将工业过程中释放出来的低链烷烃(C1-C3)进行催化转化，对于改善空气质量和保障人类健康具有重要意义。乙烷是一种具有代表性的非甲烷挥发性有机化合物(NMVOCs)，由于对烟气排放有严格的标准，它已成为监管审查的重点。因此，人们开发了各种技术来减少其排放。
催化氧化是消除烷烃及其衍生物的有效方法，但是高性能催化剂的开发，特别是低温应用，仍然具有挑战性。贵金属基催化剂(如Pt或Pd)在低温下对低链烷烃燃烧具有优异的催化活性。然而，它们的高成本和稀缺性限制其大规模应用。因此，目前迫切需要开发高效的非贵金属基催化剂来实现有效的乙烷催化氧化。近日，大连理工大学郭新闻、聂小娃、大连石油化工研究院侯栓弟和刘世达等通过改变表面有MnO2薄层修饰的MnCoOx催化剂的Mn/Co比例或调整退火条件来操纵MnO2-MnxCo3-xO4界面。性能测试结果显示，最优的MnCoOx-0.5催化剂的50%乙烷转化温度(T50)为205 ℃，在200 ℃下的转换频率(TOF)为3.93×10−2 s−1，明显高于其它MnCoOx催化剂。此外，不论在干燥还是潮湿条件下，MnCoOx-0.5在循环实验中没有显示出明显的活性衰减，表明该催化剂具有优异的反应稳定性。原位光谱表征结果和理论计算表明，在富氧环境中，具有强O亲和力的Mn倾向于扩散到尖晶石表面形成MnO2结构域，MnO2和MnxCo3-xO4之间建立的相互作用触发了界面位点的构建。值得注意的是，MnO2-MnxCo3-xO4层状界面上的Co位点对乙烷表现出优先吸附作用，而MnO2层对其活性晶格O表现出很强的H萃取能力，并进一步通过界面区域的氧化还原途径进行乙烷氧化。因此，MnCoOx-0.5催化剂的乙烷吸附/活化能力和晶格O迁移率的同时提高是催化剂具有高乙烷氧化活性的主要原因。总的来说，该项工作阐明了多组分氧化物中结构非均匀性的作用，为选择地调整各种复杂氧化物中的界面特性和氧缺陷以提高催化活性提供了理论指导。Redox-induced controllable engineering of MnO2-MnxCo3-xO4 interface to boost catalytic oxidation of ethane. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-48120-8
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