稀土是一种战略性稀缺资源,提高稀土资源的利用率和附加值一直是研究人员追求的目标。近日,学院工业催化学科陈银飞教授、卢晗锋教授团队与美国橡树岭国家实验室戴胜教授合作,在稀土铈基固溶体催化剂制备及其催化氧化反应上取得突破,在国际顶级期刊NATURE子刊《自然—通讯》(Nature Communications)发表题为“Mesoporous MnCeOx solid solutions for low temperature and selective oxidation of hydrocarbon” 的论文。Nature Communications为Nature系列的综合性杂志,专门发表生物学、物理学和化学等各领域的高质量研究论文,是体现相应研究领域重要进展的代表性杂志。2014年该杂志的影响因子为11.47。我院卢晗锋教授与美国橡树林国家实验室戴胜教授为该文共同通讯作者,我校课题组陈银飞教授和周瑛、朱秋莲老师作为共同作者参与完成了论文工作。
铈基固溶体催化材料是稀土综合、高效利用的重要研究方向之一,通过在CeO2立方晶胞中溶解异质金属离子,可有效提高CeO2稀土材料的催化特性。但现有制备技术中,异质金属离子在CeO2立方晶胞的溶解度有限(不超过20%),严重限制了稀土CeO2的催化效率,因此如何提高CeO2晶胞中异质金属离子溶解度,是复合氧化物材料制备的一个重要科学问题。
在该论文中,团队提出了一种以全新离子液体为媒介的溶胶-凝胶合成方法,利用离子液体氢键作用和造孔能力,通过蒸发引导自组装技术,构建了具有丰富介孔结构(2-5 nm)和大比表面积(450 m2/g)的均相锰铈(MnCeOX)固溶体材料。在该材料中,锰离子(Mn4+)在氧化铈(CeO2)晶胞中溶解度达到了50%,使稀土氧化铈立方萤石结构中出现大量氧缺陷位,大幅提升了材料有效活性氧数量和氧传输能力,催化氧化性能得到了突破性提高。通过该方法制备的MnCeOX固溶体催化剂,在环己烷氧化合成KA油(环己酮和环己醇)的气液固三相反应中表现出极高的C-H健活化和低温供氧能力,在100 ℃温度下,环己烷单程转化率即达到21%(目前工业生产中一般为3-5%,150 ℃),KA油选择性在90%以上。同样在一氧化碳(CO)氧化气固两相催化反应中也表现出优异的活性,在室温下,其CO转化率即达到17%,在90oC下达到100%的转化率,远高于目前报道的MnCe复合氧化物催化剂性能。
据悉,陈银飞教授、卢晗锋教授团队多年来一直致力于复合氧化物材料及其在催化氧化应用的研究,在国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江省重大科技专项、校创新团队和校青年英才计划的资助下,在有机废气(VOCs)、氮氧化物(NOX)和汽车尾气等大气污染控制领域中取得了一些成果,课题组近3年来在J. Am. Chem. Soc.、Chem. Commun.、J. Hazard. Mater.、Catal. Sci. Tech.等国际期刊发表论文十几篇。
论文全文链接为:http://www.nature.com/ncomms/2015/151015/ncomms9446/full/ncomms9446.html。