一氧化二氮（N2O）的温室效应潜力是二氧化碳的 310 倍，是最重要的平流层臭氧消耗物质，也是第三大强效温室气体。人为来源在 N2O 释放中起着重要作用，包括生物质燃烧、化石燃料燃烧、工业生产以及废水处理。制定有效策略以减少 N2O 排放至关重要。考虑到环境影响、经济意义以及其在各个领域应用的多功能性，催化分解已技术成为一种有前途的 N2O 降解策略。
近日，浙江大学的吴忠标教授、王海强教授团队通过共沉淀方法制备了铈-镨共掺杂四氧化三钴催化剂用于氧化亚氮催化分解。
目前，诸多研究已经设计了多种的催化剂用于 N2O 催化分解。其中，过渡金属氧化物，特别是 Co3O4，由于其良好的氧化还原性能、热稳定性和低成本，一直是 N2O 分解研究的重点。Co3+/Co2+氧化还原对的构建以及八面体位置上 Co 阳离子表面氧空位的形成在 N2O 分解反应中起着重要作用。将具有优异氧化还原性能和合适电子性质的添加剂引入 Co3O4是提高其 N2O 分解性能的有效策略。在过去几年中，碱金属（如K、Cs和Na）、稀土元素（如Sm、Ce、Gd和Pr）已被用掺杂提高Co3O4催化剂的 N2O 分解活性。稀土元素具有特殊的电子轨道，其外壳为 5s2p6，保护着未填满的内壳4f轨道。其中，Ce由于其出色的 Ce3+/Ce4+转换能力，使得 CeO2具有显著的存储容量和氧化还原性能，常被用做掺杂剂。然而，CeO2与其他金属氧化物的结合往往会降低金属氧化物的结晶度，从而影响其表面上氧的迁移率。Pr具有高电化学氧化还原电位（Pr4+/Pr3+ = 3.2 eV），在提高 Co3O4的 N2O 催化分解性能方面也表现出色。然而，两种稀土元素在 Co3O4上的共掺杂却很少被研究。
在这项研究中，作者通过共沉淀法合成了Ce-Pr共掺杂Co3O4，并将其用于 N2O 的热催化分解。实验结果表明，在Pr/Ce/Co摩尔比为0.02:0.2:1的催化剂上，N2O 在 400℃时实现了100% 的转化率，与Co3O4相比，T100降低了80℃。铈的引入减小了Co3O4颗粒的尺寸和结晶度，增加了Co3O4晶格氧的活性，并促进了氧空位的形成，从而增强了对 N2O 的活化。然而，铈的引入一定程度上抑制了Co3O4的结晶，并且CeO2的表面覆盖降低了 Co3O4的表面暴露程度。采用Ce-Pr共掺杂策略可有效减轻氧化铈的负面影响。铈和镨物种的同时引入增强了Co3O4的氧化还原性能，显著提升了Co3O4对N2O的催化分解性能。这项研究阐明了铈和镨掺杂与 Co3O4之间的相互作用，并为适用于N2O催化分解的新型催化剂设计提供借鉴。作者期望这项研究能为N2O分解催化剂的未来工业应用提供研究基础。
论文信息
Ce-Pr Co-doped Co3O4 with Enriched Oxygen Vacancies for the Efficient Decomposition of N2O
Yuxin Sun, Yunshuo Wu, Zhuoyi Zhang, Xuanhao Wu, Haiqiang Wang, Zhongbiao Wu
ChemCatChem
DOI: 10.1002/cctc.202401060
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