纳米CeO₂作为一种重要的稀土氧化物纳米材料，其丰富的氧空位、与金属的强相互作用以及不同暴露晶面的可控，是多相催化中重要的催化剂载体之一。CeO₂负载的催化剂，特别是贵金属催化剂。本文将从金属-载体相互作用的角度出发，探讨纳米CeO₂的催化机理。

纳米CeO₂的物理化学特性

晶体结构与组成

纳米CeO₂通常具有立方晶系的萤石型结构，这种结构使得氧离子在晶格中具有较高的迁移率，从而赋予CeO₂良好的氧化还原性能。铈原子在+4价和+3价之间的可逆变化，为CeO₂提供了氧化还原能力，使其能够在催化反应中存储和释放氧原子。

纳米尺寸效应

纳米CeO₂的粒径一般在1-100纳米之间，其比表面积大，表面原子比例高，活性位点丰富。这些特性使得纳米CeO₂在催化反应中能够提供更多的活性位点，促进反应物的吸附和活化，从而提高催化活性。

金属-载体相互作用与纳米CeO₂

金属-载体相互作用概述

金属-载体相互作用（MSI）是指金属颗粒与载体之间的相互作用，这种相互作用对催化剂的活性、选择性和稳定性产生重要影响。MSI可以通过电荷转移、化学键形成等方式影响金属组分的电子结构和几何结构，从而调控其催化性能。

纳米CeO₂与负载金属的相互作用

纳米CeO₂与负载金属之间通常会形成相互作用。由于Ce³⁺和Ce⁴⁺在CeO₂中的转化是灵活的，强电子相互作用使表面氧能与金属原子强烈结合。金属原子倾向于与氧而不是金属结合，因此CeO₂上的单原子分散通常比聚集成纳米颗粒更占优势。M-O-Ce结构有助于在CeO₂上保持金属分散，这种金属-CeO₂相互作用是开发许多高效CeO₂负载纳米催化剂的关键因素。

相互作用对催化性能的影响

纳米CeO₂与负载金属之间的相互作用可以影响催化剂的催化性能。例如，在CO氧化反应中，Au/CeO₂催化剂表现出催化活性。CeO₂作为催化剂载体，其主要作用就是供给Au催化剂活性氧以提高Au催化剂的活性。通过调控CeO₂载体的尺度，可以进一步提高催化剂的整体活性。此外，在水煤气变换反应中，CeO₂负载的催化剂也表现出良好性能。氧空位作为催化反应中的关键活性位点，更容易生成于CeO₂的特定晶面上，从而促进了反应的进行。

纳米CeO₂负载金属催化剂的催化机理

氧化还原反应

在氧化还原反应中，纳米CeO₂的氧化还原性能发挥着重要作用。例如，在汽车尾气净化中，纳米CeO₂可以存储和释放氧原子，从而促进一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）的氧化反应，以及氮氧化物（NOₓ）的还原反应。通过与金属活性组分（如铂、钯等）的协同作用，纳米CeO₂能够提高催化剂的氧化还原能力，实现尾气净化。

加氢反应

在加氢反应中，纳米CeO₂可以作为助催化剂，提高金属催化剂的活性和选择性。例如，在某些烃类的加氢反应中，纳米CeO₂能够与镍基催化剂协同作用，改善反应条件，提高加氢效率。纳米CeO₂通过提供氧空位和调节金属催化剂的电子结构，促进反应物的吸附和活化，从而提高加氢反应的活性和选择性。

光催化反应

纳米CeO₂在光催化反应中也具有作用。它能够吸收光能，产生光生电子-空穴对，从而引发一系列的光催化反应。例如，在光催化降解有机污染物方面，纳米CeO₂可以利用光能将水分子分解产生羟基自由基（·OH）等活性氧物种，这些活性氧物种能够与有机污染物发生氧化还原反应，将其分解为二氧化碳和水等无害物质。通过与金属纳米颗粒（如银、铜等）的协同作用，纳米CeO₂能够提高光生载流子的分离效率，增强光催化性能。