the nature of this synergistic effect. In view of the above problems, this project aims to synthesize supported gold catalysts with various surfaces/interfaces by a colloidal-deposition method via supporting gold nanocrystals over various nano-oxides with various surface defects and particle size distributions. Based on the previous catalytic activity evolution method, the catalytic oxidation of BTX over various supported gold catalysts is investigated. The direct relationship between synergistic effect and its catalytic activity will be revealed. The catalytic kinetic model and possible reaction pathway of catalytic oxidation of BTX over various supported gold catalysts during the reaction will be investigated. The relation between synergistic effect and reaction mechanism will be established. New type of supported gold catalysts for catalytic oxidation of BTX at low temperatures will be explored. The implementation of this project aims to further understand the reaction mechanism of supported noble metal catalysts, and to guide the development of new type of supported gold catalysts.

近年来，大气污染问题日趋严重，尤以气溶胶形式存在于空气中的苯系物(BTX)经呼吸或皮肤进入人体后具有强烈的致癌性及基因毒性。因此，实现BTX低温脱除是当前十分紧迫的环境问题。通过最近报道发现金属-载体界面处的协同作用对于催化活性的重要性日趋凸显。然而，目前有关负载纳米金催化剂金-载体界面处协同作用的本质并未明朗。针对上述问题，本项目拟通过可控合成多种表面缺陷、不同粒径分布的纳米金晶粒，使其负载于不同氧化物载体表面以形成表/界面纳米金催化剂，以实现BTX低温脱除；深入研究金-载体界面处的协同作用及其与催化活性的直接关联性；建立负载纳米金催化剂催化BTX氧化的动力学模型并总结可能的反应途径，揭示金-载体界面处协同作用与反应机理的内在联系，研制新型BTX低温脱除催化剂。开展本项目研究对深化理解负载纳米金催化剂的反应机理具有重要的科学意义并对研制新型BTX低温脱除催化剂具有直接的指导作用。

近年来，有机物污染问题日趋严重。催化是一种环保的处理方法，可以将有机污染物转化为无毒物质，从而避免二次污染。本项目创新性地引入声悬浮技术制备均匀分散的核壳样品，与传统的湿化学还原法相比，优异的催化性能源于贵金属在氧化物核壳结构内外的均匀分布，扩大了相互作用面积，增强了协同催化作用。（1）实现了表/界面贵金属催化剂的可控合成。当采用传统的湿化学还原方法时，贵金属在核壳结构中无法实现均匀分布，其只附着在外壳的表面上，而没有进入内核。由于超声波的非线性效应，我们通过施加在样品表面的声辐射力使液体样品悬浮。通过声悬浮制备的贵金属/氧化物样品的形态既保留了原始的核壳结构，又实现了贵金属的均匀分布，贵金属和氧化物之间的界面大大增加。（2）深入研究了实际反应过程中负载贵金属-载体界面处的协同作用及其与催化活性的直接关联性。新型的声悬浮技术不仅扩大了贵金属纳米粒子与载体氧化物之间的物理接触面积，而且增强了化学相互作用，贵金属负载过程中粒径以及价态的变化可以显著地改变负载型材料的催化效果。从声悬浮技术中获得的贵金属具有更小的平均粒径（2.3 nm），且EDS和XPS的结果表明，其表面形成更多La–O–Pt物种。因此，在贵金属和载体氧化物界面上发生了强化的金属-载体相互作用。这种相互作用与从贵金属到载体氧化物的电荷转移有关，导致在界面处形成更多氧化的Ptδ+物种。催化材料中增加的Ptδ+物种在催化反应期间还可以充当活性中心。对于两者的催化结果，相较于传统湿化学法，通过声悬浮制备的样品对于污染物的降解率高出10%。结果证实通过声悬浮技术制备的样品表现出更高的催化活性。通过以上研究我们揭示了负载贵金属催化剂-载体界面处协同作用与反应活性的内在联系，并研制新型贵金属-NiO-ZnO三元杂化材料等有机物脱除催化剂。开展本项目研究对深化理解负载贵金属催化剂的反应机理具有重要的科学意义并对研制新型有机物脱除催化剂具有直接的指导作用。