CuTiOx中亲核性活性氧促进的丙烯低温催化氧化

近年来，随着我国工业的发展和城市化进程的加快，机动车尾气排放、化石燃料燃烧等产生的污染物持续增加，相应的大气污染问题非常严峻。可挥发性有机物（VOCs）是重要的大气污染物，不仅直接危害人类健康，更是形成对流层臭氧和光化学烟雾的主要前驱体。大气中的VOCs和氮氧化物（NO_x）等一次污染物，在阳光照射下，会发生一系列光化学反应，生成臭氧（O₃）、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等强氧化性二次污染物，进而形成光化学烟雾，对动植物健康和生态平衡造成威胁。

短链不饱和烃丙烯（C₃H₆）具有较高的光化学反应活性，是促进对流层臭氧形成的前十大主要污染物之一。在我国，丙烯的排放量只占VOCs排放总量的2.5%，却贡献7%的VOCs臭氧生成潜势（OFP），是影响臭氧生成的关键活性物种。大气中的丙烯主要来源于机动车尾气（38%），工业废气（23%）和生物质燃烧（21%）。在机动车尾气催化净化过程中，Pt基催化剂是目前最常用的商用催化剂。传统贵金属Pt基催化剂虽然活性较高，但在实际使用过程中存在水热稳定性差、活性组分易流失，容易发生SO₂中毒等问题；同时，Pt储量低（地壳表层0.003ppb），开采难度大，以燃煤电力驱动的开采过程也会对环境造成严重危害。因此，开发高效非贵金属基VOCs催化氧化催化剂是目前亟待解决的重要科学问题。近日，华中师范大学环境与应用化学研究所郭彦炳（点击查看介绍）课题组在非贵金属基CuTiO_x催化剂高效低温去除丙烯方面取得新进展，成果发表在Environmental Science & Technology上。

该工作以Cu/TiO₂为研究对象，通过在TiO₂表面引入Cu-O-Ti杂化键构建大量的活性表面晶格氧。Cu-O-Ti杂化体系中的电荷转移（Ti→O→Cu）能产生大量富电子表面晶格氧O^δ-，该具有强亲核性的活性氧可以有效促进丙烯中甲基C-H键的活化和解离，进而提升丙烯的低温催化氧化性能。同时，由于Cu-O-Ti的结构不稳定性，该亲核氧物种O^δ-的氧空位形成能较低，具有较好的反应活性，提高了丙烯的催化转化效率。

图1. a：O₂程序升温脱附（O₂-TPD）；b：CO₂程序升温脱附（CO₂-TPD）结果；c：DFT计算氧空位形成能；d：催化剂表面差电荷密度分布。

研究表明，CuTiO_x催化剂表面可能存在三种平行的反应路径，分别对应三种不同的丙烯吸附类型。丙烯催化燃烧主要是以δ键化学吸附的烯丙基物种进行，烯丙基物种能有效发生C-C断裂，形成醇类、醛类的等C₂中间产物，进一步完全氧化生成CO₂。

图2. CuTiO_x催化剂表面Cu-O-Ti促进丙烯氧化的三种反应路径。

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Engineering the Nucleophilic Active Oxygen Species in CuTiO_x for Efficient Low-Temperature Propene Combustion

Yarong Fang, Li Li, Ji Yang, Son Hoang, Liming Wang, Jue Xu, Weiwei Yang, Chuanqi Pan, Yuhua Zhu, Hongtao Deng, Zhu Luo, Chuanzhi Sun, Daqiang Gao, Zhenguo Li, Yanbing Guo*

Environ. Sci. Technol., 2020, 54, 15476–15488, DOI: 10.1021/acs.est.0c05845

导师介绍

郭彦炳

https://www.x-mol.com/university/faculty/82148