阳离子空位工程诱导不对称Pd2+-VO-Mn复合结构促进苯催化燃烧的性能与机制研究

针对VOCs（挥发性有机化合物）催化燃烧中氧空位(VO)易湮灭的难题，中国科学院研究人员通过阳离子空位工程构建了具有不对称Pd2+-VO-Mn复合结构的PdAu/LMO-M催化剂。该研究通过DFT计算与实验验证，揭示了不对称结构可同时激活晶格氧和分子氧，实现苯低温高效催化氧化（T90=201℃），为设计稳定高效VOCs催化剂提供了新思路。

　　

【研究背景】
苯等挥发性有机化合物(VOCs)是臭氧和光化学烟雾的前体，对环境和健康构成双重威胁。当前催化燃烧技术虽能高效降解VOCs，但传统过渡金属氧化物催化剂存在活性位点不足、贵金属催化剂易高温失活等瓶颈。其中，氧空位(V_O)作为氧活化的关键位点，在高温富氧条件下易被填充湮灭，导致催化剂失活。如何构建动态稳定的V_O结构，成为突破VOCs低温催化氧化技术的关键科学问题。

【研究设计与方法】
中国科学院团队创新性地提出阳离子空位工程策略，在LaMnO₃钙钛矿载体(LMO)上构建原子级空位锚定PdAu纳米颗粒，形成不对称Pd²⁺-V_O-Mn复合结构。研究结合X射线光电子能谱(XPS)、X射线吸收光谱(XAS)等表征技术，通过密度泛函理论(DFT)计算阐明了电子转移机制，并采用原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)追踪苯降解路径。

【研究结果】

1. 催化性能：PdAu/LMO-M在201℃实现90%苯转化率，较原始LMO降低158℃，且稳定性显著提升。
2. 结构解析：阳离子空位有效锚定PdAu纳米颗粒，形成强金属-载体相互作用(EMSI)，XPS证实界面电荷重分布诱导Pd²⁺电子态偏移。
3. 机制揭示：不对称Pd²⁺-V_O-Mn通过极化相邻Mn-O键活化晶格氧，同时局部电子富集促进分子O₂解离，实现双路径氧活化。

【结论与意义】
该研究开创性地通过阳离子空位工程构建动态稳定的不对称V_O结构，解决了传统对称V_O易湮灭的难题。PdAu/LMO-M催化剂中独特的电子协同效应与几何构型调控，为设计高效稳定的VOCs催化材料提供了新范式。论文发表于《Applied Surface Science》，其提出的"空位锚定-界面重构-双氧活化"机制对大气污染控制催化剂开发具有重要指导价值。