氩气焙烧调控α-MnO2表面氧空位实现低温高效催化甲苯氧化

本研究针对挥发性有机物(VOCs)治理难题，通过调控焙烧气氛(N2/H2/Air/Ar)在α-MnO2表面构建氧空位，发现氩气氛围焙烧的催化剂在235°C实现90%甲苯转化率，WHSV达120,000 mL·g?1·h?1，揭示了氧空位增强Mn3+/Mn4+循环和Oads/Olatt迁移的机制，为环境催化材料设计提供新思路。

　　

随着工业排放的挥发性有机物(VOCs)对生态环境和人体健康威胁日益严峻，开发高效催化氧化技术成为研究热点。传统贵金属催化剂成本高昂，而锰基氧化物因其多价态特性和优异氧迁移能力被视为理想替代材料。然而，如何精准调控催化剂表面活性位点以提升低温催化效率，仍是当前领域亟待解决的核心问题。

西南石油大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表创新成果，通过焙烧气氛调控策略，在α-MnO₂表面构建高密度氧空位，实现了甲苯在235°C低温条件下的高效催化降解。研究采用水热合成结合气氛焙烧（N₂/5%H₂-N₂/Air/Ar）技术，通过XRD、H₂-TPR、XPS等表征手段，系统分析了不同气氛处理对催化剂结构的影响。

【Catalyst preparation】
采用水热法合成α-MnO₂前驱体，通过400°C下4小时不同气氛（Ar/Air/N₂/5%H₂-N₂）焙烧获得系列催化剂。氩气处理样品（α-MnO₂-Ar）展现出独特的隧道结构保持能力。

【Crystal structural characteristics】
XRD分析显示氩气焙烧的催化剂完美保持α-MnO₂的[2×2]隧道结构（JCPDS 44-0141），而氢气处理导致相变生成MnO(OH)。Raman光谱证实α-MnO₂-Ar具有最高的氧空位浓度，其特征峰位移至630 cm^?1。

【Surface elemental composition】
XPS结果表明α-MnO₂-Ar的Mn³⁺/Mn⁴⁺比值（1.32）和吸附氧比例（O_ads/O_latt=0.81）均显著高于其他样品，证实氧空位促进电子转移和活性氧生成。

【Reduction properties】
H₂-TPR显示α-MnO₂-Ar的还原峰温度最低（325°C），氧空位使晶格氧迁移能垒降低42%，这是其卓越低温活性的关键。

【Catalytic performance】
在WHSV=120,000 mL·g^?1·h^?1条件下，α-MnO₂-Ar的T₉₀比空气焙烧样品降低58°C。即使WHSV提升至150,000 mL·g^?1·h^?1，248°C时仍保持92%转化率，且连续反应100小时无失活。

该研究创新性地通过惰性气氛焙烧构建表面缺陷，突破传统氢处理易破坏晶体结构的局限。提出的氧空位形成方程（O_latt?Vo+1/2O₂+2e）为缺陷工程提供理论依据。实际意义在于：①开发出成本仅为贵金属催化剂1/20的高效材料；②为工业VOCs治理提供可放大生产的解决方案；③建立的"气氛-缺陷-活性"关联模型可拓展至其他金属氧化物催化剂设计。这项工作被审稿人评价为"将基础研究与工程应用完美结合的典范"。