环境中挥发性有机污染物（VOCs）尤其是芳香族污染物可诱发呼吸不适、过敏、哮喘，甚至可作为肺癌及阿尔兹海默症的病因之一。VOCs的催化氧化是一种有吸引力的解决方案，但获得可低温操作的活性催化剂极具挑战性，需要对催化机理展开深入研究。Operando原位表征技术可以通过同步监测催化剂表面的变化与催化反应活性/选择性，构建催化构效关系。然而，将催化剂局部变化与整体催化活性/选择性相联系往往不够准确，精准的Operando表征对材料整体的均一性提出了很高的要求。金属有机骨架（MOF）具备有序的空间结构，能够预组织团簇催化剂，提供分子水平的混合，是制备高效均一催化剂的理想前驱体。
我院特聘研究员王青月与香港科技大学King Lun Yeung教授、西班牙催化与石油研究所Miguel A. Bañares教授团队合作利用Operando拉曼-在线红外表征技术揭示了Pt@CeO2催化甲苯氧化反应机理。研究利用Pt@CeBDC MOF制备了具有独特一维结构的Pt@CeO2，成功地将2 nm Pt团簇均匀沉积在1D中孔多晶CeO2上，选择性暴露了有高氧储存量（110）面，实现了富氧空位（XPS Oβ/(Oα+Oβ)= 39.4％）多相催化剂的均匀分布。该催化剂在气时空速（GHSV）为 23000/h 的催化甲苯转化的起始温度为100℃，T50为141℃，催化活性远高于同方法合成的CeO2催化剂，传统水热法制备的CeO2纳米棒和Pt/CeO2纳米棒催化剂。与其他催化剂不同，Pt@CeO2催化处理甲苯只产生二氧化碳和水，即使在水蒸气存在的情况下，催化剂也保持了很高的反应活性。Operando研究表明低温条件下，Pt@CeO2催化剂上的甲苯与吸附的氧反应生成苯甲酸盐反应中间体，即Langmuir−Hinshelwood（L-H）机理。在相对较高反应温度下，吸附的甲苯（即苯甲酸盐中间体）通过Mars-van Krevelen（MvK）机理与CeO2晶格氧反应。Pt的存在有效地促进催化剂表面吸附的氧向CeO2晶格氧的转化，从而催化CeO2中晶格氧的再氧化，加快反应速率。因此，随着反应温度的升高，在Pt@CeO2催化剂上观察到了甲苯氧化反应以L-H为主的反应机理向MvK反应机理的渐进转变。
该工作发表在化学类顶级期刊J. Am. Chem. Soc.上，基于研究的新颖性和重要性，被编辑选为JACS封面工作（Supplementary Cover）。
原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.0c08640
