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质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常以H2为燃料,其主要来源是烃类重整气,其中痕量的CO (10 ppm)极易造成Pt电极中毒甚至失活,因此,必须采取有效的方法脱除CO。优先氧化法(CO-PROX)是脱除CO简单有效的办法之一,纳米Au催化剂在该反应中表现出优异的低温活性。目前存在的难题是设计在PEMFC工作温度(80-120℃)条件下,具有高活性,高选择性和高稳定性的Au催化剂。为此,本文选择性能稳定的Al2O3为载体,设计制备了负载型Au/Al2O3催化剂,在此基础上合成了双金属Au-Cu/Al2O3催化剂、稀土和过渡金属改性的Au/CeO2/Al2O3和Au/MnO2/Al2O3复合载体催化剂,系统研究了制备条件对催化剂结构和表面化学性质以及CO氧化反应性能的影响,探讨了Au催化剂结构和反应性能之间的构效关系,显著提高了Au催化剂在CO-PROX反应中的活性、选择性和稳定性。(1)以自制Al2O3为载体,采用沉积沉淀法合成了Au/AI2O3催化剂。研究了预处理气氛对其CO催化氧化性能的影响,结果表明,氢气预处理后的Au/Al2O3-H2催化剂在60℃即可实现CO的完全转化,在H2O和CO2共存时可以保持较高的稳定性。光谱表征结果发现H2气氛预处理有利于提高Au催化剂对CO的吸附能力以及对氧气的活化作用,从而导致催化剂具有较高的低温CO氧化活性。(2)利用Cu对CO和O2的吸附与活化作用,设计制备一种新型双金属Au-Cu/Al2O3催化剂。研究表明,所制备的催化剂中金属粒子具有更高的分散度和较小的尺寸,平均粒径约为1.8±0.2 nm。在富氢气条件下,50-100℃范围可以实现CO的完全转化。为进一步提高催化剂的选择性,考察掺杂碱金属K对CO-PROX反应活性的影响,发现2wt.%K掺杂的Au-Cu/K-Al2O3催化剂的催化活性最好,60-110℃范围内可以实现CO的完全转化,80℃时CO2的选择性为60%。原位红外研究表明,K的掺杂提高了在较高温度时Cu+物种对CO的吸附能力,从而提高PEMFC在80-120℃温度范围内的CO-PROX反应活性和选择性。(3)利用Au与稀土氧化物(CeO2)之间的相互作用,制备了Au/CeO2/Al2O3催化剂和Au-Cu/CeO2/Al2O3催化剂,所合成的Au催化剂CO-PROX反应性能明显提高。Raman和H2-TPR等表征发现,Ce02的掺杂在催化剂表面引入了氧空位,增强了Au与A1203载体之间的相互作用,有利于提高CO-PROX反应的活性,拓宽了CO完全转化时的反应温度窗口(30-70℃)。(4)通过液相还原法制备了MnO2-Al2O3复合载体,利用Au与MnO2之间的强相互作用,成功合成了高分散的Au/MnO2/Al2O3催化剂。研究表明,Au/Al2O3催化剂的结构和物理性质不受Mn掺杂的影响,所合成的催化剂Au粒子尺寸均匀,约为4.8 nm。在PEMFC工作窗口温度范围内表现出优异的活性,CO转化率100%,CO2选择性80%(80℃),优于目前文献所报道的结果。另外,在H2O和CO2共存的条件下,经过40 h,Au/MnO2/Al2O3催化剂表现出良好的稳定性能,80℃的CO的转化率保持在95%,CO2选择性为55%。结合催化剂表征结果,将高活性归因于Mn的引入可以改变纳米Au粒子自身的价态结构,增强了Au与复合载体之间的相互作用和催化剂的还原性能。