Engineering Inverse CuO@CeO 2 Interfaces with Tandem Active Sites to Boost Low-Temperature Catalytic Degradation of Malodorous Methyl Mercaptan

催化作用 串联 化学 氧气 反向 产量(工程) 硫黄 金属 甲烷氧化偶联 分子动力学 键裂 化学工程 多相催化 工作(物理) 表面能 合成气 氧化物 降级(电信) 光化学 分解 联轴节(管道) 分子 光解 势能 活化能 势能面 化学物理 动力学 表面工程 分子氧 纳米技术 材料科学 氧原子 纳米颗粒 纳米棒
作者
Zhizhi Xu,Yu Feng,Xueying Yang,Junyu Lai,Yuxuan He,Dingkai Chen,Sufang He,Wenjie Zhu,Jichang Lu,Yongming Luo
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (29): 20660-20676 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.est.6c01807
摘要

Developing non-noble metal catalysts for ozone-free, low-temperature (<250 °C) catalytic degradation of highly toxic and malodorous sulfur-containing VOCs (methyl mercaptan, CH3SH) remains challenging due to the high C-S bond energy and mismatched diverse active sites. Herein, we engineer an inverse CuO@CeO2 catalyst to realize the intimate coupling of CeO2 nanoislands with an inverse Ce-O-Cu interfacial architecture. Experimental and theoretical calculations unveil that this specific geometric configuration integrates spatially adjacent vacancies and dual oxygen sites. Unlike conventional Cu-O-Ce interfaces that yield the dominant CH4 by exposing CHx groups to the gas phase, our inverse Ce-O-Cu interface fundamentally manipulates intermediate orientations to synchronously drive multistep tandem reactions. Following initial CH3SSCH3 formation at Ce-adjacent oxygen/vacancies, strong Cu-S binding anchors CH3S* via Cu-adjacent oxygen vacancies, which geometrically force the terminal CHx group to face the adjacent interfacial oxygen. Such spatial proximity drastically lowers the energy barrier for the key C-S cleavage and C-O coupling to generate CH3SCH3 and CO2. Subsequent deep oxidation of CH3SCH3 with CuO bulk lattice oxygen results in the formation of COx, while sulfur is immobilized as a CuxS reservoir. Consequently, the inverse catalyst achieves complete CH3SH conversion at 180 °C, outperforming state-of-the-art non-noble metal alternatives with zero emission of hazardous H2S. Critically, moisture is exploited to generate surface hydroxyls, providing the dual functions of active-site protection and oxygen compensation to boost sulfur tolerance. This work establishes a robust nanoisland-mediated inverse interfacial strategy for low-temperature S-VOCs purification without ozone assistance.
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