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地球环境研究所研发锰取代尖晶石材料实现晶格氧与分子氧路径协同净化甲苯

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甲苯在大气环境中含量高、来源广、环境效应强,且健康风险明确,是公认的VOCs典型组分,开发其催化净化技术对大气VOCs治理技术的发展具有显著的现实意义。以甲苯为对象开发催化材料与技术,不但实现单一污染物的治理,还可作为VOCs目标污染物、技术手段和机制认识的重要代表,对推动大气VOCs净化技术的发展具有不可替代的典型意义。传统过渡金属氧化物在催化过程中低温还原性弱、氧物种活性不足。阳离子取代策略可显著提升金属氧化物的VOCs氧化活性,但晶格氧的活化路径及其与氧空位的关联性仍存争议,阳离子取代调控氧活化的内在机制仍有待阐明。

近期,中国科学院地球环境研究所空气净化新技术团队(AirPNT)创新采用普鲁士蓝类似物为前驱体,精准设计系列锰取代的铁钴尖晶石(FexCo3-xO4)催化材料(图1),实现了晶格氧与分子氧的双路径协同作用,显著提升了甲苯催化氧化性能(T90降低约51℃)(图2)。材料表征结果还显示,Mn3+取代FexCo3-xO4八面体配位的Co3+位点,可通过调控Mn−O−Co结构中的金属−氧键活化表面晶格氧,同时生成大量氧空位以活化分子氧(O2)。综合程序升温实验、同位素标记与原位光谱结果,研究发现甲苯可被界面晶格氧与O2活化所产生的化学吸附氧同步氧化,最终实现甲苯的完全矿化(图3)。该研究阐明了晶格氧与分子氧在甲苯氧化中的协同作用机制,为VOCs净化材料的设计提供了新思路。

相关成果发表于Environmental Science & Technology,朱丹丹博士后为第一作者,黄宇研究员为通讯作者。该工作受国家自然科学基金(52200137)、中国博士后基金(2022M713126)和中国科学院青年交叉团队项目等共同资助。

Zhu, D., Chen, M., Fu, L., Li, R., Cui, L., Cao, J., Lee, S., Zhang, J., Huang, Y. Integrating lattice and molecular oxygen pathways to enhance toluene oxidation via Mn substitution in FexCo3-xO4 spinel. Environmental Science & Technology (2026). http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.6c06446


图1. 锰取代铁钴尖晶石系列催化材料的形貌结构


图2. 锰取代铁钴尖晶石系列催化材料的甲苯氧化活性和稳定性


图3. 锰取代铁钴尖晶石催化氧化甲苯的反应机理研究

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