LDH衍生MnCoFe层状混合氧化物催化剂多活性位点构建及其协同脱除NO与甲苯机制研究

针对工业烟气中NOx与VOCs协同治理难题，研究人员通过共沉淀法构建Mn-Co-Fe层状双氧化物（LDO）催化剂，实现200℃下91% NO转化率与93%甲苯转化率，并揭示Mn4+/Co2+与Mn4+/Fe2+双氧化还原循环机制及竞争吸附效应，为多污染物协同控制提供新策略。

　　

随着化石燃料燃烧和工业过程排放的加剧，氮氧化物（NO_x）和挥发性有机物（VOCs）已成为威胁环境与人类健康的两大污染物。传统NH₃-SCR技术虽能高效脱硝，但对VOCs的协同处理能力有限。尤其甲苯等芳香烃的低温催化氧化效率不足，且与NH₃在活性位点的竞争吸附机制尚不明确。更棘手的是，单一锰基催化剂存在N₂选择性差、反应温度窗口窄等问题。如何设计兼具高活性与协同性的双功能催化剂，成为环境催化领域亟待突破的瓶颈。

针对这一挑战，河北工业大学的研究团队创新性地利用层状双氢氧化物（LDH）前驱体，通过共沉淀法制备了MnCoFe三元层状混合氧化物（LDO）催化剂。该催化剂在200℃下同步实现91% NO转化率和93%甲苯转化率，N₂与CO₂选择性均超过90%，相关成果发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。研究采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，结合原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）和密度泛函理论（DFT）计算，系统揭示了多金属协同作用机制。

催化剂制备与表征
通过调控Mn:Co:Fe摩尔比（0.5:1:1至2:1:1）合成系列LDH前驱体，经500℃焙烧获得具有二维层状结构的LDO催化剂。表征显示MnCoFe-LDO具有最大的比表面积和丰富的介孔结构，其表面酸性位点数量是二元催化剂的1.8倍。

催化性能评估
在单独脱硝测试中，MnCoFe-LDO的NO转化率在150℃即达100%，较MnFe-LDO提升23%。同步脱除实验发现，甲苯存在使NO转化率下降8%，而NH₃则抑制甲苯氧化，证实竞争吸附效应。值得注意的是，MnCoFe-LDO展现出独特的"温度窗口平移"现象——其最佳活性温度区间比二元催化剂拓宽40℃。

反应机制解析
XPS分析表明，Mn³⁺+Co³⁺→Mn⁴⁺+Co²⁺的电子转移促进NO还原，而Mn³⁺+Fe³⁺→Mn⁴⁺+Fe²⁺循环驱动甲苯氧化。DFT计算揭示Co位点对NH₃和甲苯的吸附能差值仅0.12 eV，导致二者激烈竞争。DRIFTS捕获到关键中间体——苯甲醛和苯甲酸与NO₂反应生成惰性腈类副产物，这解释了深度氧化的限速步骤。

结论与展望
该研究证实三元金属协同效应可通过双氧化还原循环提升氧空位浓度和电子传导效率。MnCoFe-LDO中Mn⁴⁺/Co²⁺与Mn⁴⁺/Fe²⁺的耦合作用，突破了传统催化剂单循环机制的局限性。尽管竞争吸附导致部分活性抑制，但通过优化金属配比仍实现90%以上的协同脱除效率。这项工作为设计"一器双效"的工业烟气处理催化剂提供了理论依据，其层状结构设计策略可延伸至其他多污染物协同控制体系。未来研究需进一步调控活性位点空间分布，以减弱竞争吸附对反应动力学的影响。