亞納米過渡金屬氧化物催化劑的構建與催化新特性研究

《亞納米過渡金屬氧化物催化劑的構建與催化新特性研究》是依託吉林大學，由劉鋼擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：亞納米過渡金屬氧化物催化劑的構建與催化新特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉鋼
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

本項目擬開展亞納米尺寸過渡金屬氧化物催化劑的設計製備和性能研究，通過減小氧化物粒徑尺寸，增加單位數量催化劑中配位不飽和活性位的數目，並調節其電子結構性質，以獲得較塊體和納米尺度氧化物更為優異的催化性能。將通過選擇合適的有機配體、控制載體表面官能團的種類和數量等方法，在相對惰性的SiO2、多孔炭載體表面分散製備亞納米尺寸的鐵、鈷、鎳等過渡金屬氧化物催化劑。將主要以空氣為氧源的醇類選擇氧化反應為探針反應，考察所製備催化劑的性能，逐步建立過渡金屬氧化物尺寸、分布狀態與催化性能之間的關係，探究催化劑活化分子氧的反應機理；此外還將對最佳化後的亞納米氧化物半導體催化劑進行光催化分解水性能研究。通過本研究我們希望為製備亞納米過渡金屬氧化物催化劑提供新的方法，並為開發高效過渡金屬氧化物催化劑提供一些理論及實踐上的依據。

結題摘要

本項目主要以空氣為氧源的選擇氧化反應和可見光條件下分解水制氫反應為目標反應，研究了亞納米、納米尺寸催化材料的尺寸效應和物相變化所帶來的催化新性質。主要開展了以多孔炭和SiO2為承載體，亞納米、納米尺寸材料製備、形成機制與性能研究；亞納米尺度調控納米粒子內部組成與表面性質；物相結構調控下納米尺寸材料的表界面催化性質的差異性；微結構調控載體表面與納米粒子的協同催化等四個方面的工作。其中，在炭載體表面生長形成的亞納米尺寸FeOx具有異於納米和塊體氧化鐵的低溫活化分子氧的能力，在醇類化合物的選擇氧化和醇胺氧化耦合制亞胺的反應中均表現出優異的催化性能；形成機制研究表明炭表面羧基官能團在合成催化劑過程中可以有效捕獲Fe3+，並限制其進一步長大，是形成亞納米活性中心的關鍵因素，而所形成FeOx中二價和三價鐵的協同配合是活化分子氧的關鍵。利用炭載體形成的CeO2納米棒狀材料在亞胺合成反應中同時展現出高活性和高穩定性的特點，載體的限域能力避免了納米棒的長大。利用SiO2限域生長的Zn和Cd的硫化物納米粒子可以在無任何外加助催化劑的條件下實現高效可見光催化產氫，而且Zn和Cd的組成可以在納米粒子內連續可調，並因此形成由內而外連續分布的空間帶隙結構，促進光生電子和空穴由內向外的定向傳輸。此外通過對一系列鐵基化合物（包括不同晶相FeOx、MgFe2O4）的表面和界面微調控，有效提升其與納米Pt的協同催化作用，在CO氧化和VOCs氧化消除方面獲得優異性能。本工作利用多種表征手段尤其是原位手段對反應活性中心性質和反應機理進行了較為深入的理解，並通過理論計算進一步獲得了材料的電子結構性質信息，本項目所取得的成果能夠為亞納米、納米催化劑製備和認識提供較為重要的實驗和理論支持。