铋掺杂MnO2 催化剂的结构-活性关系解析及其在甲醇氧化反应中的高效催化机制

研究人员针对挥发性有机物（VOCs）中甲醇（CH3 OH）的催化氧化难题，系统研究了铋（Bi）掺杂MnO2 催化剂的结构-活性关系。通过XRD、HR-TEM、原位DRIFTS等技术，发现Bi掺杂可诱导氧空位形成，促进表面活性氧物种生成，显著加速甲醇氧化路径中甲氧基→甲酸盐→CO2 /H2 O的转化，最优催化剂Mn7.5 Bi1 Ox 的T90 低至160°C。该研究为设计高活性、耐水的金属氧化物催化剂提供了新思路。

　　

随着工业发展和氢能源需求增长，甲醇（CH₃
OH）作为挥发性有机物（VOCs）和氢能载体，其高效净化成为环境与能源领域的焦点。传统贵金属催化剂成本高昂，而过渡金属氧化物虽价廉却面临活性不足、水耐受性差等瓶颈。MnO₂
因其多价态和优异氧迁移能力被广泛研究，但如何通过掺杂调控其催化性能仍缺乏系统认知。针对这一挑战，中国研究人员在《Applied Catalysis A: General》发表论文，通过铋（Bi）掺杂策略揭示了MnO₂
催化剂在甲醇氧化中的结构-活性关系。

研究采用X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HR-TEM）表征晶体结构，结合准原位X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学态，通过H₂
-TPR和O₂
-TPD评估氧化还原性能，并利用原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）追踪反应机理。

活性与结构特征
Mn_7.5
Bi₁
O_x
表现出最优活性（T₉₀
=160°C），Bi掺杂导致MnO₂
晶格膨胀和Mn³⁺
/Mn⁴⁺
比例升高，产生氧空位促进O₂
解离为活性氧物种。

反应机理
原位DRIFTS显示甲醇氧化路径为：CH₃
OH→甲氧基→甲酸盐→CO₂
/H₂
O，Bi掺杂显著加速后两步转化。羟基通过氢键辅助甲醇化学吸附，并与表面活性氧协同活化C-H键，解释了催化剂的高水耐受性。

该研究不仅阐明了Bi-MnO₂
的构效关系，更提出“羟基辅助活化”新机制，为设计抗水性VOCs氧化催化剂提供了理论依据。通过低成本过渡金属氧化物替代贵金属，这项成果在工业废气治理和氢能产业链尾气处理中具有重要应用前景。