介孔TiO2-CeO2负载Pt催化剂在高湿度条件下甲苯氧化的催化性能与机制研究

针对VOCs（挥发性有机物）催化氧化中低温活性和耐水性不足的难题，研究人员通过原位硬模板法构建了Pt/介孔TiO2-CeO2催化剂。该催化剂在15 vol%高湿度条件下展现出卓越性能（T90%=214°C，TOFPt达153.13×10?3 s?1），其高比表面积、丰富氧空位及金属-载体强相互作用是性能关键。该研究为设计耐水型VOCs净化催化剂提供了新思路。

　　

论文解读

随着城市化进程加速，挥发性有机物（VOCs）污染已成为威胁大气环境和人类健康的隐形杀手。甲苯作为典型VOCs，其高效净化技术开发迫在眉睫。催化氧化法虽具能耗低、效率高等优势，但现有催化剂面临两大"卡脖子"难题：低温活性不足导致能耗过高，高湿度环境下水分子竞争吸附造成活性骤降。更棘手的是，贵金属催化剂在反应中易发生高温团聚，犹如"昙花一现"失去活性。这些瓶颈严重制约着VOCs治理技术的实际应用。

为解决这些挑战，河南高校的研究团队在《Applied Catalysis A: General》发表创新成果。他们采用原位硬模板法，以KIT-6为模板构筑了介孔TiO₂-CeO₂载体，并负载Pt/Pd制备出高性能催化剂。通过N₂吸附-脱附、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）等技术表征材料结构，结合程序升温还原（H₂-TPR）和X射线光电子能谱（XPS）分析表面性质，系统评估了催化剂在模拟工业条件下的甲苯氧化性能。

催化剂制备与表征
研究团队创新性地采用"三步走"策略：首先合成KIT-6模板，再通过乙醇溶液浸渍引入Ce(NO₃)₃和钛酸四丁酯前驱体，最后用NaOH蚀刻去除模板。TEM显示所得材料具有规整介孔结构（孔径约8.7 nm），BET比表面积高达125 m²/g，为反应物传输提供了"高速公路"。XRD证实TiO₂的引入促使CeO₂晶格膨胀，产生更多氧空位——这些"分子级陷阱"成为活化氧气的关键位点。

催化性能突破
在30,000 mL g^?1 h^?1高空速下，Pt/介孔TiO₂-CeO₂展现出"双90"优异性能：T_50%=195°C、T_90%=214°C，较传统Pd催化剂降低约20°C。更令人振奋的是，在15 vol%高湿度（相当于热带雨林气候条件）下连续运行50小时，转化率仅下降2.3%，展现出"滴水不进"的稳定性。动力学分析显示，160°C时TOF_Pt达70.34×10^?3 s^?1，是商业Pt/Al₂O₃的3.2倍。

机制揭秘
通过原位红外光谱（in situ DRIFTS）追踪反应路径，研究人员描绘出甲苯降解的"分子旅行图"：甲苯→苯甲醇→苯醌→苯甲醛→苯甲酸→马来酸酐，最终矿化为CO₂和H₂O。XPS和H₂-TPR证实，Pt与TiO₂-CeO₂的强相互作用（SMSI效应）不仅稳定了Pt纳米颗粒，还促进Ce³⁺/Ce⁴⁺循环，产生大量活性氧物种（O₂^?）。介孔结构的限域效应则像"分子牢笼"般阻止Pt颗粒高温迁移，解决了贵金属催化剂的"阿喀琉斯之踵"。

这项研究实现了"一石三鸟"的突破：通过介孔工程优化传质、氧空位调控增强活化、金属-载体相互作用提升稳定性。所开发的催化剂在模拟工业环境下展现的卓越性能，为VOCs治理提供了可规模化应用的材料解决方案。更重要的是，该研究揭示了高湿度条件下催化氧化的构-效关系，为环境催化材料设计提供了新范式。未来通过调控介孔尺寸和双金属协同效应，有望进一步降低贵金属用量，推动该技术走向实际应用。