第一作者：高洪润通讯作者：宋忠贤 副教授 (河南城建学院)、张学军 教授 (沈阳化工大学)论文DOI:10.1016/j.apcatb.2024.124745图文摘要成果简介近日，沈阳化工大学张学军教授团队在环境和能源催化领域知名期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》（中科院一区TOP，IF=20.2）上发表题为“Tight coupling of oxygen vacancies and acidity on α-MnO2through cerium doping engineering for efficient removal of multi-component VOCs”的研究论文。基于对多组分VOCs催化氧化反应机理的理解，设计了一种具有优异催化多组分VOCs氧化性能的MnCe复合氧化物催化剂。Ce掺入特殊的α-MnO2（2 × 2孔道结构）结构，Ce和Mn间的Jahn-Teller效应和库仑排斥作用产生了更多的Mn3+，导致氧空位和酸性中心数量增加。此外，酸性结构变化促进了催化剂对氯苯分子的吸附与活化，加快反应进程；通过原位DRIFTS发现除MvK氧化机理外，甲苯和氯苯联合去除时还存在E-R机制。引言低温下有效控制混合VOCs减排尤为重要。热催化氧化技术是控制多组分VOCs烟气最有效的技术之一，催化剂是技术核心。当前，为了克服多组分VOCs中氯物种对催化剂的毒害作用，广大研究者付出了巨大的努力开发环境友好的低温多组分VOCs催化剂（< 300 ℃)。但是，此类VOCs催化剂依然存在低温性能差和成本较高的问题。基于对去除多组分VOCs催化剂的催化机理、氯中毒机理的长期研究和认识，研究人员在本工作中设计制备了催化活性高、脱氯性能强的Mn-Ce复合氧化物催化剂。图文导读Fig.
1. Activity diagram of the MnCe catalyst (a), CO2 selectivity (b),
cycling stability of MnCe-7% (c), cycling stability of α-MnO2 (d),
cycling stability of Mn/Ce-7% (e), long-term stability of the MnCe catalysts
(f) and H2O resistance test of MnCe-7% (g).催化剂结构Fig.
2. XRD (a) of MnCe series catalysts. DFT model (b) of α-MnO2, DFT
model (c) of MnCe-7%, where light yellow represented Ce atoms, dark purple
represented K atoms, light purple represented Mn atoms, and red represented O
atoms. EPR (d), Raman (e), FTIR (f), TEM (i), EDS (i), and elemental
distribution (j) of α-MnO2 and (h) MnCe-7% of MnCe series catalysts.
TEM of α-MnO2 (g) and MnCe-7% (h), EDS of MnCe-7% (i) and elemental
distribution (j).通过结构表征和DFT计算（Fig. 2），我们发现在MnCe-7 %样品中存在着Ce-O-Mn强相互作用，Jahn-Teller效应和库仑排斥作用产生了更多的Mn3+，导致氧空位和酸性中心数量增加。酸性提升对抑制氯离子的吸附起着至关重要的作用。酸性与VOCs吸附位点Fig.
3. NH3-TPD (a), NH3-FTIR (b), (NH3+Toluene)-FTIR
(c) and (NH3+CB)-FTIR (d) of the MnCe series of catalysts.通过NH3-TPD表征和NH3+VOCs-FTIR原位实验（Fig. 3），我们发现在MnCe-7 %样品中Ce的引入导致Brønsted数量增加。Brønsted酸性的提升可以加快氯苯吸附和脱氯作用。催化机理Fig.
4. In situ DRIFTS spectra of the MnCe-7% catalyst under anaerobic aerobic
conditions (a) and in situ DRIFTS data of Toluene (b), CB (c) and toluene+CB
(d) under aerobic conditions at 240 °C. α-MnO2 (e), MnCe-7% (f) and
Mn/Ce-7% (g) at different temperatures. α-MnO2 (e) and Mn/Ce-7% (g)
at 240 °C. α-MnO2 (e), Mn/Ce-7% (f) and Mn/Ce-7% (h) at different
temperatures. MnCe-7% in situ DRIFTS at 240 °C under aerobic conditions with
passage of CB followed by Toluene (h) and with passage of Toluene followed by
CB (i).原位DRIFTS表明，MnCe催化剂上的Lewis酸位点和氧空位能够有效地氧化VOC分子。这些酸位点和氧空位与甲苯和CB的快速吸附和氧化之间的紧密结合是MnCe-7%催化剂优异催化性能的主要原因。小结这项工作从去除多组分VOCs催化剂上反应物分子表面吸附特点和反应机理的角度出发，设计制备了一种具有高活性的Mn-Ce复合氧化物催化剂，利用物理化学表征、DFT计算和原位DRIFTS手段研究了其催化氧化机制，本研究的发现为开发多组分VOCs催化净化催化剂奠定了理论基础。作者介绍高洪润：沈阳化工大学硕士研究生，以第一作者在Applied
Catalysis B: Environment and Energy和Separation
and Purification Technology发表2篇文章。邮箱：2508406133@qq.com。宋忠贤：工学博士，副教授，硕士研究生导师。现任河南城建学院市政与环境工程学院副院长，主要研究方向为大气污染控制技术，主持/参与国家级、省部级项目6项，发表高水平论文95篇。张学军：工学博士，教授，博士研究生导师。入选皇家化学会会士（FRSC）、辽宁省优秀教师、辽宁省教学名师、辽宁省优秀研究生导师等。现任沈阳化工大学创新创业学院院长，国家一流专业环境工程专业负责人，兼任辽宁省第六届学科评议组成员、辽宁省环境科学与工程类教学指导委员会副主任委员。主要研究方向为大气污染与控制化学，主持/参与国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等共10余项，以第一/通讯作者身份在ACS Catalysis、ACB等期刊发表收录文章104篇。 参考文献：Tight coupling of oxygen vacancies
and acidity on α-MnO2 through cerium doping engineering for
efficient removal of multi-component VOCs.https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124745文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337324010592
