分散组装的CeWMnTiOx催化剂中超循环相互作用对1,3-丁二烯的可持续催化氧化研究

工业废气中普遍存在低沸点烯烃难以回收利用的难题，使得催化氧化发挥了至关重要的作用，因此迫切需要开发催化氧化活性高、成本低、环保绿色的催化剂。本研究通过引入痕量的W、Ce和Mn制备并组装了七种钛基复合催化剂，并在150-300 °C下开展对模型污染物1,3-丁二烯的催化氧化研究。在七种复合催化剂中，具有多种阳离子的Ce_0.027W_0.02Mn_0.054TiO_x催化剂具有优异的氧化活性。实验研究和理论计算结果表明各元素之间的超循环相互作用在催化氧化反应中起到了关键作用。在Ce_0.027W_0.02Mn_0.054TiO_x催化剂中，五重的氧化还原循环（Mn³⁺+Ti⁴⁺ ↔ Mn⁴⁺+Ti³⁺, W⁶⁺+Ti³⁺ ↔ W⁵⁺+Ti⁴⁺, W⁶⁺+Mn³⁺ ↔ W⁵⁺+Mn⁴⁺, W⁵⁺+Ce⁴⁺↔W⁶⁺+Ce³⁺, Ce³⁺+Mn⁴⁺↔Ce⁴⁺+Mn³⁺）发挥协同效应，激发了各元素间的超循环相互作用，促进了催化剂内部与界面的电子传递^{[1, 2]}，赋予了Ce_0.027W_0.02Mn_0.054TiO_x催化剂丰富的活性氧物种，使其在250-300 °C条件下实现100%的CO₂选择性，以及在5%-70%相对湿度范围内具有较好的抗干扰性能。结合原位漫反射傅里叶变换红外光谱表征的1,3-丁二烯动态氧化过程，我们提出了超循环相互作用驱动的催化氧化机理。本研究对多元复合催化材料各元素之间相互作用的深度理解与认识，可为高活性多金属组分复杂催化体系的设计及低沸点烯烃等挥发性有机污染物的处置提供强有力的理论依据。