表面氧空位调控的3DOM LaMn1.2O3光热催化高效矿化VOCs机制研究

本研究针对VOCs（挥发性有机物）污染治理难题，开发了具有三维有序大孔结构（3DOM）的LaMn1.2O3光热催化剂。通过精确调控表面氧空位浓度，实现了甲苯100%转化率和92%矿化效率（WHSV=35,000 mL?g-1?h-1），并证实适度氧空位可协同促进电荷迁移、降低活化能垒，为全光谱太阳能利用型环境修复技术提供新策略。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机物（VOCs）已成为PM_2.5和臭氧污染的关键前体物，传统治理技术面临能耗高、二次污染等瓶颈。太阳能驱动的光热催化技术因其"一石二鸟"的特性备受关注——既能利用紫外光引发光化学反应，又能将红外光转化为热能驱动热催化。然而，如何设计能同时捕获全光谱太阳能并高效活化VOCs分子的催化剂，成为制约该技术发展的核心难题。

福州大学先进制造学院生物与环境工程系的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表创新成果。他们聚焦钙钛矿催化剂LaMn_1.2O₃，通过氢退火温度调控（350-500°C）构建不同浓度表面氧空位，结合三维有序大孔（3DOM）结构的光捕获优势，系统探究了氧空位数量与光热催化性能的构效关系。研究采用PMMA模板法制备3DOM骨架，通过X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）定量表征氧空位，结合瞬态光电流响应和程序升温还原（H₂-TPR）分析电子转移与氧化还原特性，并建立原位红外光谱（in situ DRIFTS）追踪反应路径。

材料结构与性能
SEM和汞孔隙率测试证实催化剂具有310±10 nm的规整大孔结构，XRD显示350°C退火样品（LMO-350°C）保持纯相钙钛矿。EPR分析表明该样品具有适中的氧空位浓度（0.28 vacancies/nm²），其光热催化甲苯效率显著优于无空位或高浓度空位样品。

作用机制解析
电化学测试显示LMO-350°C的电荷分离效率比对照组高3.2倍，H₂-TPR证实其低温还原峰提前42°C。理论计算表明氧空位使甲苯吸附能降低0.47 eV，原位红外捕捉到关键中间体苯甲醛（C₆H₅CHO）的快速转化过程，揭示适度空位既能促进氧活化又能维持晶格稳定性。

实际应用验证
在35,000 mL?g^-1?h^-1空速下，LMO-350°C实现甲苯连续120小时100%转化，对丙酮、乙酸乙酯等混合VOCs的矿化率均超85%。生命周期评估显示太阳能驱动工艺可降低62%的碳排放。

该研究创新性地提出"氧空位浓度阈值效应"：适量空位（350°C退火）通过形成Mn³⁺-□-Mn⁴⁺（□表示空位）电荷传输通道促进载流子分离，同时优化表面氧迁移率（O₂^-→O^2-转化速率提升2.1倍）。这一发现突破了传统催化剂设计中"空位越多越好"的认知局限，为开发"光-热"协同环境净化技术提供了重要理论依据。研究成果不仅适用于工业废气治理，对室内空气净化、机动车尾气处理等领域也具有重要参考价值。