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郭新闻教授团队Nature Communication | 可控界面工程创制MnO2-MnxCo3-xO4位点提升乙烷催化氧化活性,实现高达1000 h稳定性

日期: 2024年05月20日 19:23     浏览量:

多元复合金属氧化物作为一类重要的催化材料,在异相催化反应中发挥着重要的作用。特别是以多组分氧化物为构建材料的界面结构,对氧化类反应起到关键性作用。然而,由于其结构的复杂性,目前关于异相氧化物界面体系的研究报道尚少,且缺乏对其反应机理方面的深入探讨。值得注意的是,通过界面工程调控所引发的催化性能的改变,为异相催化剂的设计提供了一种更为广阔的思路。通过调整多元金属氧化物之间的表界面结构,以及调变界面处活性位点的数量、配位环境及两界面间的电子传递能力,可实现对反应活性和选择性的灵活调变。

1. MnO2-MnxCo3-xO4界面位点催化乙烷氧化反应

近日,大连理工大学郭新闻教授团队与中石化(大连)石油化工研究院有限公司侯栓弟研究员团队合作,在Nature Communication期刊发表了题为Redox-induced controllable engineering of MnO2-MnxCo3-xO4 interface to boost catalytic oxidation of ethane”(DOI:10.1038/s41467-024-48120-8)的论文。该工作报道了一种可控构建复合氧化物界面催化体系的方法,制备了具有纳米球形结构的MnO2-MnxCo3-xO4复合氧化物界面催化体系,并在乙烷催化氧化反应中表现出优异的催化反应活性与稳定性(图1)。通过调控化学还原过程的速率和煅烧温度等关键因素,实现了对异相氧化物界面位点性质和数量的灵活调控。本研究不仅为多元复合氧化物催化剂的设计提供了指导方针,同时有助于研究者加深对界面位点催化作用机制的理解,为VOC高效催化氧化催化剂的研发提供理论指导。

本研究采用实验、表征和理论计算相结合的方式,对MnCoOx复合氧化物在乙烷燃烧中的反应机制进行了深入探讨,重点针对MnO2-MnxCo3-xO4界面性质进行分析(部分结果见图2-4研究发现:由于表层MnO2与基底MnCo2O4间存在强相互作用,可发生由基底氧化物向表层氧化物的电子传输,使得表层MnO2处于富电子态,极大增强了其表层晶格O的活化能力。同时,该界面位点处Co的性质也随之发生改变,表现出对反应物乙烷吸附活化能力的增强。因此,MnO2- MnxCo3-xO4界面体系的形成能够高效地完成对吸附物乙烷的逐步完全氧化。该研究充分说明了不同氧化物组分间的协同催化作用,对于增强催化反应性能至关重要,因此调变复合氧化物界面位点性质是创制高效VOC催化氧化催化剂的有效手段。


2. MnCoOx催化剂乙烷催化氧化反应性能研究

3. MnCoOx表界面微观结构分析

4. MnO2-MnxCo3-xO4催化氧化乙烷反应机理探索


论文第一作者为大连理工大学化工海洋与生命学院王海燕副教授、化工学院博士生王爽、中石化(大连)石油化工研究院有限公司刘世达副研究员,通讯作者为大连理工大学化工学院郭新闻教授、聂小娃副教授,中石化(大连)石油化工研究院有限公司侯栓弟研究员、刘世达副研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中石化横向项目、博士后国际交流计划引进项目等资助。