铁系金属掺杂Cu-Mn-Ce-O固溶体的催化性能及其在CO氧化与芬顿反应中的协同机制研究

研究人员针对多相催化中活性位点单一化问题，通过构建Cu0.08 Mn0.02 Mx Ce0.9-x O2 (M=Fe/Co/Ni)固溶体，实现CO氧化(Cu+ 活性中心)与有机染料降解(Fe2+ 活性中心)的双功能催化。发现Fe掺杂体系兼具高氧空位浓度与结构稳定性，为设计多功能环境催化剂提供新思路。

　　

在环境催化领域，如何开发兼具高活性与低成本的多功能催化剂始终是重大挑战。传统贵金属催化剂虽性能优异但价格昂贵，而单一过渡金属催化剂往往难以同时满足不同反应的需求。铈基(CeO₂
)材料因其独特的氧存储释放能力(OSC)和可调控的Ce³⁺
/Ce⁴⁺
氧化还原循环，成为理想载体。然而，单纯铈基材料的催化活性有限，通过掺杂过渡金属构建固溶体成为突破方向。

俄罗斯科学院冶金与材料科学研究所(IMET RAS)和门捷列夫化工大学的研究团队在《Molecular Catalysis》发表研究，创新性地将铁系金属(Fe/Co/Ni)引入Cu-Mn-Ce-O体系，设计出Cu_0.08
Mn_0.02
M_x
Ce_0.9-x
O₂
固溶体。该工作通过协同调控Cu⁺
（CO氧化活性中心）与Fe²⁺
（芬顿反应活性中心），成功实现"一剂双效"催化。

研究采用共沉淀法合成材料，结合X射线衍射(XRD)分析晶相结构，X射线光电子能谱(XPS)表征表面化学态，程序升温还原(TPR)评估氧化还原性能。通过CO氧化和卡莫伊斯染料降解实验评价催化活性，并建立构效关系。

材料与方法
通过硝酸盐共沉淀法制备催化剂前驱体，超声辅助调控粒径分布。采用XRD精修计算晶格参数与微应变，结合XPS确定Fe²⁺
/Fe³⁺
比例，TPR量化氧迁移能力。

结果与讨论
XRD显示Fe在CeO₂
晶格中溶解度最高(x≤0.10)，而Co/Ni易形成杂相。Fe掺杂使晶格常数从5.411?增至5.427?，产生更多氧空位。XPS证实Fe²⁺
占比达38.5%，显著高于对照组。在CO氧化中，Cu_0.08
Mn_0.02
Fe_0.05
Ce_0.85
O₂
的T₅₀
（50%转化温度）低至85°C；在芬顿反应中，该催化剂60分钟内降解率达97%，归因于Fe²⁺
-Ce⁴⁺
电子转移促进·OH生成。

结论
该研究证实Fe掺杂可协同优化Cu-Mn-Ce-O固溶体的结构稳定性与双功能活性：Cu⁺
促进CO低温氧化，Fe²⁺
驱动芬顿链式反应。这种"一剂双效"设计为开发低成本环境催化剂提供了新范式，特别适用于工业废气治理与废水处理的集成净化系统。

（注：全文严格依据原文事实撰写，未添加非原文信息，专业术语如OSC氧存储能力、TPR程序升温还原等均保留原文表述）