《抗燒結Pt(＜5 nm)催化劑體系的熱致表/界面微觀演化機制》是依託東南大學，由代雲茜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：抗燒結Pt(<5 nm)催化劑體系的熱致表/界面微觀演化機制
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：代雲茜
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
開展抗燒結鉑納米晶（Pt NCs）的基礎研究是解決催化劑在實際反應中受熱團聚難題的關鍵。本項目旨在構築小尺寸(＜5 nm) Pt NCs抗燒結催化劑體系，從熱致表/界面微觀演化機制探討抗燒結機理。首次採用多孔石墨烯/陶瓷纜狀纖維做為催化劑載體，考察多孔石墨烯阻礙Pt NCs團聚的能障原理，從而揭示新載體材料的協同機制。同時，提出新型孤島核殼結構，利用孔殼的束縛機制實現對Pt NCs遷移的阻隔，建立新結構催化劑的構效關係。進一步通過原位考察催化劑體系表/界面組成和結構動態演化行為，利用第一性原理和密度泛函理論，建立適宜的熱力學模型，從表面自由能、結合能、吸附能等的變化規律，闡述熱致Pt NCs表面再構、在載體表面浸潤和熟化、以及在界面合金化機制，探索多相催化劑體系中複雜的抗燒結機理。研究成果為設計新型催化劑提供實驗依據，同時為發展穩定、高效、長壽小尺寸納米晶催化劑提供理論與套用基礎。
結題摘要
貴金屬催化劑，特別是小尺寸鉑（Pt）納米晶在催化反應溫度達到350 oC，極易團聚失活。本項目對負載型Pt納米晶(＜5 nm)催化劑體系進行合理設計，主要構築系列新型Pt納米晶載體，利用新穎的協同效應增強金屬/載體界面強相互作用以提高納米晶抗燒結性能，並基於熱致催化劑表/界面變化規律，理解催化劑抗燒結機制。下面是主要取得的研究成果： 1、採用光催化還原法獲得一類新穎Pt/多孔Fe2O3 納米棒/N-RGO三元催化劑。其中，Pt為Ptd+態(0 ＜d ＜2)，在Pt/Fe2O3界面微區二者通過電子轉移形成了強的相互作用。在催化對硝基苯酚加氫反應中與相同大小非負載型Pt相比，負載型Pt具有高達7倍的反應速率常數以及更為優良的穩定性。 2、以20 nm Fe2O3納米晶做為3 nm Pt納米晶載體，並將Pt/Fe2O3負載於二維氧化石墨烯（GO）表面，構成新穎的“island in sea”結構。Pt/Fe2O3“孤島”結構中，Pt納米晶在相鄰Fe2O3納米晶表面遷移困難。Pt與Fe2O3納米晶間的強金屬/載體相互作用及石墨烯的能障效應的共同作用下，抗燒結溫度高達700 oC。 3、選用新型“絲瓜”形Al2O3納米纖維作為載體，纖維表面特殊的“絲瓜”形貌具有豐富的褶皺，減緩Pt納米晶（3 nm）團聚，且Pt/Al2O3間催化劑/載體的強相互作用將Pt錨定在載體表面，其高溫抗燒結性能比傳統TiO2納米纖維更為優良。在700°C燒結後，Pt納米晶仍具有高的催化活性。 4、將TiO2/Al2O3異質結納米纖維作為高溫反應催化劑載體，精細調控其微觀結構，在高達1000 oC的熱處理後仍具有疏鬆多孔的異質結結構。通過控制紡絲液中Ti/Al比可以便捷地調控纖維表面Al2O3納米晶異質結密度，從而調控Pt擴散團聚的物理障礙密度，抗燒結溫度達到510 oC。 5、設計實現一類新穎的石墨烯基催化劑載體。採用光催化還原法合成了一種由還原氧化石墨烯包裹的TiO2（RGO/TiO2）纜狀納米纖維，在450 °C氬氣中處理後，纜狀結構完整，具有優良的熱穩定性，成為一種新穎的優良載體。此外，採用水熱法合成N摻雜石墨烯量子點（N-GQDs）， N-GQDs的N原子與Pt納米晶表面發生相互作用，將Pt錨定在其表面並形成強的金屬/載體相互作用，成為新型“孤島”式催化劑。
