DOI：10.1016/S1872-2067(25)64736-X

近日，《催化学报》在线发表了山东科技大学冯超教授、林燕副教授和中国石油大学（华东）潘原教授、北京化工大学张润铎教授等在环境催化领域的最新研究成果文章。该工作报道了通过缺陷诱导效应构筑高分散Pt/Co₃O₄界面，开发具有优异低温催化丙烷氧化活性和稳定性的催化剂。论文第一作者为：冯超，论文共同通讯作者为：林燕副教授、潘原教授和张润铎教授。

挥发性有机污染物（VOCs）是常见的化工大气污染物，其中，以丙烷为代表的短链烷烃，是环境污染物臭氧的主要前驱体。催化氧化技术是应用最为广泛的VOCs消除技术，技术核心在于催化剂的设计。贵金属Pt具有良好的低温催化VOCs氧化活性，但是高昂的价格、资源的稀缺以及颗粒易团聚的缺点限制了其在工业中的应用。过渡金属氧化物中的Co₃O₄，具有丰富的活性中心、易于构造缺陷的尖晶石结构和良好的氧化还原性能。因此，如何提高Pt在Co₃O₄表面的分散度，调节Pt和Co₃O₄的界面作用，深入探究Pt-Co₃O₄双活性组分体系与催化VOCs氧化活性的构效关联和催化机制，对于突破VOCs低温催化瓶颈具有重要意义。

本工作通过在Co₃O₄表面构筑缺陷，利用缺陷诱导效应提升Pt物种在表面的分散度，开发具有优异低温催化丙烷氧化活性和稳定性的催化剂(0.6Pt/V_O-Co₃O₄)。并揭示了Pt和Co₃O₄在丙烷催化氧化反应中的构效关联和协同机制，为设计和合成高效双活性组分催化剂提供了新思路。

图1. 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化剂Co和Pt元素的同步辐射表征结果图。

要点：

首先对Co₃O₄进行缺陷工程预处理，并通过还原-锚定策略制备了Pt/V_O-Co₃O₄催化剂，由于Co₃O₄表面缺陷对Pt的缺陷诱导效应，Pt在V_O-Co₃O₄表面高度分散。X射线衍射、高角环形暗场扫描透射电镜及X射线光电子能谱结果表明，Pt/V_O-Co₃O₄催化剂中的Pt进入Co₃O₄表面晶格中，形成高度分散的小尺寸Pt颗粒结构。

图2. 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化剂的EPR，Raman，XPS，H₂-TPR，ESR和O₂-TPD表征结果图。

要点：

X射线吸收谱和H₂程序升温还原测试结果表明，相较于0.6Pt/Co₃O₄，0.6Pt/V_O-Co₃O₄中存在更强的Pt和Co₃O₄的金属-载体相互作用，呈现出更低的价态，从而增强了低温下的还原性能。电子顺磁共振、电子自旋共振、拉曼光谱和O₂程序升温氧化测试结果则证实了0.6Pt/V_O-Co₃O₄表面缺陷锚定Pt重构后，表面Pt-O键和Co-O键的差异大大增强了表面晶格氧的活性，更容易生成活性氧物种，有利于催化剂表面丙烷的氧化活性的提升。

图3. 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化剂的丙烷催化活性和稳定性图。

要点：

当Pt负载量为0.6 wt%时，Pt/V_O-Co₃O₄表现出极好的低温催化丙烷活性。0.6Pt/V_O-Co₃O₄在160℃下催化丙烷完全氧化的反应速率为32.2×10^-5 mol·g_cat^-1·s^-1，是0.6Pt/Co₃O₄（17.6×10^-5 mol·g_cat^-1·s^-1）的两倍，Co₃O₄（6.7×10^-5 mol·g_cat^-1·s^-1）的四倍。并且0.6Pt/V_O-Co₃O₄表现出极好的抗水性和高温稳定性、循环稳定性。

图4. Co₃O₄, V_O-Co₃O₄, 0.6Pt/V_O-Co₃O₄和0.6Pt/Co₃O₄催化剂的反应速率-丙烷/空气分压关系图。

要点：

通过控制丙烷和氧气的分压，测定了不同催化剂的速率表达式，相较于丙烷，反应中氧气的活化更为重要。

原位红外表征结果表明，表面缺陷的存在了略微增强了低温下丙烷脱氢过程，促进了酮基和酯基物种的生成。而Pt的负载极大的增强了生成活性氧物种深度活化酯基断裂能力。结合DFT计算，我们提出了Pt/V_O-Co₃O₄表面缺陷对丙烷催化完全氧化的增强机制，表面缺陷的存在大大增强了Pt/V_O-Co₃O₄对丙烷的吸附性能。Pt在表面的高分散使Pt呈现出接近Co₃O₄中Co的配位状态，较Pt/Co₃O₄表面的PtO₂具有更多的电子，表现出更强的氧气解离能和更低的丙烷氧化解离能垒，从而增强了低温催化丙烷完全氧化活性。

1. 表面缺陷的缺陷-诱导效应有利于增强贵金属组分在表面的分散性，有利于小尺寸活性组分的生成。

2. 小尺寸活性组分进入缺陷中，形成的晶格畸变有利于增强表面对氧气的活化，从而增强丙烷完全氧化活性。

3. 缺陷-诱导效应有利于增强Pt与Co₃O₄之间的金属-载体相互作用，从而具有更强的协同催化能力。