催化燃烧已被证明是去除挥发性有机化合物(VOCs)最有效的方法之一,并且开发了一种新的光热协同催化策略,可以同时利用太阳能来降低工作温度并提高催化性能。对于光热催化剂,大多数研究表明,过渡金属氧化物上的氧空位对于提高催化氧化活性至关重要。然而,很少有研究研究金属缺陷和氧空位共存对催化剂性能和机理的影响。
近日,华南理工大学丘勇才和Xiaojing Jin等通过对水热制备的甘油钴(CoGly)前体进行煅烧,然后进行H2还原处理,成功合成具有钴缺陷和氧空位的Co3-xO4-y催化剂。
与只有一种空位的Co3-xO4和Co3O4- y以及原始的Co3O4相比,具有大量钴缺陷和氧空位的Co3- xO4- y在甲苯降解中表现出优异的催化性能,这归因于Co-O键强度的减弱、更多的表面羟基以及氧迁移率和氧化还原性能的增强(通过FTIR光谱、H2-TPR和O2-TPD证明)。
XAS光谱和DFT计算证实钴缺陷的存在会降低氧空位的形成能;Toluene-TPD和-TPSR表明,富含钴缺陷和氧空位的Co3- xO4- y具有最强的甲苯吸附能力和低的反应温度。
此外,原位DRIFTS研究表明,甲苯可以快速吸附在Co3- xO4- y表面并与氧物质反应生成苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸盐物质,最终完全氧化成CO2和H2O。钴缺陷和氧空位的同时引入加速了更多中间体转化为苯甲酸酯物种,优化了开环过程,并在反应过程中产生了更丰富的ROS。
该工作提供了一种在Co3O4催化剂上同时引入钴缺陷和氧空位的简单合成方法,以提高催化性能,并进一步阐述甲苯催化氧化中的相互作用关系和反应机理。
Engineering Cobalt Oxide with Coexisting Cobalt Defects and Oxygen Vacancies for Enhanced Catalytic Oxidation of Toluene. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c00296