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对于界面敏感反应的多相催化体系,金属与载体间强相互作用(SMSI)对催化活性和选择性具有重要影响,例如水煤气变换反应(WGSR:CO+H2O(?)CO2+H2;△H0=-41.2 kJ mol-1)。该反应主要用于生产高纯度的H2和消除燃料电池原料气流中残留的CO,防止Pt电极中毒,在工业制氢和燃料电池中具有重要的应用价值。因此,发展新型高效的低温水煤气变换反应(LT-WGSR)催化剂引起了研究者的广泛关注。近年来,氧化物负载的 Cu 基催化剂(如 Cu/CeO2,Cu/SiO2,Cu/ZnO 和 Cu/TiO2)在 LT-WGSR中显示出巨大的应用潜力;相关研究表明,金属氧化物的界面位点是WGSR的主要活性位点。然而,如何有效调控SMSI从而提升Cu基催化剂的本征活性、揭示SMSI的界面协同催化机制等关键科学问题,仍然面临挑战。本论文基于水滑石(LDHs)前体材料独特的性质(层板金属离子高度分散、层板元素种类和比例可调),通过精细调控CuZnTi-LDHs前体的化学组成以及结构拓扑转变过程,制备了一种新型SMSI强度可调的LT-WGSR催化剂(Cu/ZnTi-MMO),实现了催化活性的显著提升。催化剂的结构和形貌表征证实,以LDHs前体法制备的负载型催化剂具有比表面积大、结构稳定性高、金属颗粒高分散等优势。基于多种原位表征手段,证实了催化剂的几何结构和电子结构,建立了催化剂结构与WGSR性能间的关联,揭示了 WGSR的本征活性位结构。采用原位表征手段监测界面活性位结构在反应过程中的动态变化,证实了一种新型界面协同催化机制。本论文工作为新型、高效Cu基催化剂的制备以及WGSR催化反应机理研究提供了一定的理论依据和实践探索。本论文主要的研究工作及结论如下:1.Cu/ZnTi-MMO催化剂中SMSI的调控及其对LT-WGSR催化性能的影响以CuZnTi-LDHs为催化剂前体,通过调变其结构参数,经高温拓扑转变过程制备得到复合金属氧化物负载的Cu基催化剂(Cu/ZnTi-MMO)。其中,最佳催化剂Cu/ZnTi-MMO(H350)具有卓越的LT-WGSR催化性能,在 250℃时的 TOF 值为 5.7×10-2 s-1,反应速率达到 19.7μmolcogcat-1s-1,超过目前已有文献报道的其他Cu基催化剂。通过XRD、TEM、ac-HAADF-STEM等手段,证实了 Cu纳米颗粒与ZnTi-MMO载体间存在SMSI现象。基于准原位X射线光电子能谱(XPS)和原位X射线吸收精细结构谱(XAFS)表征手段,证实了 Cu/ZnTi-MMO催化剂金属-载体界面位点存在着较强的电子转移效应,电子从Cu向Zn转移,诱导产生了大量Cuδ+物种;准原位XPS进一步揭示了 Cu/ZnTi-MMO存在Ov-Ti3+物种。研究发现催化剂表面的Cuδ+浓度和Ov-Ti3+比例与转换频率(TOF值)分别具有正相关性,证实了Cuδ+-Ov-Ti3+界面位结构为本征活性中心。本论文工作通过调控SMSI强度,制备了具有较高LT-WGSR催化性能的Cu基催化剂,并确认了本征活性中心。2.Cu/ZnTi-MMO催化剂的界面协同催化机制研究基于上一部分工作中SMSI的调控及其对LT-WGSR催化性能的研究,以最佳催化剂样品Cu/ZnTi-MMO(H350)为研究对象,采用不同反应气氛下原位漫反射傅立叶变换红外光谱(insitu DRIFTS)、原位扩展边X射线吸收精细结构谱(in situ EXAFS)和程序升温表面反应-质谱联用(TPSR-MASS)相结合的研究手段,揭示了界面活性位结构在WGSR中经历的演变历程:H2O分子直接在Cuδ1+-Ov-Ti3+界面活性位上发生吸附解离生成界面活性羟基物种,并诱导界面位结构发生氧化转化为Cuδ2+-O-Ti4+;CO在Cuδ+位发生活化吸附,与H2O解离产生的羟基物种结合生成中间产物再分解为CO2,并伴随界面活性位结构复原为Cuδ1++-Ov-Ti3+。本论文工作揭示了界面协同催化作用的过程,为高效Cu基催化剂的设计提供了新思路,具有一定的理论价值和实际应用前景。