桑椹状多级孔ZSM-5分子筛负载MnSmOx催化剂用于丙烷催化氧化的性能研究

为解决挥发性有机物（VOCs）污染控制难题，研究人员通过调控凝胶前驱体预老化温度，成功合成具有桑椹状形貌的多级孔ZSM-5分子筛（HZ5），并负载MnSmOx复合氧化物用于丙烷催化氧化。研究发现，预老化温度为100℃的MnSm/HZ5/100催化剂展现出优异的微-介孔分级结构、高比表面积和丰富的表面活性氧物种，显著提升了低温催化活性和抗水性。原位漫反射红外光谱（DRIFTs）揭示了丙烷氧化反应中烯醇盐和乙酸盐中间体的关键作用。该研究为设计高效VOCs净化催化剂提供了新思路。

　　

挥发性有机物（VOCs）是大气污染的主要成分，不仅危害人体呼吸系统和神经系统，还会引发光化学烟雾和臭氧污染。尽管催化氧化技术因其高效低成本成为VOCs治理的主流方案，但传统贵金属催化剂价格昂贵且易中毒，过渡金属氧化物（如MnO_x）虽成本低廉却面临低温活性不足的瓶颈。为此，研究人员尝试通过稀土元素（如Sm）掺杂和载体优化来提升性能。ZSM-5分子筛因其规整孔道和丰富酸性位成为理想载体，但传统微孔结构会限制反应物传质。如何构建兼具高分散活性位和高效传质通道的催化剂，成为当前研究的关键挑战。

为解决上述问题，成都信息工程大学的研究团队创新性地通过调控凝胶前驱体预老化温度（50℃和100℃），制备了具有桑椹状形貌的多级孔ZSM-5分子筛（HZ5），并负载MnSmO_x复合氧化物用于丙烷催化氧化。研究成果发表在《Applied Surface Science》上，揭示了预老化温度对催化剂物化性质与反应性能的调控机制。

研究采用X射线衍射（XRD）、氮气吸脱附、氢气程序升温还原（H₂-TPR）和原位漫反射红外光谱（DRIFTs）等技术表征催化剂结构。通过丙烷氧化反应评价催化性能，并结合动力学分析阐明反应路径。

Crystalline phase
XRD证实所有催化剂均具有MFI拓扑结构，MnSmO_x以无定形态高度分散于HZ5表面。预老化温度升高至100℃时，MnSm/HZ5/100的衍射峰强度减弱，表明其结晶度降低且介孔更发达。

Conclusions
预老化温度为100℃的MnSm/HZ5/100展现出独特优势：桑椹状形貌赋予其272 m²/g的高比表面积和分级孔隙，促进活性组分分散；H₂-TPR显示其还原峰温度较其他样品降低40℃，表明低温还原性显著提升；氧程序升温脱附（O₂-TPD）检测到更多表面活性氧物种。这些特性使其在丙烷氧化中实现90%转化率的温度（T₉₀）较传统MnSm/HZ5降低35℃，且在10%水蒸气存在下保持稳定活性。

反应机制
原位DRIFTs追踪发现，丙烷首先通过C-H键断裂形成烯醇盐（ν_C=C 1570 cm^?1）和乙酸盐（ν_COO 1450 cm^?1）中间体，气相氧参与可加速其深度氧化为CO₂。MnSmO_x与HZ5的协同作用通过Sm-O-Mn键增强氧迁移率，而分级孔隙则优化了反应物扩散与中间体脱附。

该研究不仅为设计高效VOCs催化剂提供了“形貌-孔隙-活性”协同调控的新策略，还通过多尺度表征揭示了反应机理，对推动非贵金属催化剂的实际应用具有重要意义。