JES编辑推荐：铈改性的非晶锰氧化物高效催化去除臭氧

铈改性的非晶锰氧化物高效催化去除臭氧

Cerium-modified amorphous manganese oxides for efficient catalytic removal of ozone

Aijie Wang, Hong Zhao, Yu Wu, Qiuyan Zhang, Chong Han*

https://doi.org/10.1016/j.jes.2022.08.021

锰基催化剂被广泛应用于催化去除臭氧，低稳定性和遇水失活是其实际应用的主要挑战。为了提高臭氧的去除性能，采用酸化、煅烧和Ce掺杂三种方法对非晶锰氧化物进行改性。对制备的样品进行理化性质表征，并测试其去除臭氧的催化活性。三种改性方法均可以促进非晶锰氧化物对臭氧的去除，其中Ce改性表现出最显著的增强作用。Ce的引入显著改变了非晶锰氧化物中氧空位的数量和性质。Ce-MnO_x的优异催化活性可归因于其更多的氧空位含量和增强的氧空位形成能力、更大的比表面积和更高的氧迁移率。在高相对湿度（80%）下的耐久性测试表明，Ce-MnO_x表现出优异的稳定性和耐水性。这些结果表明了Ce改性的非晶锰氧化物在催化去除臭氧方面具有巨大潜力。

本研究采用简单的氧化还原法制备了Ce改性的非晶锰氧化物，显著改变了初始锰氧化物的活性位点含量和性质，实现了宽湿度范围内的臭氧高效稳定去除，对开发低成本的耐水性催化剂具有重要意义。

Manganese-based catalysts were widely developed for catalytic removal of ozone, and the low stability and water inactivation are major challenges. To improve removal performance of ozone, three methods were applied to modify amorphous manganese oxides, including acidification, calcination and Ce modification. The physiochemical properties of prepared samples were characterized, and the catalytic activity for ozone removal was evaluated. All modification methods can promote the removal of ozone by amorphous manganese oxides, and Ce modification showed the most significant enhancement. It was confirmed that the introduction of Ce markedly changed the amount and property of oxygen vacancies in amorphous manganese oxides. Superior catalytic activity of Ce-MnO_x can be ascribed to its more content and enhanced formation ability of oxygen vacancies, larger specific surface area and higher oxygen mobility. Furthermore, the durability tests under high relative humidity (80%) determined that Ce-MnO_x showed excellent stability and water resistance. These demonstrate the promising potential of amorphously Ce-modified manganese oxides for catalytic removal of ozone.

活性测试结果显示酸化、煅烧和Ce掺杂三种改性措施均对非晶MnO_x的催化分解O₃性能产生了促进作用，其中Ce改性的效果最佳，显著提高了非晶MnO_x的耐水性，在室温、SV=600 L/(g·hr)、80%的高相对湿度条件下反应10小时后，对20 ppmV的O₃仍能达到90%的去除率。

XRD和Raman结果显示，Ce的引入抑制了Mn-O键的形成，破坏了MnO_x的结构，产生了更多的晶格缺陷和氧空位，以及更大的比表面积，为O₃的吸附和分解提供了丰富的活性位点。此外，FTIR显示Ce的引入增强了MnO_x的疏水性，从而减弱了水分子的竞争吸附，提高了高湿度下的O₃去除活性。

XPS结果表明Ce的掺杂量会影响锰氧化物的表面元素价态，Mn³⁺的含量随Ce掺杂量的增多呈先上升后下降的趋势，与Mn的平均价态趋势相一致。当Ce/Mn摩尔比为0.05时，Mn³⁺的含量最多，更多的Mn³⁺有利于氧空位的生成。Ce-MnO_x (0.05)最多的表面吸附氧含量也进一步证实其含有丰富的氧空位。同时，Ce-MnO_x (0.05)的强还原性和氧迁移性促进了对臭氧的吸附分解。

第一作者

王爱杰，目前在东北大学冶金学院攻读博士学位，主要从事气态污染物催化控制理论与技术的研究。在J. Environ. Chem. Eng.、J. Environ. Sci.、Ceram. Int.、J. Photoch. Photobio. A等国际期刊上发表学术论文5篇，申请专利2项。

通讯作者

韩冲，东北大学教授，博士生导师。辽宁省一流学科环境科学专业带头人，中国生态学学会污染生态专业委员会委员，虚拟仿真实验教学创新联盟环境科学与工程类专业工作委员会委员，辽宁省环境保护产业协会专家委员会委员，沈阳环境科学学会理事。是国家级青年人才、中国生态学学会污染生态学优秀青年学者、辽宁省青年拔尖人才、沈阳市领军人才、加拿大环境与气候变化部Visiting Fellow、日本“樱花科学”俱乐部成员。研究领域为大气环境化学与污染防治，在大气氮化学、碳质气溶胶化学及环境和健康效应、挥发性有机物//臭氧催化净化等方面取得了创新性研究成果。以第一或通讯作者在PNAS、EST、ESTL、ACP、STOTEN等高水平期刊发表近50篇SCI学术论文。主持了国家海外高层次青年人才计划、国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划、辽宁省自然科学基金等10余项科研项目。获得了中国发明协会发明创业奖创新奖、沈阳市中青年科技英才培养工程奖、东北大学优秀指导教师、中国科学院优秀博士学位论文奖、中国科学院院长特别奖等奖励。

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1001074222004259

Aijie Wang, Hong Zhao, Yu Wu, Qiuyan Zhang, Chong Han, 2023. Multiple interface coupling on natural tourmaline enables high-efficiency removal of antibiotic: Superior property and mechanism. J. Environ. Sci. 131, 151-161.