將工業(yè)過程中釋放出來的低鏈烷烴(C1-C3)進行催化轉(zhuǎn)化，對于改善空氣質(zhì)量和保障人類健康具有重要意義。乙烷是一種具有代表性的非甲烷揮發(fā)性有機化合物(NMVOCs)，由于對煙氣排放有嚴格的標準，它已成為監(jiān)管審查的重點。因此，人們開發(fā)了各種技術(shù)來減少其排放。
催化氧化是消除烷烴及其衍生物的有效方法，但是高性能催化劑的開發(fā)，特別是低溫應(yīng)用，仍然具有挑戰(zhàn)性。貴金屬基催化劑(如Pt或Pd)在低溫下對低鏈烷烴燃燒具有優(yōu)異的催化活性。然而，它們的高成本和稀缺性限制其大規(guī)模應(yīng)用。因此，目前迫切需要開發(fā)高效的非貴金屬基催化劑來實現(xiàn)有效的乙烷催化氧化。近日，大連理工大學(xué)郭新聞、聶小娃、大連石油化工研究院侯栓弟和劉世達等通過改變表面有MnO2薄層修飾的MnCoOx催化劑的Mn/Co比例或調(diào)整退火條件來操縱MnO2-MnxCo3-xO4界面。性能測試結(jié)果顯示，最優(yōu)的MnCoOx-0.5催化劑的50%乙烷轉(zhuǎn)化溫度(T50)為205 ℃，在200 ℃下的轉(zhuǎn)換頻率(TOF)為3.93×10?2 s?1，明顯高于其它MnCoOx催化劑。此外，不論在干燥還是潮濕條件下，MnCoOx-0.5在循環(huán)實驗中沒有顯示出明顯的活性衰減，表明該催化劑具有優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。原位光譜表征結(jié)果和理論計算表明，在富氧環(huán)境中，具有強O親和力的Mn傾向于擴散到尖晶石表面形成MnO2結(jié)構(gòu)域，MnO2和MnxCo3-xO4之間建立的相互作用觸發(fā)了界面位點的構(gòu)建。值得注意的是，MnO2-MnxCo3-xO4層狀界面上的Co位點對乙烷表現(xiàn)出優(yōu)先吸附作用，而MnO2層對其活性晶格O表現(xiàn)出很強的H萃取能力，并進一步通過界面區(qū)域的氧化還原途徑進行乙烷氧化。因此，MnCoOx-0.5催化劑的乙烷吸附/活化能力和晶格O遷移率的同時提高是催化劑具有高乙烷氧化活性的主要原因。總的來說，該項工作闡明了多組分氧化物中結(jié)構(gòu)非均勻性的作用，為選擇地調(diào)整各種復(fù)雜氧化物中的界面特性和氧缺陷以提高催化活性提供了理論指導(dǎo)。Redox-induced controllable engineering of MnO2-MnxCo3-xO4 interface to boost catalytic oxidation of ethane. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-48120-8
