Ru/CeO2催化剂载体氧缺陷的本征活性及其催化作用机制研究

　　二氧化铈表面的氧缺陷是多相催化领域一种非常重要的催化结构。在催化反应（例如CO氧化、水煤气转换和CO/CO2加氢）中，通常认为氧缺陷的主要作用机制为：（1）储存和释放氧，（2）促进负载金属的分散度，提高其催化活性。但是，对氧缺陷的本征活性及其在催化反应历程中关键作用（例如对反应路径的选择和速控步的影响）的研究与认识仍然不足，制约了相关催化剂的结构与性能进一步优化。北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室的一个研究组对Ru/CeO2催化剂的载体缺陷结构和作用机制进行了深入研究，相关研究成果发表在2016年5月2日的《Journal of the American Chemical Society》上。 

　　图1 Ru/CeO2-NCs催化剂为基础的CO2甲烷化反应过程。 

　　该研究组以载体择优暴露（100）晶面的Ru/CeO2-NCs催化剂为基础，采用多种原位结构表征手段，在甲烷化反应条件下，认识氧缺陷及相关结构的变化、重构规律，确定本征活性结构。基于原位红外及稳态同位素瞬变动力学方法，获取CO2甲烷化反应机理方面的信息，从而在分子尺度上描述氧空位催化CO2甲烷化反应过程。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）获得了Ce3+的结构信息及其在催化反应中的结构变化。在催化剂还原过程中，Ce3+的含量逐渐升高，显示了Ce4+逐渐向Ce3+的转变过程。而在反应过程中，Ce3+的含量在通入反应气体后快速降低。结合原位红外的结果，证明Ce3+作为路易斯碱促进CO2转变为CO2d-，而自身转变为Ce4+。 

　　该工作报道了CO2甲烷化反应中活性位决定的反应机理。合理应用了多种原位测试手段，包括XANES, IR和Raman，为揭示多相催化反应体系中本征活性位的构效关系提供了可行的研究思路和途径，为新型多相催化剂的结构设计提供了一定的理论基础。

　　发表文章: 

　　Fei Wang, Shan He, Hao Chen, Bin Wang,* Lirong Zheng, Min Wei,* David G. Evans, Xue Duan, Active Site Dependent Reaction Mechanism over Ru/CeO2 Catalyst toward CO2 Methanation, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6298-6305.