pH调控下小球藻衍生锰基催化剂的合成及其NH3 -SCR反应机制研究

针对采矿废水锰污染治理与资源化难题，北京科技大学团队创新性地利用小球藻（Chlorella）生物模板，通过pH介导合成锰基NH3 -SCR催化剂。研究发现pH=8.0时形成的Mn-O-M（M=C,P,Mn）活性位点与酸性位点（PO4 3- /CO3 2- ）协同作用，实现200℃以上90%NOx 转化率，为生物质衍生催化剂设计提供新范式。

　　

锰（Mn）作为自然界广泛存在的金属元素，在采矿废水中的过量排放已成为严峻的环境问题。这些含锰废水不仅污染水土生态系统，更通过食物链威胁人类健康。颇具戏剧性的是，锰化合物恰恰是低温脱硝催化剂的核心材料——在工业烟气净化领域，氨选择性催化还原（NH₃
-SCR）技术正依赖锰基催化剂实现氮氧化物（NO_x
）的高效转化。传统锰基催化剂合成多采用锰盐前驱体，不仅成本高昂，还未能解决锰污染问题。如何将"环境污染物"转化为"治污利器"，成为摆在研究者面前的重大课题。

北京科技大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了微观世界的"锰捕手"——小球藻（Chlorella）。这种单细胞藻类具有丰富的细胞壁官能团（如羧基、磷酸基），能通过离子交换和配位作用高效吸附锰离子。团队前期研究已证实小球藻衍生催化剂在NH₃
-SCR反应中的卓越活性，但关键科学问题仍未破解：环境pH如何调控活性位点的演化？为回答这个问题，研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了突破性成果。

研究采用pH梯度调控的生物矿化法，通过X射线光电子能谱（XPS）、原位红外光谱（in-situ FTIR）等技术追踪前驱体结构演变，结合程序升温还原（H₂
-TPR）和原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in-situ DRIFTS）解析反应机制。

溶液变化与活性位点演化
研究发现初始pH=8.0（小球藻自然生长环境）时，藻细胞表面-COO^-
和-PO₄
^3-
与Mn²⁺
形成稳定配合物，经煅烧后转化为Mn-O-C和Mn-O-P键合结构。这些"分子锚定点"有效抑制了MnO_x
颗粒团聚，使Mn₃
O₄
占比达80-85%，其余15-20%以MnPO₄
形式存在。

表面酸碱性与反应路径
pH=8.6的碱处理组虽提高MnO_x
含量至90%，但过量OH^-
导致表面酸性位点（特别是桥式磷酸基）减少，使反应路径从Langmuir-Hinshelwood（L-H）双分子机制转向Eley-Rideal（E-R）机制，200-300℃区间NO_x
转化率下降12%。

最优性能与构效关系
天然pH（8.0）制备的催化剂展现出最佳性能：酸性位点密度达0.43 mmol/g，氧空位浓度比碱处理组高1.8倍。这种独特的Mn₃
O₄
-MnPO₄
共生结构使得NH₃
吸附活化与NO_x
氧化的动力学匹配度提升，200℃时NO_x
转化率突破90%，N₂
选择性保持在98%以上。

该研究首次揭示了pH通过"前驱体配位环境-活性相组成-表面酸碱性"三级调控网络影响生物衍生催化剂性能的机制。不仅为采矿废水锰资源的"变废为宝"提供技术方案，更开创了通过生物模板精确调控催化剂表面微环境的新策略。正如通讯作者Xiaolong Tang强调的："理解pH对生物-金属相互作用的‘分子开关’效应，将推动下一代环境功能材料的理性设计。"这项成果标志着污染治理与清洁生产技术在"双碳"目标下的深度融合，为可持续发展提供创新范式。