多孔催化剂孔结构及表面活性物质分散状态的正电子湮没研究

The catalytic properties of catalysis depend on not only the pore structure of materials, but also the dispersion states of the active centers on the surface area of the carriers. Characterization of these parameters is thus an important project and has potential application. In this project, we will primarily use positron annihilation spectroscopy to study the pore structure and dispersion states of the active components on catalysis. The main contents include: 1) Study the pore size, concentration, size distribution and interconnection of pores by measuring the annihilation parameters of positronium; 2) Study the effect of active components on the surface of the pores on the formation and annihilation of positronium, and determine the type of interaction between positronium and active centers; 3) Measure the change of reaction rate constant of positroniium with increasing content of active components, and analyze the dispersion states of active centers, and further obtain the monolayer dispersion capacity; 4)Study the interaction between active components and the carrier materials during heat treatment of the catalysts using positronium as a probe. Our project will provide a new and nondestructive probe for the study of the dispersion states of active components on catalysis. The results of our project will provide important guidance for the adjusting of pore structure and improving of the dispersion states of active components on catalysts, and are also very helpful for the design and preparation of catalysts with new structure and high catalytic performance.

多孔催化剂的催化性能不仅取决于载体的孔洞结构，还与载体上活性物质的分散状态有密切关系。因此，对上述两个方面进行准确测量和表征，是一项有重要意义和应用前景的课题。本项目将以正电子湮没方法为主，系统研究多孔催化剂中的孔洞结构及表面活性物质的分散状态，主要研究内容有：1）利用电子偶素的湮没特性，研究孔洞的大小、相对密度、尺寸分布、连通状况等；2）研究孔洞表面活性物质对电子偶素形成及湮没的影响，判断活性物质与电子偶素相互作用的类型；3）测量电子偶素与活性中心相互作用的反应速率常数随负载量的变化，分析活性中心的分散状态并得到单层分散阈值；4）利用电子偶素探针，研究热处理过程中活性物质与载体发生的相互作用。本项目将提供一种新型的研究载体表面活性物质分散状态的无损探针。研究成果将为调控催化剂的孔道结构，改善活性中心分散状态提供重要指导，并对设计和合成新结构、高性能的多孔催化材料具有重要的参考价值。

多孔材料由于其独特的孔洞结构和高的比表面积，在工业催化、气体吸附和分离、气体储存等方面均有重要的应用前景。多孔材料的孔洞结构参数与其性能密切相关，因此有必要对其进行全方位的研究。本项目利用正电子为灵敏探针，系统研究了一系列多孔材料的孔洞结构及表面活性物质的分散状态，探索了调节孔洞结构的有效手段。取得的主要结果如下：1）利用利用浸渍法制备了一系列不同负载量的CoO/r-Al2O3催化剂。X射线衍射测量表明CoO的单层分散阈值为3 wt%。正电子湮没测量显示，当CoO的负载量低于3 wt%时，CoO对Ps有明显的自旋转换猝灭效应，而当CoO的负载量高于3 wt%时，CoO对电子偶素形成的抑制作用开始变得明显。因此利用电子偶素探针可以灵敏检测活性中心在载体上的单层分散量；2）合成了各种介孔SiO2材料，包括SBA-15以及KIT-6等。SAXS以及透射电镜测量均证实合成的SiO2存在有序的介孔结构。研究发现通过改变水热处理温度能有效调节介孔的大小。正电子湮没测量也发现存在介孔，利用o-Ps寿命计算得到的介孔尺寸与氮气吸附测量的结果基本一致。另外，在多孔SiO2中还存在尺寸小于1 nm的微孔；3）通过在多孔SiO2中添加扩孔剂也能有效调节孔径。如在SBA-15中添加TMB，随着TMB含量增加，孔洞尺寸明显增大，并且孔洞形貌随TMB的含量也发生变化；4）利用上述多孔SiO2为模板，制备了各种有序介孔材料，如多孔C，多孔TiO2等，SAXS以及透射电镜测量证实了通过模板复制出有序的介孔结构；5）在导电的多孔材料中，发现电子偶素的形成几率和寿命均偏低。在多孔C中几乎没有电子偶素形成。通过在多孔Al2O3中添加各种C材料，发现电子偶素的寿命与强度均随C含量增加而降低。通过综合分析发现材料的电子电导率对电子偶素的形成与湮没有重要的抑制和猝灭作用。