过渡金属氧化物促进的CuO-Co3O4催化剂在低温CO氧化中的性能增强机制研究

为解决烧结烟气中CO低温催化氧化的效率问题，研究人员通过溶胶-凝胶法合成了一系列过渡金属氧化物（TMO）修饰的CuO-Co3O4复合催化剂。研究发现，CeO2和ZrO2的引入显著提升了催化剂的氧空位浓度和氧化还原性能，使CO完全转化温度（T100）降至134°C，并表现出优异的动力学性能（活化能25.36 kJ/mol）和25小时稳定性。该研究为工业烟气处理提供了高效低成本催化剂设计策略。

　　

钢铁工业烧结过程每年排放数千万吨CO，传统贵金属催化剂虽活性优异但成本高昂，而单一过渡金属氧化物存在活性位点不足、氧化还原性能差等瓶颈。针对这一难题，国内研究人员通过精准调控CuO-Co₃O₄与过渡金属氧化物（TMO）的界面相互作用，开发出具有工业应用潜力的低温CO氧化催化剂，相关成果发表于《Fuel》。研究团队采用溶胶-凝胶法合成催化剂，结合X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，系统考察了CeO₂、ZrO₂等TMO对催化剂结构性能的影响，并通过程序升温脱附（CO-TPD）和氧化还原测试揭示反应机制。

晶体结构与形貌
XRD分析显示CeO₂和ZrO₂的引入使CuO-Co₃O₄晶粒尺寸减小至8.6 nm和2.8 nm，形成固溶体并引发晶格畸变。FESEM证实这两种催化剂具有分级多孔结构，活性组分均匀分散在载体表面，而NiO和Fe₂O₃掺杂则导致晶体烧结。

电子结构特征
XPS结果表明CuO-Co₃O₄-CeO₂的Cu⁺比例提升至37.84%，Co³⁺含量增加2.45%，氧空位浓度达39.2%。ZrO₂掺杂虽降低Cu⁺含量，但通过Zr⁴⁺→Zr³⁺转化促进氧空位形成。

表面活性与氧化还原性能
CO-TPD显示CeO₂/ZrO₂修饰催化剂在50-300°C出现明显CO₂脱附峰，证实其丰富的氧空位位点。H₂-TPR证明CeO₂使CuO还原温度降至239.6°C，O₂-TPO则揭示其氧活化能力提升，与动力学测试中25.36 kJ/mol的低活化能结果一致。

催化性能比较
在0.4% CO/15% O₂条件下，CuO-Co₃O₄-CeO₂的T₁₀₀比未修饰催化剂降低72°C，TOF值随温度急剧上升，25小时稳定性测试保持99.5%转化率。对比文献数据，其性能优于多数报道的CuMnCe和Co₃O₄/C催化剂。

该研究通过多尺度表征阐明了TMO掺杂-氧空位形成-催化活性提升的构效关系，提出的"固溶体界面工程"策略为设计高效非贵金属催化剂提供了新思路。特别是CeO₂和ZrO₂通过增强金属氧化物间相互作用，协同优化了催化剂的晶格氧迁移率与氧化还原循环能力，这对开发适用于复杂工业烟气环境的催化体系具有重要指导意义。