华南理工ACS Catal.: 1+1>2！钴缺陷和氧空位共存的Co3-xO4-y促进甲苯催化氧化

催化燃烧已被证明是去除挥发性有机化合物(VOCs)最有效的方法之一，并且开发了一种新的光热协同催化策略，可以同时利用太阳能来降低工作温度并提高催化性能。对于光热催化剂，大多数研究表明，过渡金属氧化物上的氧空位对于提高催化氧化活性至关重要。然而，很少有研究研究金属缺陷和氧空位共存对催化剂性能和机理的影响。

近日，华南理工大学丘勇才和Xiaojing Jin等通过对水热制备的甘油钴(CoGly)前体进行煅烧，然后进行H₂还原处理，成功合成具有钴缺陷和氧空位的Co_3-xO_4-y催化剂。

与只有一种空位的Co_3-xO₄和Co₃O_{4- y}以及原始的Co₃O₄相比，具有大量钴缺陷和氧空位的Co_{3- x}O_{4- y}在甲苯降解中表现出优异的催化性能，这归因于Co-O键强度的减弱、更多的表面羟基以及氧迁移率和氧化还原性能的增强(通过FTIR光谱、H₂-TPR和O₂-TPD证明)。

XAS光谱和DFT计算证实钴缺陷的存在会降低氧空位的形成能；Toluene-TPD和-TPSR表明，富含钴缺陷和氧空位的Co_{3- x}O_{4- y}具有最强的甲苯吸附能力和低的反应温度。

此外，原位DRIFTS研究表明，甲苯可以快速吸附在Co_{3- x}O_{4- y}表面并与氧物质反应生成苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸盐物质，最终完全氧化成CO₂和H₂O。钴缺陷和氧空位的同时引入加速了更多中间体转化为苯甲酸酯物种，优化了开环过程，并在反应过程中产生了更丰富的ROS。

该工作提供了一种在Co₃O₄催化剂上同时引入钴缺陷和氧空位的简单合成方法，以提高催化性能，并进一步阐述甲苯催化氧化中的相互作用关系和反应机理。

Engineering Cobalt Oxide with Coexisting Cobalt Defects and Oxygen Vacancies for Enhanced Catalytic Oxidation of Toluene. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c00296