Abstract Tandem catalysis can carry out the sequential coupling of multiple reactions in one operation, which is promising for sulfur-containing volatile organic compounds (S-VOCs) control. Herein, a tandem catalyst (CuO/VO-MnO2) consisting of well-dispersed CuO shell and oxygen vacancy-rich (VO) hollow-structured MnO2 core exhibited superior adsorption and catalytic performance under the mild condition for the elimination of CH3SH. The optimum 5CuO/VO-MnO2 can reach a significant improvement in CH3SH elimination of ∼99 % conversion over bare CuO/ pristine MnO2 at 25 ℃ under a GHSV of 60,000 mL h−1 g−1, and an almost 4-fold enhanced catalytic activity of the individual O3 with ∼99 % utilization of the applied O3 in the feed gas. The underlying tandem catalytic mechanism was in-depth identified by XPS, in situ DRIFTs and high-level computational study. The secret to the superior performance of CuO/VO-MnO2 lies in that CH3SH was preferentially chemisorbed on multivalent CuO (Cu(I)/Cu(II)), then deeply oxidized into final product of SO42−/CO32− via the catalytic ozonation by multivalent CuO and oxygen vacancies of neighbouring VO-MnO2. Attributed to the efficient electron replenishing interaction and cycling of active oxygen vacancies at the tandem reactive site of CuO/VO-MnO2 interface ( Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO + Cu(I) + O2), its lifetime can extend to 300 min with limited loss of activity. These findings thus open up a way to address current multiple challenges in S-VOCs control using a single hierarchical core-shell structure with tandem catalysis.

中文翻译：

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CuO/VO-MnO2活性定点串联催化在温和条件下高效稳定地催化臭氧化S-VOCs

摘要 串联催化可以在一次操作中进行多个反应的顺序偶联，在含硫挥发性有机化合物（S-VOCs）的控制方面具有广阔的应用前景。在此，由分散良好的 CuO 壳和富氧空位 (VO) 空心结构 MnO2 核组成的串联催化剂 (CuO/VO-MnO2) 在温和条件下表现出优异的吸附和催化性能，可消除 CH3SH。最佳的 5CuO/VO-MnO2 在 60,000 mL h-1 g-1 的 GHSV 条件下，在 25 ℃下，CH3SH 的消除比裸 CuO/原始 MnO2 的转化率提高了约 99%，并且催化性能提高了近 4 倍。单个 O3 的活性，原料气中应用的 O3 利用率约为 99%。XPS 深入鉴定了潜在的串联催化机制，原位漂移和高级计算研究。CuO/VO-MnO2 优异性能的秘诀在于 CH3SH 优先化学吸附在多价 CuO（Cu(I)/Cu(II)）上，然后通过催化臭氧化深度氧化成 SO42−/CO32− 的最终产物通过多价 CuO 和相邻 VO-MnO2 的氧空位。归因于在 CuO/VO-MnO2 界面 (Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO +) 串联反应位点处有效的电子补充相互作用和活性氧空位的循环Cu(I) + O2)，其寿命可延长至 300 分钟，但活性损失有限。因此，这些发现开辟了一种使用串联催化的单一分层核壳结构来解决当前 S-VOC 控制中的多重挑战的方法。CuO/VO-MnO2 优异性能的秘诀在于 CH3SH 优先化学吸附在多价 CuO（Cu(I)/Cu(II)）上，然后通过催化臭氧化深度氧化成 SO42−/CO32− 的最终产物通过多价 CuO 和相邻 VO-MnO2 的氧空位。归因于在 CuO/VO-MnO2 界面 (Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO +) 串联反应位点处有效的电子补充相互作用和活性氧空位的循环Cu(I) + O2)，其寿命可延长至 300 分钟，但活性损失有限。因此，这些发现开辟了一种使用串联催化的单一分层核壳结构来解决当前 S-VOC 控制中的多重挑战的方法。CuO/VO-MnO2 优异性能的秘诀在于 CH3SH 优先化学吸附在多价 CuO（Cu(I)/Cu(II)）上，然后通过催化臭氧化深度氧化成 SO42−/CO32− 的最终产物通过多价 CuO 和相邻 VO-MnO2 的氧空位。归因于在 CuO/VO-MnO2 界面 (Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO +) 串联反应位点处有效的电子补充相互作用和活性氧空位的循环Cu(I) + O2)，其寿命可延长至 300 分钟，但活性损失有限。因此，这些发现开辟了一种使用串联催化的单一分层核壳结构来解决当前 S-VOC 控制中的多重挑战的方法。然后通过多价 CuO 和相邻 VO-MnO2 的氧空位的催化臭氧化作用，将其深度氧化为 SO42-/CO32- 的最终产物。归因于在 CuO/VO-MnO2 界面 (Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO +) 串联反应位点处有效的电子补充相互作用和活性氧空位的循环Cu(I) + O2)，其寿命可延长至 300 分钟，但活性损失有限。因此，这些发现开辟了一种使用串联催化的单一分层核壳结构来解决当前 S-VOC 控制中的多重挑战的方法。然后通过多价 CuO 和相邻 VO-MnO2 的氧空位的催化臭氧化作用，将其深度氧化为 SO42-/CO32- 的最终产物。归因于在 CuO/VO-MnO2 界面 (Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO +) 串联反应位点处有效的电子补充相互作用和活性氧空位的循环Cu(I) + O2)，其寿命可延长至 300 分钟，但活性损失有限。因此，这些发现开辟了一种使用串联催化的单一分层核壳结构来解决当前 S-VOC 控制中的多重挑战的方法。归因于在 CuO/VO-MnO2 界面 (Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO +) 串联反应位点处有效的电子补充相互作用和活性氧空位的循环Cu(I) + O2)，其寿命可延长至 300 分钟，但活性损失有限。因此，这些发现开辟了一种使用串联催化的单一分层核壳结构来解决当前 S-VOC 控制中的多重挑战的方法。归因于在 CuO/VO-MnO2 界面 (Mn(IV) + Cu(II) + 2Olatt → Mn(II)/Mn(III) + VO +) 串联反应位点处有效的电子补充相互作用和活性氧空位的循环Cu(I) + O2)，其寿命可延长至 300 分钟，但活性损失有限。因此，这些发现开辟了一种使用串联催化的单一分层核壳结构来解决当前 S-VOC 控制中的多重挑战的方法。