基本信息
- 项目名称：
- 一种高催化性能的镍掺杂二氧化铈纳米线
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我们通过水相合成手段，我们发展了一种无表面活性剂的可控合成二氧化铈纳米线的绿色新方法，并且实现了在晶格中均匀掺杂低价态的镍离子，控制了纳米晶表面及亚表面的缺陷浓度，从而很好的控制了二氧化铈纳米线的形貌。通过性能测试，我们发现，该材料具有较已有报道的更高的催化活性，大幅减小了一氧化碳催化氧化的起活温度。
- 详细介绍：
- 二氧化铈在水汽转化反应，汽车尾气三效催化剂，以及燃料电池等领域有着广泛的研究和应用。通常被用作催化剂，催化剂载体和燃料电池的固态导体。在本工作中，我们发展了一种溶剂热的无毒简单的符合绿色化学要求的新方法，以乙二醇为溶剂，无表面活性剂，通过酸调控和自组装途径，合成了直径为十纳米的形貌均匀的二氧化铈纳米线，并且在同样的体系中引入镍离子，合成了镍均匀掺杂于晶格和表面的项链状纳米线。均匀掺杂的低价态小半径离子引入外在的晶格应力，促进了表面和亚表面缺陷的产生，提高了晶体表面的氧空位浓度，材料的储氧能力和一氧化碳催化氧化活性大幅提高，催化剂起活温度减少了70℃，一氧化碳的完全转化温度减少了150℃。
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撰写目的和基本思路
- 发展了一种无表面活性剂的可控合成二氧化铈纳米线的绿色新方法，并且实现了在晶格中均匀掺杂低价态的镍离子，控制了纳米晶表面及亚表面的缺陷浓度，从而获得了较已有报道的更高的催化活性，大幅减小了一氧化碳催化氧化的起活温度，为环境催化，尤其是汽车尾气净化处理提供一种新材料。
科学性、先进性及独特之处
- 本文首次引入了乙二醇和硝酸的体系，在无需表面活性剂的条件下，合成了形貌均匀的纯的及镍掺杂的二氧化铈，在无需负载贵金属的条件下获得了很高的催化活性，较之前报道的方法操作简单，试剂无毒，更符合绿色化学的原则，且极大降低了贵金属带来的生产成本。该材料在燃料电池，汽车尾气处理等领域有着很高的应用前景。
应用价值和现实意义
- 二氧化铈作为一种催化剂和催化剂载体有着很广泛的应用，尤其是在汽车尾气处理催化剂中作为重要的载体。以往报道的二氧化铈材料受自身性能的限制催化活性较低，并不能满足实际应用需要，需要负载贵金属。我们控制合成了尺寸均一，比表面大，催化活性高的镍掺杂二氧化铈纳米线，具有诸多优势，在研究氧化物催化机理和实际应用中都具有很高的价值。
学术论文摘要
- 二氧化铈在水汽转化反应，汽车尾气三效催化剂，以及燃料电池等领域有着广泛的研究和应用。通常被用作催化剂，催化剂载体和燃料电池的固态导体。在本工作中，我们发展了一种溶剂热的无毒简单的符合绿色化学要求的新方法，以乙二醇为溶剂，无表面活性剂，通过酸调控和自组装途径，合成了直径为十纳米的形貌均匀的二氧化铈纳米线，并且在同样的体系中引入镍离子，合成了镍均匀掺杂于晶格和表面的项链状纳米线。均匀掺杂的低价态小半径离子引入外在的晶格应力，促进了表面和亚表面缺陷的产生，提高了晶体表面的氧空位浓度，材料的储氧能力和一氧化碳催化氧化活性大幅提高，催化剂起活温度减少了70℃，一氧化碳的完全转化温度减少了150℃。
获奖情况
- 本论文已发表在国际化学领域权威杂志《化学通讯》Chemical Communications上, 该刊物已被国际科学文献索引（SCI）权威检索收录，影响因子为5.504。 两位审稿人均认为工作中的材料结构新颖，镍掺杂尚未有报导，在不负载贵金属的条件下大幅提高催化活性也鲜有报导，结果比较有价值。
鉴定结果
- 科技查新报告显示：目前在国内外文献中，尚未见他人报道的与本次查新项目研究内容和方法一致的报道。
参考文献
- 1.Q. Fu, H. Saltsburg and M. Flytzani-Stephanopoulos, Science, 2003, 301, 935; 2.B. C. H. Steele and A. Heinzel, Nature, 2001, 414, 345. 3.A. Trovarelli, Catal. Rev., 1996, 38, 439; 4.F. Esch, S. Fabris, L. Zhou, T. Montini, C. Africh, P. Fornasiero, G. Comelli and R. Rosei, Science, 2005, 309, 752; 5.Q. Yuan, H. H. Duan, L. L. Li, L. D. Sun, Y. W. Zhang and C. H. Yan, J. Colloid Interface Sci., 2009, 335, 151. 6.B. C. H. Steele and A. Heinzel, Nature, 2001, B. C. H. Steele and A. Heinzel, Nature, 2001, 414, 345. 7.X. W. Liu, K. B. Zhou, L. Wang, B. Y. Wang and Y. D. Li, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 3140.
同类课题研究水平概述
- 二氧化铈是一种应用广泛的稀土氧化物，通常用作催化剂载体，负载贵金属等活性催化剂。二氧化铈本身的催化活性来自于其表面的缺陷，即氧空位产生的三价四价铈的氧化还原离子对。纳米尺度二氧化铈的可控合成提供了控制材料形貌，表面特性和缺陷密度的方法，被人们大量研究。 Trovarelli 等人 (Catal. Rev., 1996, 38, 439）清楚阐释了二氧化铈催化的机理和表面过程，Sayle等人(J. Am. Chem. Soc. 2002，124，11429）通过计算发现二氧化铈的不同晶面活性是（100）>（110）>（111），指导了二氧化铈纳米材料的合成方向，控制纳米晶的暴露面：李亚栋等人（J. Catal., 2005, 229, 206；J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 3140）在纳米棒的合成和催化实验上验证了以上的结论，高濂等（J. Am. Chem. Soc.,2006,128,9330）首次合成了暴露（100）面的纳米立方块。在提高二氧化铈的催化性能方面，通过负载贵金属，合成混合氧化物及固溶体，掺杂等方法，控制缺陷密度，引入活性组分来达到目的，但是这些手段制得的二氧化铈形貌不宜控制，不利于进一步的研究和优化。我们的工作很好地同时达成了控制形貌并且提高催化性能两个目标，用简单的合成方法在无需贵金属的条件下获得了与贵金属接近的催化性能，并且在研究二氧化铈的催化机理，尤其是在掺杂条件的催化反应方面，起到了一定的贡献。
