揮發性有機物（VOCs）是大氣中二次有機氣溶膠和臭氧的重要前體物質，對環境質量和人體健康存在潛在危害。其中，甲苯作為典型的芳香性VOCs污染物，結構穩定、來源廣泛。熱催化氧化技術作為消除工業源甲苯污染的有效途徑，可在一定溫度（約200~400℃）下將甲苯完全氧化降解。然而，不同行業排放的甲苯廢氣溫度差異較大，且催化劑在不同反應溫度下遵循不同的作用機制。因此，在寬溫度范圍內實現甲苯的高效降解，是催化材料合成創新面臨的挑戰。

近期，中國科學院地球環境研究所研究員黃宇團隊提出了全新的攪拌輔助-熔融鹽策略，同步實現超薄二維鈷氧化物催化劑（2DCo₃O₄）的制備及Cu和Zn原子的精確定位摻雜（圖1），且不同金屬的摻雜在特定溫度區間內顯著增強了對甲苯的催化氧化性能，并通過簡便的串聯設計，在較寬溫度范圍內（T50=174℃，T90=185℃）展現出良好的甲苯催化氧化性能（圖2）。材料表征結果顯示，摻雜Cu顯著促進氧空位的形成，增強低溫下活性氧物種的生成，改善低反應溫度下的催化活性。而摻雜Zn提高表面Co³⁺活性位點的比例，并增強其連接Co³⁺活性位點的晶格氧活性，顯著提升在高反應溫度下的催化甲苯活性（圖3）。機理研究揭示了這兩種金屬摻雜在特定溫度區間的不同作用機制，顯示了反應中間物種的快速消耗是催化性能提升的主要原因。該工作提出了全新的2DCo₃O₄制備及金屬摻雜策略，并在原子水平為反應機制導向的活性位點設計提供了新思路。

相關研究成果發表在《環境科學與技術》（Environment Science & Technology）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。

論文鏈接

圖1.?Cu、Zn摻雜2DCo₃O₄的熔融鹽制備策略及微觀形貌

圖2.?Cu、Zn摻雜2DCo₃O₄的催化氧化甲苯性能

圖3.?Cu、Zn摻雜的2DCo₃O₄的活性位點表征