DOI：10.1016/S1872-2067(25)64736-X

近日，《催化學報》在線發表了山東科技大學馮超教授、林燕副教授和中國石油大學（華東）潘原教授、北京化工大學張潤鐸教授等在環境催化領域的最新研究成果文章。該工作報道了通過缺陷誘導效應構筑高分散Pt/Co₃O₄界面，開發具有優異低溫催化丙烷氧化活性和穩定性的催化劑。論文第一作者為：馮超，論文共同通訊作者為：林燕副教授、潘原教授和張潤鐸教授。

揮發性有機污染物（VOCs）是常見的化工大氣污染物，其中，以丙烷為代表的短鏈烷烴，是環境污染物臭氧的主要前驅體。催化氧化技術是應用最為廣泛的VOCs消除技術，技術核心在于催化劑的設計。貴金屬Pt具有良好的低溫催化VOCs氧化活性，但是高昂的價格、資源的稀缺以及顆粒易團聚的缺點限制了其在工業中的應用。過渡金屬氧化物中的Co₃O₄，具有豐富的活性中心、易于構造缺陷的尖晶石結構和良好的氧化還原性能。因此，如何提高Pt在Co₃O₄表面的分散度，調節Pt和Co₃O₄的界面作用，深入探究Pt-Co₃O₄雙活性組分體系與催化VOCs氧化活性的構效關聯和催化機制，對于突破VOCs低溫催化瓶頸具有重要意義。

本工作通過在Co₃O₄表面構筑缺陷，利用缺陷誘導效應提升Pt物種在表面的分散度，開發具有優異低溫催化丙烷氧化活性和穩定性的催化劑(0.6Pt/V_O-Co₃O₄)。并揭示了Pt和Co₃O₄在丙烷催化氧化反應中的構效關聯和協同機制，為設計和合成高效雙活性組分催化劑提供了新思路。

圖1. 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化劑Co和Pt元素的同步輻射表征結果圖。

要點：

首先對Co₃O₄進行缺陷工程預處理，并通過還原-錨定策略制備了Pt/V_O-Co₃O₄催化劑，由于Co₃O₄表面缺陷對Pt的缺陷誘導效應，Pt在V_O-Co₃O₄表面高度分散。X射線衍射、高角環形暗場掃描透射電鏡及X射線光電子能譜結果表明，Pt/V_O-Co₃O₄催化劑中的Pt進入Co₃O₄表面晶格中，形成高度分散的小尺寸Pt顆粒結構。

圖2. 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化劑的EPR，Raman，XPS，H₂-TPR，ESR和O₂-TPD表征結果圖。

要點：

X射線吸收譜和H₂程序升溫還原測試結果表明，相較于0.6Pt/Co₃O₄，0.6Pt/V_O-Co₃O₄中存在更強的Pt和Co₃O₄的金屬-載體相互作用，呈現出更低的價態，從而增強了低溫下的還原性能。電子順磁共振、電子自旋共振、拉曼光譜和O₂程序升溫氧化測試結果則證實了0.6Pt/V_O-Co₃O₄表面缺陷錨定Pt重構后，表面Pt-O鍵和Co-O鍵的差異大大增強了表面晶格氧的活性，更容易生成活性氧物種，有利于催化劑表面丙烷的氧化活性的提升。

圖3. 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化劑的丙烷催化活性和穩定性圖。

要點：

當Pt負載量為0.6 wt%時，Pt/V_O-Co₃O₄表現出極好的低溫催化丙烷活性。0.6Pt/V_O-Co₃O₄在160℃下催化丙烷完全氧化的反應速率為32.2×10^-5 mol·g_cat^-1·s^-1，是0.6Pt/Co₃O₄（17.6×10^-5 mol·g_cat^-1·s^-1）的兩倍，Co₃O₄（6.7×10^-5 mol·g_cat^-1·s^-1）的四倍。并且0.6Pt/V_O-Co₃O₄表現出極好的抗水性和高溫穩定性、循環穩定性。

圖4. Co₃O₄, V_O-Co₃O₄, 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化劑的反應速率-丙烷/空氣分壓關系圖。

要點：

通過控制丙烷和氧氣的分壓，測定了不同催化劑的速率表達式，相較于丙烷，反應中氧氣的活化更為重要。

原位紅外表征結果表明，表面缺陷的存在了略微增強了低溫下丙烷脫氫過程，促進了酮基和酯基物種的生成。而Pt的負載極大的增強了生成活性氧物種深度活化酯基斷裂能力。結合DFT計算，我們提出了Pt/V_O-Co₃O₄表面缺陷對丙烷催化完全氧化的增強機制，表面缺陷的存在大大增強了Pt/V_O-Co₃O₄對丙烷的吸附性能。Pt在表面的高分散使Pt呈現出接近Co₃O₄中Co的配位狀態，較Pt/Co₃O₄表面的PtO₂具有更多的電子，表現出更強的氧氣解離能和更低的丙烷氧化解離能壘，從而增強了低溫催化丙烷完全氧化活性。

1. 表面缺陷的缺陷-誘導效應有利于增強貴金屬組分在表面的分散性，有利于小尺寸活性組分的生成。

2. 小尺寸活性組分進入缺陷中，形成的晶格畸變有利于增強表面對氧氣的活化，從而增強丙烷完全氧化活性。

3. 缺陷-誘導效應有利于增強Pt與Co₃O₄之間的金屬-載體相互作用，從而具有更強的協同催化能力。