双金属钴-铈负载泡沫铜催化剂在低温催化氧化对二甲苯中的性能增强机制与氧空位作用研究

研究人员针对挥发性有机物(VOCs)低温催化降解效率低的难题，设计出CoCeOx@Co3O4/CF双金属催化剂，通过XPS、H2-TPR等技术证实其238°C即可实现p-二甲苯90%降解，揭示了氧空位介导的MvK氧化机制，为工业VOCs治理提供新策略。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机物(VOCs)污染已成为威胁大气环境与人体健康的"隐形杀手"。其中，对二甲苯(p-xylene)作为典型苯系物，其传统处理技术存在能耗高、效率低等瓶颈。尤其面对低浓度、大风量的移动污染源，开发低温高效催化剂成为环境催化领域的"圣杯"挑战。

昆明理工大学的研究团队独辟蹊径，将目光聚焦于双金属协同效应。他们创新性地在泡沫铜(CF)载体上构建了CoCeO_x@Co₃O₄分级结构，通过水热-煅烧法使钴铈氧化物形成"核壳"组装。这种设计巧妙融合了Co₃O₄的氧化还原特性与CeO₂的氧储存能力，相关成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用X射线衍射(XRD)确认晶体结构，扫描电镜(SEM)观测到催化剂呈现独特的三维多孔网络。通过程序升温还原(H₂-TPR)和脱附(O₂-TPD)实验，发现450°C煅烧的CoCeO_x@Co₃O₄/CF在238°C即可实现p-二甲苯90%转化(T₉₀)，较单金属催化剂降低21-42°C。电子顺磁共振(EPR)谱图直接证实了氧空位浓度提升2.3倍，X射线光电子能谱(XPS)则揭示了Co²⁺/Co³⁺与Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的协同作用。

【催化剂结构研究】部分显示，ZIF-67衍生的Co₃O₄/CF表面坍塌粗糙，而双金属修饰后形成均匀分布的纳米花状结构。能量色散谱(EDS)证实Ce元素成功掺杂，比表面积提升至原催化剂的1.8倍。这种结构优势使活性位点暴露率提高，为反应物吸附创造了理想环境。

【反应机制解析】通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)捕获到马来酸酐等中间产物，结合原位漫反射红外光谱(in-situ DRIFTS)，首次绘制出p-二甲苯的完整降解路径：甲基基团优先与晶格氧(O_latt)作用生成苯氧自由基，随后通过Mars-van Krevelen(MvK)机制逐步氧化为CO₂和H₂O。特别值得注意的是，氧空位作为"电子中转站"，显著加速了活性氧物种的再生循环。

该研究不仅创制出性能优异的工业候选催化剂，更通过多尺度表征揭示了双金属催化剂的构效关系。Chenyang Zhao等作者在【结论】部分强调，这种"载体优化-组分调控-缺陷工程"三位一体的设计策略，为开发下一代VOCs净化材料提供了理论蓝图。国家自然科学基金资助的这项研究，标志着我国在环境催化领域已从"跟跑"迈向"领跑"阶段。