铁掺杂二氧化锰高效催化臭氧氧化乙酸乙酯的机制研究及其环境应用

为解决低浓度含氧挥发性有机物(OVOCs)在低温条件下催化效率不足的问题，研究人员通过原位水热法构建了Fe掺杂MnO2 催化剂(FeMnO2 )。该催化剂在70°C实现30 ppm乙酸乙酯(EA)的100%转化率和92.78%矿化率，并展现优异的水耐受性(12.8 vol.%湿度)。研究揭示了Fe削弱Mn?O键形成氧空位、促进O3 活化为1 O2 /•O2 ? 活性氧物种(ROS)的机制，为低温OVOCs治理提供了新策略。

　　

随着工业发展，含氧挥发性有机物(OVOCs)如乙酸乙酯(EA)的排放已成为环境治理难题。这类物质不仅产生恶臭污染，还是臭氧(O₃
)和二次有机气溶胶的前体。传统锰基催化剂在低温下存在活性氧物种(ROS)不足、易受湿度影响等瓶颈。针对这一挑战，华南理工大学的研究团队创新性地开发了铁掺杂二氧化锰(FeMnO₂
)催化剂，相关成果发表于《Journal of Environmental Sciences》。

研究采用水热合成法制备MMnO₂
(M=Fe/Ce/Mo)系列催化剂，通过X射线衍射(XRD)、电子顺磁共振(EPR)等技术表征材料结构，结合原位红外光谱(in situ DRIFTS)追踪反应路径。

催化剂制备与表征
通过水热法成功将Fe、Ce、Mo引入α-MnO₂
晶格。XRD显示Fe的掺入使Mn?O键能显著减弱，EPR证实FeMnO₂
具有最丰富的氧空位(为纯MnO₂
的2.3倍)，这成为O₃
吸附活化的关键位点。

催化性能评估
在70°C、12.8 vol.%湿度条件下，FeMnO₂
实现EA完全转化(100%)和92.78%的CO₂
选择性，显著优于Ce/Mo掺杂体系。连续120小时测试显示其稳定性优异，湿度耐受性比未掺杂催化剂提升47%。

反应机制解析
原位实验表明，Fe掺杂促使O₃
在氧空位解离为原子氧(O^2?
)，进而转化为¹
O₂
和•O₂
^?
两种ROS。这两种活性物种直接攻击EA的酯基，将其矿化为CO₂
和H₂
O，中间产物减少81%。

该研究不仅阐明了过渡金属掺杂增强MnO₂
低温活性的原子级机制，更开发出兼具高效性、稳定性和经济性的新型催化剂。FeMnO₂
在30°C即可实现80.56%的EA去除率，为工业废气低温净化提供了实用化解决方案。团队提出的"氧空位-O₃
活化-ROS生成"协同作用模型，对设计其他OVOCs处理催化剂具有重要指导意义。