原子级分散Pd催化材料的制备与乙炔选择性加氢性能研究

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负载型贵金属催化剂因其优异的催化性能,被广泛地应用于诸多重要的催化反应之中。但是如何降低贵金属用量,提高贵金属的原子利用率仍然是该领域面临的巨大挑战。近年来,原子级分散催化材料因其超高的原子利用率和独特的催化性能在催化领域引起了日益广泛的关注。根据文献报道,原子级分散的催化材料往往表现出不同于传统纳米颗粒催化剂的催化反应路径和更强的金属-载体相互作用,这为在原子尺度上进一步优化构效关系、提升催化剂的催化性能带来了新的机遇。本论文着重发展原子级分散钯基催化材料的制备策略,以乙炔选择性加氢反应为模型反应,系统研究了原子级分散钯催化剂的结构与相应乙炔选择性加氢催化性能之间的构效关系,丰富了原子级分散催化材料的合成方法,为合成兼具优良催化活性与选择性的钯基催化材料提供了参考依据。本研究所取得的主要成果如下:  1)采用大比表面积、片层结构的氢氧化镍材料为载体,通过超低负载的策略,实现了钯活性相在氢氧化镍载体上的原子级分散,得到了高度分散的负载型钯原子催化剂。原子级分散的钯有效抑制了传统纳米催化剂中次表面氢化钯物种的形成,降低了乙炔完全氢化的程度,使得催化剂表现出了十分优良的催化选择性;同时也抑制了反应中间体多聚化的发生,避免了绿油等低聚烃类覆盖在催化剂表面而引起催化剂的中毒;稳定性测试结果进一步显示了该催化剂优良的催化稳定性。这一工作为制备超低负载、高效的催化材料提供了可行思路。  2)以介孔二氧化硅为载体,通过共还原策略合成了负载型PdCu合金,经过进一步的退火处理,成功获得了由介孔二氧化硅负载的体心立方(bcc)PdCu金属间化合物纳米颗粒。体心立方(bcc)PdCu金属间化合物具有原子级有序的特点,在晶体结构上,钯原子占据晶胞的中心位置,并被顶点上的八个铜原子包围而有效分隔开来,实现完全孤立化的Pd原子分布。Pd原子的这种精确和稳定的结构赋予其对乙炔选择性加氢反应巨大的潜力:所制备的由介孔二氧化硅负载的体心立方(bcc)PdCu金属间化合物纳米颗粒针对乙炔选择性加氢反应表现出了优异的催化性能。  3)采用金属有机骨架限域共还原策略成功制备了尺寸小于2nm的原子级有序PdZn金属间化合物纳米颗粒。得益于金属有机骨架良好的限域作用,这些小尺寸的PdZn金属间化合物纳米颗粒表现出了良好的尺寸均一性和耐热稳定性。即使在高温条件下焙烧,小尺寸的PdZn金属间纳米颗粒也没有发生颗粒的团聚和长大。随后的乙炔选择性加氢性能评价进一步显示了其优异的催化性质。理论计算结果揭示相比于大尺寸的PdZn金属间纳米颗粒,小尺寸的PdZn金属间纳米颗粒在能量上更容易实现乙炔的加氢活化以及乙烯的脱附,从而表现出优良的催化活性与选择性。通过该策略还进一步成功合成了尺寸小于2nm的PtZn金属间纳米颗粒,显示出良好的普适性。
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