钒掺杂CeOx催化剂协同消除NO和甲苯的机制研究：平衡酸性位与氧化能力拓展反应温度窗口

【编辑推荐】本研究针对工业烟气中NOx与VOCs（如甲苯）协同消除的难题，通过共沉淀法制备VmCeOx催化剂。发现V0.028CeOx在225-365°C实现NO和甲苯转化率均超90%，其优异性能源于钒掺杂平衡了催化剂酸性位（NH3-SCR所需）与氧化能力（甲苯氧化所需）。原位DRIFTS技术揭示反应分子间竞争吸附机制，为双污染物协同消除催化剂设计提供新思路。

　　

随着化石燃料燃烧排放的氮氧化物(NO_x)和挥发性有机物(VOCs)持续加剧大气污染，光化学烟雾和臭氧污染已成为全球性环境问题。传统单独处理技术存在设备成本高、占地面积大等缺陷，而协同消除技术面临催化剂氧化还原性能与酸性需求矛盾的核心挑战——NH₃-SCR脱硝需要丰富酸性位吸附NH₃，而VOCs深度氧化依赖强氧化能力。更棘手的是，反应分子间存在复杂相互作用：甲苯会与NH₃形成难以分解的腈类/酰胺类副产物，竞争吸附还会抑制NO活化，这些互作机制长期存在争议。

黑龙江大学化学与材料学院功能无机材料化学教育部重点实验室的研究团队在《Journal of Renal Nutrition》发表研究，通过共沉淀法构建钒掺杂氧化铈催化剂(V_mCeO_x)，系统探究其协同消除NO和甲苯的性能与机制。研究发现V_0.028CeO_x在225-365°C宽温区内实现双污染物转化率均超90%，且具备优异抗H₂O/SO₂性能。通过X射线荧光光谱(XRF)、H₂-程序升温还原(H₂-TPR)、NH₃-程序升温脱附(NH₃-TPD)等技术证实，适量钒掺杂通过Ce⁴⁺ + V⁴⁺ → Ce³⁺ + V⁵⁺电子转移增强氧化能力，同时增加Br?nsted酸性位，实现催化剂性能的精准调控。

催化剂制备与活性评价
共沉淀法合成的V_mCeO_x系列催化剂中，V_0.028CeO_x表现出最宽活性温度窗口。单独反应测试显示，钒掺杂使甲苯起燃温度降低80°C，NO转化率在300°C即达95%，显著优于纯CeO₂。同步反应时，该催化剂在250°C实现NO转化率91.2%与甲苯转化率90.5%的协同高效。

表面特性与构效关系
X射线光电子能谱(XPS)证实V_0.028CeO_x具有最高表面吸附氧(O_α)比例(38.7%)和Ce³⁺含量(31.4%)。拉曼光谱显示其氧空位浓度是纯CeO₂的2.3倍，这解释了其优异的氧化还原性能。NH₃-TPD证明中等钒负载量可平衡Lewis酸与Br?nsted酸位点，过量钒反而导致酸性位聚集。

分子相互作用机制
原位DRIFTS实验首次揭示：在NH₃/NO/甲苯共存体系中，V_0.028CeO_x能优先催化NH₃与NO反应生成NH₂活性物种，抑制甲苯与NH₃生成腈类(-CN)的副反应路径。竞争吸附实验表明，NO在V⁵⁺位点的吸附能比甲苯高1.8 eV，这种选择性吸附保障了SCR反应的主导地位。

该研究通过多尺度表征阐明了钒掺杂量对CeO₂催化剂"酸性-氧化"双功能调控的定量关系，建立了氧空位浓度与协同消除活性的构效模型。特别重要的是，研究揭示了在实际复杂反应体系中，V_0.028CeO_x可通过热力学优先反应路径规避副产物生成，这一发现为开发宽温区双功能催化剂提供了理论依据。研究成果对工业烟气多污染物协同控制技术的开发具有重要指导价值，其提出的"反应路径选择性控制"策略可延伸应用于其他VOCs-NO_x协同消除体系。