有机配体调控MOFs衍生尖晶石CoMn2O4纳米结构与化学性质实现低温协同净化NOx与VOCs

为解决工业烟气中NOx与VOCs低温协同净化难题，研究人员通过羧酸型MIL-101和咪唑型ZIF配体定向调控MOFs衍生尖晶石CoMn2O4的纳米结构与化学性质。研究发现ZIF衍生的CoMn/ZIF具有开放互联的片状多孔结构，富含氧空位和弱-中强酸位点，在150–275°C实现90.84% NO转化率和207°C的甲苯氧化T90，为低温多污染物协同净化系统设计提供新思路。

　　

随着工业发展，氮氧化物(NO_x)和挥发性有机物(VOCs)已成为大气污染的主要元凶，它们不仅是PM_2.5和臭氧的前体物，更直接威胁公众健康。尽管氨选择性催化还原(NH₃-SCR)和催化氧化技术已分别用于处理这两类污染物，但在低温条件下（如冷启动或余热回收阶段）实现它们的协同去除仍是巨大挑战。传统钒基催化剂虽在高温段表现优异，但低温活性不足；而尖晶石氧化物虽具潜力，却受限于比表面积低、活性位点遮蔽等问题。

北京理工大学的研究团队创新性地采用金属有机框架(MOFs)配体工程策略，以羧酸型MIL-101和咪唑型ZIF为前驱体，精准调控衍生尖晶石CoMn₂O₄的纳米结构与表面化学性质。相关成果发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》上，为解决低温多污染物协同净化这一行业难题提供了新方案。

研究团队通过溶剂热法合成MOFs前驱体，经高温煅烧获得系列催化剂，采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征材料结构，并借助原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFTS)解析反应机制。性能测试在固定床反应器中进行，模拟实际工业烟气条件。

催化剂制备与结构特性
ZIF衍生的CoMn/ZIF呈现独特的片状多孔结构，松散堆叠的纳米片形成开放框架，有效防止纳米颗粒团聚。氮掺杂碳骨架诱导产生丰富氧空位和不饱和金属位点，弱-中强酸位点占比达67.3%。而MIL-101衍生物则因热解坍塌形成致密团聚体，以强酸位点为主。

协同催化性能
在150–275°C的低温区间，CoMn/ZIF展现出卓越的双功能活性：NO转化率超90.84%，甲苯氧化的T₉₀仅207°C，显著优于传统钒基催化剂（通常需>300°C）。机理研究表明，NH₃-SCR过程维持的氧化还原循环促进活性氧物种生成，而持续消耗的NH₃减轻了与甲苯的竞争吸附。

反应机制解析
原位DRIFTS揭示：甲苯通过苯环π电子与Mn³⁺/Mn⁴⁺的相互作用吸附，而NH₃优先结合在Co位点的Lewis酸中心。氧空位促进O₂解离生成超氧自由基(O₂^-)，进而攻击甲苯的甲基形成苯甲醇中间体。NH₃-SCR产生的H₂O进一步促进表面羟基生成，加速碳氢键断裂。

该研究不仅证实有机配体类型可定向调控衍生材料的微观结构与表面性质，更建立了"配体-结构-性能"的构效关系模型。所开发的CoMn/ZIF催化剂在低温活性、抗中毒能力和稳定性方面均表现出色，为工业烟气多污染物一体化净化系统的设计提供了理论依据和技术支撑。这项工作对实现"双碳"目标下的节能减排具有重要意义，其配体工程策略也可拓展至其他环境催化体系的设计。