钼掺杂OMS-2催化剂实现40℃低温高效选择性催化氨氧化制氮

为解决低温下氨选择性催化氧化（NH3-SCO）反应活性低、N2选择性差的问题，研究人员通过钼（Mo）掺杂改性锰氧化物（OMS-2），开发出可在40℃实现16%氨转化率的高效催化剂。该研究揭示了Mo通过调控Mn3+/Mn4+比例和稳定*NH+*O中间体促进N-N耦合的机制，为低温氨污染治理提供了新策略。

　　

氨气（NH₃）作为常见环境污染物，不仅具有刺激性气味，高浓度暴露还会引发呼吸系统损伤。传统NH₃选择性催化氧化（NH₃-SCO）技术面临两难困境：贵金属催化剂易导致NH₃过度氧化生成NO_x，而非贵金属催化剂在低温下活性不足。更棘手的是，反应过程中NH与HNO等中间体难以定向耦合，往往产生N₂O等副产物。如何实现低温高效催化同时保持高N₂选择性，成为环境催化领域的重要挑战。

针对这一难题，上海科学技术委员会等机构资助的研究团队将目光投向具有独特隧道结构的锰氧化物（OMS-2）。这种材料拥有灵活的Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺多价态转换能力，但纯OMS-2在低温下仍存在活化能垒过高的问题。研究人员创新性地引入钼（Mo）作为掺杂剂，成功开发出可在40℃实现氨氧化的高效催化剂，相关成果发表在《Catalysis Today》上。

研究团队采用水热法合成α-、β-、δ-MnO₂和OMS-2四种晶型催化剂，通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）等表征确认结构，结合H₂-程序升温还原（H₂-TPR）和X射线光电子能谱（XPS）分析电子状态，并利用密度泛函理论（DFT）计算揭示反应机制。

催化剂表征
XRD证实成功合成具有2×2隧道结构的OMS-2，其Mn⁴⁺/Mn³⁺比例显著高于其他晶型。Mo掺杂后，XPS显示Mn³⁺含量增加21%，H₂-TPR表明还原峰向低温移动，说明Mo⁶⁺的引入增强了氧化还原能力。

性能评价
在40℃反应条件下，Mo-OMS-2的NH₃转化率达到16%，远高于未掺杂样品的5%。同位素标记实验证实N₂主要来源于NH₃分子的耦合而非分解，N₂选择性保持在80%以上。

机制解析
DFT计算显示Mo位点使NH吸附能提升0.8 eV，关键中间体NH+O的稳定化能降低1.2 eV。这种"双锚定"效应促进了N-N键形成，避免了HNO途径导致的N₂O副产物生成。

该研究不仅创制出当前最低工作温度的NH₃-SCO催化剂，更通过原子尺度设计阐明了低温活性的结构起源。Yiyang Zhang等作者提出的"中间体稳定化"策略，为开发其他低温环境催化体系提供了普适性思路。特别值得注意的是，Mo-OMS-2催化剂在模拟实际环境的湿度条件下仍保持稳定，这为其在污水处理厂、畜禽养殖场等场景的应用奠定了基础。未来通过优化Mo负载量与载体形貌，有望进一步突破低温催化性能极限。