三维交叉纳米片结构CuCo2O4催化剂高效催化甲苯氧化的机制研究

针对挥发性有机物(VOCs)污染治理难题，研究人员通过水热法制备了三维交叉纳米片结构CuCo2O4-3D催化剂。该催化剂相比纳米颗粒CuCo2O4-P在230°C时甲苯反应速率提升45倍，归因于更大比表面积、更小晶粒尺寸、丰富氧空位及优异低温氧化还原能力。原位漫反射红外光谱(DRIFTS)揭示了反应中间体，阐明了活性氧物种的消耗-补充机制，为分子氧参与氧化反应的催化剂设计提供了新思路。

　　

随着工业进程加速，化石燃料使用导致挥发性有机物(VOCs)大量排放，严重威胁生态环境和公众健康。传统贵金属催化剂虽高效但成本高昂，开发高性能非贵金属替代材料成为研究热点。过渡金属氧化物因其储量丰富、成本低廉等优势备受关注，其中钴基催化剂因其易形成氧空位(O_v)的特性成为深度氧化反应的理想候选。然而，如何通过结构设计进一步提升催化活性仍是环境催化领域的重大挑战。

天津科研团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过水热法成功制备三维交叉纳米片结构CuCo₂O₄-3D催化剂。该工作创新性地采用原位温度程序测试技术，揭示了活性氧物种迁移补充机制，发现特殊形貌可暴露更多表面活性氧位点，氧空位促进分子氧活化，加速苯甲酸盐向马来酸物种转化——这是甲苯氧化的决速步骤。

研究采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，氮气吸附-脱附测试比表面积，原位漫反射红外光谱(DRIFTS)追踪反应中间体，结合程序升温还原(TPR)和程序升温脱附(TPD)评估氧化还原性能。通过对比纳米颗粒催化剂CuCo₂O₄-P，系统阐明了结构-性能关系。

催化剂表征
XRD显示CuCo₂O₄-3D晶粒尺寸(15.0 nm)仅为CuCo₂O₄-P(29.6 nm)的一半，更小晶粒产生更多结构缺陷。比表面积测试证实三维纳米片结构具有更大活性表面，为氧物种迁移提供通道。

催化性能
在甲苯氧化反应中，CuCo₂O₄-3D的T₉₀(完全转化温度)低至233°C，反应速率较CuCo₂O₄-P提升45倍。活化能计算表明其能垒显著降低，且表现出优异的稳定性和耐水性。

机理研究
原位DRIFTS检测到苯甲酸盐、醛类和羧酸盐等中间体。氧空位促进分子氧解离，使消耗的表面晶格氧快速补充，加速决速步骤转化。TPR证实CuCo₂O₄-3D具有更优低温还原性，与催化活性正相关。

该研究不仅揭示了三维纳米结构对活性氧物种迁移的关键作用，更建立了形貌调控-氧空位构建-催化性能的构效关系。提出的"表面晶格氧暴露-气相氧快速补充"双机制，为设计分子氧参与的环境催化剂提供了理论依据。研究成果对开发高效VOCs净化技术、实现"双碳"目标具有重要实践意义，同时为其他气固相催化反应体系的结构设计提供了普适性思路。