纳米金颗粒限域结构的原子层沉积制备方法及稳定化研究

Gold nanocatalysts have exhibited excellent catalytic activity in many reactions due to the small size effect and strongly interfacial interaction, such as carbon monoxide oxidation and water-gas shift reaction. However, the stability of supported gold nanoparticles seriously affects the durability and costs of catalysts, which has always been the key issue of gold catalyst research. In this project, new confined nanostructures and their corresponding controllable synthesis methods will be developed based on area-selective atomic layer deposition to improve the stability of gold nanocatalysts. The interfacial interactions between gold nanoparticles and oxides will be regulated to prevent the agglomeration and growth of gold nanoparticles due to the chemical anchoring and physical barrier effects. In terms of stabilization study, this project will use in situ characterizations to study the critical conditions for the agglomeration of gold nanoparticles in the confined structures and systematically investigate the stabilization effect of confined structures on gold nanoparticles under high temperature and reaction atmosphere. The project could shed light on new ideas and controllable synthesis strategies for the stabilization of gold nanocatalysts.

纳米金催化剂的小尺寸效应和强界面相互作用使得其在诸多催化反应中表现出优异的催化活性，如一氧化碳氧化、水煤气变换反应等。然而，纳米金颗粒的稳定性问题严重影响了催化剂的使用寿命和成本，一直都是金催化剂研究的关键问题。本项目旨在设计新型的纳米金颗粒限域结构，发展基于区域选择性原子层沉积技术的限域结构可控制备方法，并且调控金与载体氧化物和限域氧化物的界面协同相互作用，利用氧化物对金颗粒的化学锚定和物理阻隔作用，达到提高纳米金催化剂稳定性的目的。在稳定化研究方面，本项目将利用原位表征手段，探究限域结构中纳米金颗粒发生团聚长大的临界条件，系统地研究氧化物的化学锚定和物理阻隔作用对纳米金颗粒在高温和反应氛围条件下稳定性的调控规律。本项目将为稳定化的纳米金催化剂提供新的设计思路和可控制备策略。

纳米Au的稳定性问题严重影响了Au催化剂的使用寿命，限制了其大规模工业应用的进程。解决纳米Au催化剂的稳定性问题是实现其大规模工业应用的关键，也是目前催化领域研究的热点。本项目围绕纳米Au催化剂的高温稳定性和水煤气变换反应氛围稳定性问题，聚焦Au与载体催化剂界面结构可控制备和氧化物限域结构的原子层沉积工艺，探究纳米Au复合催化剂的水煤气变换反应的催化机理和稳定化机理。本项目制备了暴露不同主晶面的TiO2载体负载的纳米Au催化剂，研究了Au/TiO2界面结构和催化反应温度与水煤气变换反应活性的映射关系，基于原位漫反射红外和质谱仪监测，揭示了Au/TiO2界面催化水煤气变换反应的碳酸盐机理，阐明了不同反应温度下羟基浓度、活性和碳酸盐中间产物对水煤气变换反应的影响机制。发展了纳米Au复合催化剂表面TiO2和Pt的选择性原子层沉积方法，实现了Au/TiO2催化剂表面TiO2限域结构的可控制备，调控了TiO2限域结构的纵向厚度，提升了纳米Au催化剂700 ºC高温环境中的稳定性，基于Pt亚纳米团簇和单原子选择性沉积，调控了CeO2负载Au催化剂的界面结构，促进了水煤气反应条件下Au/CeO2界面碳酸盐中间产物的分解，提升了纳米Au在水煤气变换反应氛围下的稳定性，为高效纳米Au复合催化剂提供设计思路和可控制备方法。