机动车尾气催化剂的精准设计与制备
机动车尾气排放已成为我国空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因，机动车污染防治的紧迫性日益凸显。随着我国排放标准日趋严格，开发具有优异活性，持久性和高温稳定性的催化剂成为了目前机动车尾气催化剂开发的研究热点。我们通过利用第一性原理方法，理性设计具有优异活性的催化剂结构，并且阐明其催化机理。然后我们结合传统化学合成方法以及原子层沉积技术，可控制备出具有优异性能的模型催化剂，并研究其催化反应机理，为机动车尾气催化剂的开发提供新思路和方法。
1 催化剂精准设计和催化机理研究
多元复杂氧化物相比于单元氧化物具有优异的催化活性和热稳定性一直以来受到了广泛关注，特别是钙钛矿和莫来石被报道处具有优异的NO氧化性能。我们基于表面巨势方法系统研究具有Jahn-Teller效应的钙钛矿表面稳定相图，成功预测出氧化物催化活性面。通过第一性原理计算，揭示了钙钛矿表面NO氧化基元反应机理，通过系统研究掺杂对催化性能的影响，建立氧化物表面NO氧化的构效关系。另外，我们基于第一性原理方法系统研究莫来石表面稳定相图，提出了表面NO氧化反应机理。
图1. LaCoO3钙钛矿结构活性晶面预测和NO氧化性能优化理性设计
图2. SmMn2O5莫来石结构表面稳定性计算和NO氧化催化机理研究
2 纳米催化结构的可控制备
原子层沉积是一种特殊的基于气相化学反应的薄膜制备技术，其沉积过程是通过一系列连续的自限制半反应来实现的。原子层沉积具有薄膜厚度亚纳米级精确可控的特点，并且在表面结构复杂的载体上能够保证沉积薄膜的均匀性和保形性。在催化剂可控制备方面，原子层沉积可以实现贵金属纳米颗粒的可控制备、调控载体氧化物表面的化学性质、制备核壳以及选择性包覆纳米结构等。结合分子自组装技术和原子层沉积技术，我们可控制备出贵金属核壳结构以及活性氧化物纳米陷阱结构，显著提高贵金属的低温CO氧化性能和热稳定性。
图3. Co3O4纳米陷阱结构以及该结构牟定Pt纳米颗粒的低温CO氧化性能和热稳定性测试