二氧化铈形貌调控对甲苯光热协同催化降解的形态效应及机理研究

本研究系统探讨了不同形貌CeO2催化剂（纳米球、纳米棒、纳米立方体）在光热协同催化降解甲苯中的性能差异，揭示了形貌调控通过影响比表面积、能带结构和氧空位浓度（Ce3+/Ce4+循环）增强ROS（活性氧物种）生成与吸附能力的机制，为VOCs（挥发性有机物）净化材料设计提供理论依据。

　　

结构与元素分析

XRD结果（图1）证实了CeO₂的立方萤石结构（JCPDS No. 34–0394），在2θ = 28°、33°、47°、56°、59°、69°、77°和79°处出现衍射峰。通过HR-TEM观察不同CeO₂催化剂的形貌和晶向[16]。如图2所示，CeO₂样品呈现三种独特形貌：球形、棒状和立方体。纳米球（NS）CeO₂（图2a~c）平均直径约100 nm，暴露（111）晶面[17]。纳米棒（NR）则主要暴露（110）和（100）晶面，而纳米立方体（NC）以（100）晶面为主。这种晶面暴露差异直接影响表面氧空位密度和Ce³⁺/Ce⁴⁺比例，进而调控光生载流子分离效率和热催化活性位点分布。

结论

本研究通过形貌、能带和活性位点的多尺度协同调控策略，阐明了CeO₂形貌（NS、NR、NC）对光热VOCs降解性能的影响机制。实验结果表明，纳米球（NS）催化剂凭借其高比表面积、窄带隙和富集Ce³⁺诱导的氧空位，展现出最优活性。机理分析揭示：可见光不仅促进活性氧物种（ROS）的原位生成，加速甲苯氧化转化，还通过增强甲苯分子及其中间体与CeO₂表面位点的吸附作用，显著降低反应温度与能耗。这一发现为设计高效光热协同催化体系提供了关键理论支撑。

作者贡献声明

王嘉盛： 原始草案撰写、方法论设计、实验操作与数据分析；

张鸿坤： 方法论支持与数据验证；

史丽丽： 软件建模与形式化分析；

周航宇： 方法验证与实验协调；

周宝成： 资源协调与监督指导；

孙鹏飞： 综述修订、基金获取、概念设计与深度分析（通讯角色）；

董小平： 综述修订与项目监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究的财务或个人关系冲突。

致谢

本研究由浙江省自然科学基金（编号：LTGS24B070003）资助。