层级反应策略选择性裂解 C三N 键，显著提升乙腈催化脱除中 N2选择性

在催化消除含氮挥发性有机化合物（NVOCs）时，提升催化氧化活性和对低毒产物的选择性颇具挑战。研究人员提出层级反应策略，制备 MnOx/SiO2@CeO2催化剂，实现低温高效氧化乙腈且 N2选择性超 90%，为消除 NVOCs 废气提供新思路。

　　在现代工业蓬勃发展的背后，含氮挥发性有机化合物（NVOCs）却如同隐藏在暗处的 “杀手”，悄然威胁着我们的生存环境和健康。这些来自制药、皮革、纤维生产等行业废气排放中的 NVOCs，广泛存在且难以处理。乙腈作为典型的 NVOCs，在化工生产中应用广泛，但其一旦泄漏，危害极大。

当前，选择性催化氧化被视为消除低浓度 NVOCs 的有效手段之一。然而，这条看似光明的道路却布满荆棘。一方面，增强催化剂的表面氧化能力虽有助于碳质中间体转化为 CO₂，可另一方面，氮原子在这一过程中却极易发生过度氧化，生成有毒的含氮副产物。想要同时实现高产量的 CO₂、N₂和 H₂O，就如同在钢丝上跳舞，困难重重。此前的研究中，贵金属催化剂虽在低温下氧化活性出色，但氮物种过度氧化的问题严重限制了其在 NVOCs 催化氧化中的应用；过渡金属氧化物催化剂虽对 N₂选择性较高，却难以同时提升催化氧化活性和 N₂选择性。在这样的困境下，寻找一种新的突破方法迫在眉睫。

国内研究人员针对这一难题展开了深入研究。他们致力于设计一种高效的催化剂，实现碳氮物种的优先分离，并为不同反应分配独特的活性位点。最终，研究人员成功制备出具有核壳结构的 MnO_x/SiO₂@CeO₂催化剂，这一成果意义重大，相关论文发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。通过经典的 St?ber 水解法制备 SiO₂微球，在此基础上构建催化剂结构。利用多种表征手段和密度泛函理论（DFT）计算，深入探究催化剂的结构和反应机理。还借助原位实验，实时监测反应过程，获取关键信息。

在研究结果方面：

• 晶体结构和形态：制备的 MnO_x/SiO₂@CeO₂催化剂呈单分散球形，直径约 300nm。CeO₂薄层结构有效增强了 MnO_x物种的分散性，使催化剂结构更加稳定，为后续反应提供了良好的基础。
• 催化性能：基于层级反应策略，该催化剂展现出优异的性能。在低温（T_90%=176°C）下就能实现乙腈的完全氧化，并且在 160 - 220°C 的宽泛温度范围内，N₂选择性超过 90%。这一成果打破了传统催化剂在活性和选择性之间的权衡限制，为乙腈催化氧化开辟了新路径。
• 反应机理：薄层 CeO₂通过耦合吸附和水解位点，实现了 C^三N 键的选择性活化，促进了碳氮物种的优先分离。这种分离并非通过 “C/N - 非均相中间体”，而是通过调节 NH₃的反应性来提升 N₂选择性。同时，强金属 - 载体相互作用削弱了 Mn - O 键强度，激活了晶格氧，加速了乙腈向目标产物的转化。

研究结论表明，层级反应策略切实有效地提升了乙腈的催化性能。MnO_x/SiO₂@CeO₂催化剂凭借独特的 CeO₂薄层结构，成功克服了传统催化剂面临的难题。这一研究成果不仅为乙腈的催化脱除提供了高效的解决方案，更为环保领域消除含 NVOCs 废气提供了全新的视角和理论依据，有望推动相关工业废气处理技术的革新，助力实现更清洁、更健康的环境目标。