单原子Ti边缘锚定α-MnO2纳米棒实现超低温NH3-SCR性能的定量增强机制

为解决传统锰基催化剂在超低温（<200°C）选择性催化还原（NH3-SCR）中活性不足的问题，中国科学院研究人员创新性地设计了一种反向负载型Ti1/α-MnO2单原子催化剂。通过将惰性Ti原子精准锚定于α-MnO2纳米棒（200）晶面边缘，显著降低氧空位形成能（DFT计算证实），使NOx转化率在50°C提升20%，并建立还原能力（H2-TPR）与催化活性的定量关系式（y=5.3832×10-4x-0.0713）。该研究为人工智能驱动的催化剂设计提供了关键数据模型，发表于《Journal of Hazardous Materials》。

　　

氮氧化物（NO_x）排放引发的酸雨和光化学烟雾一直是环境治理的难题。尽管氨选择性催化还原（NH₃-SCR）技术已广泛应用于工业脱硝，但传统钒基催化剂存在生物毒性且低温活性不足。锰基氧化物因其多价态特性和优异的氧化还原性能被视为理想替代品，但如何突破其超低温（<100°C）活性瓶颈仍是重大挑战。

中国科学院团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究中，颠覆性地提出"反向负载"策略——将传统认知中惰性的单原子钛（Ti）精准锚定在α-MnO₂纳米棒边缘台阶位点，构建Ti₁-Mn₁原子对活性中心。通过高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）证实，Ti以单原子形式分散并与氧配位，形成独特的Ti-O-Mn局部结构。令人惊叹的是，这种设计使催化剂在50°C就实现80%的NO_x转化率，较原始α-MnO₂提升20%，且N₂选择性全程保持70%以上。

研究采用三大关键技术：1）水热法可控合成α/β/γ-MnO₂晶相；2）H₂程序升温还原（H₂-TPR）定量表征还原能力；3）密度泛函理论（DFT）计算氧空位形成能。通过建立单位面积H₂消耗量（x）与比活性（y）的线性方程（R²=0.99），首次实现锰基催化剂氧化还原能力与活性的定量关联。

【催化性能】对比三种MnO₂晶相，α-MnO₂在75°C即达88%转化率，因其（200）晶面更利于反应物活化。负载0.9wt%Ti后，催化剂在75-150°C实现100%转化，TOF值提升超10倍。

【结构表征】原子分辨率STEM显示Ti呈单分散状态，EXAFS拟合证实无Ti-Ti键存在。DFT揭示边缘Ti使邻近氧空位形成能从2.68eV降至1.07eV，激活晶格氧参与反应。

【环境意义】该研究不仅规避了钒的生态风险，其建立的"活性-性能"定量模型更为人工智能辅助催化剂开发奠定基础。正如通讯作者Yibo Zhang强调，这种"单原子定位激活"策略可拓展至其他催化体系，为大气污染治理提供新范式。