MgO纳米片负载单分散CeOx物种的氧化活性增强机制及其在甲苯催化燃烧中的应用

针对稀土铈资源利用效率低和VOCs治理需求，研究人员通过水热法合成MgO纳米片负载的CeOx催化剂（含单体、团簇和纳米晶三种形态），发现单体CeOx因更高的氧空位浓度和活性氧（O22-/O2-）活化能力，在甲苯氧化中展现出最优TOF值，为设计高效稀土催化剂提供新思路。

　　

在环境催化领域，挥发性有机物（VOCs）的治理一直是重大挑战，而传统块体氧化铈（CeO₂）催化剂存在稀土利用率低、氧物种活化能力有限等问题。更棘手的是，全球铈资源的 geopolitical 限制促使科学家必须开发原子级分散的铈基催化剂。西班牙国家研究委员会（CSIC）等机构的研究人员在《Applied Catalysis A: General》发表的研究，通过将CeO_x以单体（0-0.5 nm）、非晶团簇（0.5-2 nm）和纳米晶（2-3.5 nm）三种形态分散在六方MgO纳米片上，揭示了尺寸依赖的氧化活性规律。

研究采用水热法合成MgO-h载体，通过浸渍法制备低铈负载量（<1 wt%）催化剂。利用高分辨透射电镜（HR-TEM/STEM）进行纳米结构解析，结合拉曼/红外光谱鉴定表面活性氧物种（O₂^2-和O₂^-），并通过程序升温还原（H₂-TPR）评估氧存储容量（OSC）。甲苯氧化实验在干燥/潮湿条件下进行，采用质谱监测反应产物。

Synthesis of the catalysts
通过水热法（180°C/24 h）制备的MgO-h载体具有38 m²/g比表面积，XRD显示其立方岩盐结构（17 nm晶域）。负载CeO_x后仍保持载体结构完整性，EDS证实铈元素均匀分布。

Characterization
STEM观察到三类CeO_x物种：1）原子级分散的单体（Ce³⁺为主）；2）无序团簇（含Ce³⁺-Ce⁴⁺混合价态）；3）结晶纳米颗粒（2-3.5 nm）。拉曼光谱显示小尺寸CeO_x的氧空位浓度比块体材料高3倍，H₂-TPR证实其还原温度降低120°C。

Discussion
活性测试表明TOF值呈单体（2.1×10^-2 s^-1）>团簇（1.3×10^-2 s^-1）>纳米晶（0.7×10^-2 s^-1）的梯度差异。机理分析揭示单体CeO_x通过形成Ce³⁺-□（氧空位）-O₂^-活性位点，促进甲苯C-H键活化。湿度实验显示MgO-h载体有效抑制水分子竞争吸附，使催化剂在RH=10%时仍保持90%转化率。

Conclusions
该研究首次系统比较了不同分散态CeO_x的催化行为，证实原子级分散单体具有最高本征活性。通过MgO-h载体的结构限域作用，实现了铈原子利用率的最大化（较传统纳米催化剂提升8倍），为设计新一代稀土节约型环境催化剂提供了范式。Calvino Jose和Collins Sebastian团队的工作同时解决了资源约束和催化效率两大难题，其"载体-活性位"协同设计策略可拓展至其他稀土催化体系。