催化燃燒已被證明是去除揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)最有效的方法之一，并且開發(fā)了一種新的光熱協(xié)同催化策略，可以同時(shí)利用太陽能來降低工作溫度并提高催化性能。對(duì)于光熱催化劑，大多數(shù)研究表明，過渡金屬氧化物上的氧空位對(duì)于提高催化氧化活性至關(guān)重要。然而，很少有研究研究金屬缺陷和氧空位共存對(duì)催化劑性能和機(jī)理的影響。

近日，華南理工大學(xué)丘勇才和Xiaojing Jin等通過對(duì)水熱制備的甘油鈷(CoGly)前體進(jìn)行煅燒，然后進(jìn)行H₂還原處理，成功合成具有鈷缺陷和氧空位的Co_3-xO_4-y催化劑。

與只有一種空位的Co_3-xO₄和Co₃O_{4- y}以及原始的Co₃O₄相比，具有大量鈷缺陷和氧空位的Co_{3- x}O_{4- y}在甲苯降解中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，這歸因于Co-O鍵強(qiáng)度的減弱、更多的表面羥基以及氧遷移率和氧化還原性能的增強(qiáng)(通過FTIR光譜、H₂-TPR和O₂-TPD證明)。

XAS光譜和DFT計(jì)算證實(shí)鈷缺陷的存在會(huì)降低氧空位的形成能；Toluene-TPD和-TPSR表明，富含鈷缺陷和氧空位的Co_{3- x}O_{4- y}具有最強(qiáng)的甲苯吸附能力和低的反應(yīng)溫度。

此外，原位DRIFTS研究表明，甲苯可以快速吸附在Co_{3- x}O_{4- y}表面并與氧物質(zhì)反應(yīng)生成苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸鹽物質(zhì)，最終完全氧化成CO₂和H₂O。鈷缺陷和氧空位的同時(shí)引入加速了更多中間體轉(zhuǎn)化為苯甲酸酯物種，優(yōu)化了開環(huán)過程，并在反應(yīng)過程中產(chǎn)生了更豐富的ROS。

該工作提供了一種在Co₃O₄催化劑上同時(shí)引入鈷缺陷和氧空位的簡單合成方法，以提高催化性能，并進(jìn)一步闡述甲苯催化氧化中的相互作用關(guān)系和反應(yīng)機(jī)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