清华ACS Catal.: 原位光谱+理论计算！揭示甲苯催化氧化中氧空位的作用和活性

在挥发性有机化合物(VOCs)催化氧化中，CeO₂等金属氧化物催化剂有望取代目前使用的贵金属催化剂。虽然氧空位被认为是这些新型催化剂去除挥发性有机化合物(VOC，如甲苯)的活性中心，但由于其在反应过程中的动态变化仍不清楚，这影响了对其实际功能和活性的理解。与此同时，由于氧空位涉及活性氧物种的产生-消耗循环，这阻碍了对速率决定步骤中氧物种吸附的研究。

基于此，清华大学李俊华课题组合成了不同氧空位浓度的CeO₂基催化剂，通过晶格拉伸应变和钴掺杂诱导的电子缺陷来增强甲苯氧化并研究其机理。

从原子结构和电子调制的实验表征和第一性原理计算可以看出，钴的掺杂会引起晶格拉伸应变和电子缺陷，从而导致结构缺陷和氧空位的形成。此外，钴掺杂剂在CeO₂中是高度分散的，但当掺杂比例增加到15%时会不可避免地会发生相分离，从而导致实际掺杂量和氧空位含量下降。因此，10%钴掺杂的CeO₂具有最丰富的活性氧物种，在甲苯氧化中具有最佳的催化性能。

根据氧空位和氧物种变化的直接证据，除了表面再生外，氧空位还有助于活性氧物种在催化剂表面储存和扩散，这种机制可以在需要时提供额外的氧物种作为暂时的补充。同时，在甲苯催化氧化过程中，氧空位的活性不足，而钴的掺杂可以促进其活性并加速除芳香环开口外的关键速率控制步骤。

因此，基于氧空位的作用研究结果，可以从活性调节的角度为污染物去除提供一个有效的催化剂设计策略。同时，在未来的研究中，如提高d带中心、减小带隙、诱导自旋不对称等，带结构的调控值得更多的关注。

Probing the Actual Role and Activity of Oxygen Vacancies in Toluene Catalytic Oxidation: Evidence from In Situ XPS/NEXAFS and DFT + U Calculation. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c00333

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