甲苯是一种典型的挥发性有机化合物，具有较高的臭氧形成潜势，可引发环境问题与健康危害。热催化氧化技术因其高效、低能耗、毒副产物少等优点，是最具潜力的甲苯净化技术之一。甲苯催化氧化过程中，表面晶格氧是影响材料活性的重要因素，而缺陷工程可有效调节晶格氧的活性。目前仅少数含阳离子缺陷的过渡金属氧化物材料被用于甲苯催化氧化反应，且对阳离子缺陷（而非氧缺陷）调节甲苯氧化过程中晶格氧活化的机制尚不明确。

　　近期，中国科学院地球环境研究所黄宇研究员团队通过酸处理构建含阳离子缺陷的钴锰氧化物CoMnOx材料，评估酸浓度对阳离子缺陷浓度，及阳离子缺陷对甲苯催化氧化活性的影响，并分析催化剂表面活性中心电子结构的变化规律。发现含最优锰/钴缺陷量的氧化物材料具有最佳的甲苯催化降解活性、催化稳定性和抗水性。结构分析显示，锰缺陷和钴缺陷通过抬升阳离子价态、部分缩短金属-氧键，强化晶格氧活性，促进甲苯氧化。原位DRIFT实验发现，阳离子缺陷强化的高活性晶格氧促进了重要中间体（顺丁烯二酸酐）转化，加速了甲苯的催化氧化降解过程（图1）。上述成果为通过阳离子缺陷（而非氧缺陷）工程开发高活性金属氧化物，实现VOCs净化开辟了新途径。

　　相关研究成果发表于Environmental Science: Nano（IF 9.473），论文第一作者为博士生王薇，通讯作者为黄宇研究员。该工作得到国家自然科学基金（51878644）和中国科学院战略重点研究项目（XDA23010300和XDA23010000）的共同资助。

　　Wei Wang, Yu Huang, Yongfang Rao, Rong Li, Shuncheng Lee, Chuanyi Wang, Junji Cao, The role of cationic defects in boosted lattice oxygen activation during toluene total oxidation over nano-structured CoMnOx spinel, Environ. Sci.: Nano, 2023, 10, 812

　　论文原文链接：https://doi.org/10.1039/D2EN01066F

　　图1  阳离子缺陷强化CoMnOx催化剂甲苯催化氧化反应机理示意图