WOx单层分散效应构建低钯含量催化剂用于甲苯高效催化燃烧

为解决贵金属Pd资源稀缺与VOCs（挥发性有机化合物）污染治理需求间的矛盾，研究人员基于单层分散理论设计WOx改性Pd/Al2O3催化剂，发现20 wt% WOx负载量（单层阈值0.717 mmol/100 m2）时，催化剂酸性位点与活性氧（O22-/O2-）浓度最优，甲苯燃烧活性显著提升且具备抗水硫性能，为低贵金属催化剂设计提供新范式。

　　

随着工业化和城市化进程加速，挥发性有机化合物（VOCs）污染已成为威胁环境和人类健康的重要问题。这类物质不仅是光化学烟雾和臭氧的前体，其强致癌性更直接危害人体。尽管贵金属Pd/Al₂O₃催化剂在VOCs治理中表现优异，但高昂的成本制约其大规模应用。如何通过精准调控催化剂结构实现"降Pd增效"，成为环境催化领域的关键挑战。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地将单层分散理论应用于催化剂设计。他们发现当WO_x负载量达到20 wt%（对应0.717 mmol/100 m2单层阈值）时，Pd/W₂₀-Al₂O₃催化剂表面形成均匀的钨酸盐单层，而非结晶WO₃团聚体。这种特殊的表面状态通过XRD、Raman和UV-vis等技术得到证实。更重要的是，XPS分析显示该催化剂具有最高浓度的Pd^δ+活性位点和表面活性氧物种（O₂^2-/O₂^-），TPR和NH₃-TPD则证明其氧化还原能力和酸性位点数量达到最优平衡。

研究团队采用湿法浸渍法构建系列Pd/W_x-Al₂O₃催化剂，通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术表征材料结构，结合程序升温还原（TPR）、程序升温脱附（TPD）评估表面性质，最终通过甲苯催化燃烧实验验证性能。

关键研究结果包括：

1. 单层分散阈值验证：当WO_x负载量超过20 wt%时，XRD检测到明显的m-WO₃晶体衍射峰，而低于此阈值时仅存在γ-Al₂O₃特征峰，证实单层分散理论预测的准确性。
2. 表面特性调控：Pd/W₂₀-Al₂O₃的NH₃脱附量较未改性催化剂提升2.3倍，O_1s XPS谱图中活性氧物种占比达41.5%，解释其卓越催化活性的结构基础。
3. 反应路径转变：原位DRIFTS表明单层分散阈值上下催化剂的甲苯氧化中间体存在差异，阈值以下主要经由苯甲酸盐路径，而阈值以上出现更多深度氧化产物。

这项发表于《Applied Catalysis A: General》的研究不仅证实单层分散理论在环境催化中的指导价值，更开创性地通过WO_x-Pd协同作用实现"微量Pd高效催化"的目标。催化剂在含10 vol%水蒸气或50 ppm SO₂的苛刻条件下仍保持90%以上甲苯转化率，展现出工业化应用潜力。该工作为开发低成本、高性能VOCs净化催化剂提供了新思路，对大气污染治理技术发展具有重要意义。