一、研究背景

催化氧化一氧化碳（CO）是净化汽车尾气或在氢气气氛中优先氧化CO的重要步骤。设计高性能的CO低温氧化催化剂对节能环保和人体健康具有重要意义。通过对CO低温氧化机理和技术的研究，我们可以找到设计高效活性位点的解决方案，促进相关领域的发展。

许多催化剂已被用于通过完全氧化有效地消除CO。其中表现出显著催化性能的催化剂是基于ceo2的催化剂。CeO2能够在不同的氧气条件下提供和储存氧气。这主要是由于Ce3+和Ce4+的转化导致氧空位的产生，从而显著增强了CO的氧化作用。Pandit和Ahmad利用水热法有效地合成了CeO2和ZrO2纳米球，使其成为高性能气体传感器的优秀候选材料。这表明CeO2载体具有出色的气敏能力。此外，铜是一种活性金属，具有三种不同的价态，其氧化物在低温下表现出高活性。此外，铜的易电子转移导致氧化物价态的改变，从而引起氧分子的释放或捕获，并随后形成氧空位。催化剂的效率取决于CuO和CeO2之间界面位的相互作用。这种效率与CO的氧化以及铜和铈界面上丰富的Ce4+/Ce3+和Cu2+/Cu+的氧化还原循环有关。界面CuO的还原有利于Cu+的形成，而界面CuO主要被认为是CO的吸附位点。因此，选择铜作为活性金属，选择CeO2作为载体。

传统的Cu/ ceo2基催化剂的制备方法有浸渍法、溶胶-凝胶法、沉淀法、混合法和离子交换法等。然而，精确控制Cu纳米颗粒在CeO2载体中的位置仍然很困难。气相反应的性能和稳定性还受到催化剂内部气体扩散和电子传递速率的制约。静电纺丝是一种制造纳米纤维催化剂的方法，它具有更大的孔隙度，从而促进气体扩散。此外，各种活性组分在催化剂中的均匀分布有利于有效的电子转移。同时，它也是一种用于合成纳米材料的新技术，在催化剂制备领域具有广泛的适用性。静电纺丝技术在制备催化剂方面具有若干优点。它的一个优点是由于对高分子聚合物的煅烧，可以很容易地制备具有高比表面积的多孔纳米材料。例如，我们之前的工作利用可控的环境以及Ni纳米颗粒和CeO2纳米纤维的协同影响，在300°C的低温下实现了令人印象深刻的82.3%的CO2甲烷化转化率。此外，静电纺丝技术可以控制催化剂的形态和结构。通过改变静电纺丝过程中的工艺参数，可以合成具有不同形貌和结构的催化剂。Yan等人采用简易喷丝板静电纺丝技术制备了具有纳米管、纳米带和纳米管内线结构的CeO2催化剂。这些结构被用于有效地制造用于甲苯燃烧的催化活性材料。最后，静电纺丝可用于制备复合催化剂，具有较高的催化活性和选择性。因此，我们选择了静电纺丝技术来制备Cu-Ce催化剂。

基于上述分析，本研究的目的是研究不同铜容量和结构关系对铜铈界面的影响。随后通过原位掺杂静电纺丝技术和浸渍法制备了铜含量为10%的两种催化剂。此外，还研究了Cu - ce催化剂上Cu负载对催化性能的影响。对样品进行了各种结构表征，以阐明其结构性能。10Cu-Ce催化剂中CO氧化活性的提高导致在90°C下完全转化，这可归因于活性位点上Cu+-Ov-Ce3+界面提供的好处。最后，应用密度泛函理论（DFT）计算验证了10Cu/Ce和10Cu - Ce样品在低温下CO氧化的实验推导。

二、摘要

使用非贵金属催化剂消除CO排放至关重要。cu基催化剂在CO氧化中得到了广泛的应用，但其在低温下的活性和稳定性仍然是一个挑战。本文报道了一种高效铜掺杂铈静电纺丝纤维催化剂的制备及应用。得到的10Cu-Ce纤维催化剂在低至90℃的温度下实现了完全的CO氧化。而浸渍法制备的参考10Cu/Ce催化剂在相同的反应条件下需要110℃才能完全氧化CO。在铜和铈之间的界面处构建了不对称氧空位（ASOV），可以有效地吸收参与反应的气体分子，从而导致CO的氧化增强。10Cu-Ce催化剂吸附CO的特殊能力归因于其独特的结构和表面相互作用相Cu+-Ov-Ce3+，一系列表征和DFT计算证明了这一点。这种利用静电纺丝的新方法为开发低温非贵金属基催化剂提供了一种很有前途的技术。

三、结论

本文采用静电纺丝设备成功合成了一系列掺杂铜的二氧化铈静电纺丝纤维。合成了不同铜含量的纤维，在10% Cu-Ce催化剂下，在90°C的低温下实现了完全的CO转化。通过将制备方法改为传统的浸渍法，10% Cu/Ce需要更高的温度（110℃）才能完全转化CO。研究结果表明，与相同铜含量的负载型催化剂相比，直接掺杂纺丝纤维可以暴露更多的氧空位，对活性气体分子具有更强的吸附能力。此外，静电纺丝促进了活性位点的分散，从而使纳米纤维具有杂原子和CeO2物种的原位装饰成为可能。这种嵌入结构增强了界面上Cu+-Ov-Ce3+活性位点的生成，从而实现了高效的动态电荷平衡。通过各种表征，我们总结了铜掺杂对催化性能的影响，并确定了铜铈催化剂广泛应用的障碍和潜在解决方案。本工作为各种催化反应的高效非贵金属基催化剂的研制提出了未来的研究和发展方向。

图1.静电纺丝法(a)和浸渍法(b)制备10Cu - ce催化剂示意图。

图2.10Cu-Ce的SEM （a-d）和TEM （e-h）图像。HAADF图像(i)和Cu (j)、O (k)、Ce (l)的映射图像。