Integrating Lattice and Molecular Oxygen Pathways to Enhance Toluene Oxidation via Mn Substitution in Fe x Co3– x O4 Spinel

甲苯 催化作用 尖晶石 氧气 化学 八面体 无机化学 吸附 催化氧化 分子氧 氧化态 光化学 多相催化 结晶学 反应机理 格子(音乐) 材料科学 部分氧化 晶体结构 物理化学 反应中间体 过渡金属 酒精氧化 分子 红外光谱学 X射线光电子能谱
作者
Dandan Zhu,Meijuan Chen,Lijuan Fu,Rong Li,Long Cui,Junji Cao,Shun-Cheng Lee,Jiaquan Zhang,Yu Hong Huang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.6c06446
摘要

Abstract Activation of lattice oxygen and molecular oxygen critically governs the catalytic degradation of volatile organic compounds (VOCs), driving substantial research into harmonizing the bonding state of oxygen atoms in transition-metal oxides to facilitate VOCs abatement. However, the underlying mechanism of oxygen activation via cation substitution in spinel remains to be explored owing to its significant flexibility in both tetrahedral and octahedral sites. Herein, a Mn-substituted FexCo3–xO4 spinel catalyst was developed for promoting oxidation of toluene (one of the typical aromatic VOCs), with the temperature of 90% toluene conversion decreasing by approximately 51 °C relative to the pristine one. Multiple characterizations and theoretical calculations revealed that Mn3+ substitution at octahedral Co3+ sites of FexCo3–xO4 modulated the metal–oxygen bonds within the Mn–O–Co structure for activating surface lattice oxygen, accompanied by the creation of abundant oxygen vacancies for O2 excitation. The combined results of temperature-programmed analyses, isotopic labeling experiments, and in situ spectroscopy showed that the adsorbed toluene could be synchronously oxidized by activated lattice oxygen and chemisorbed oxygen generated via O2 activation, thereby accomplishing the deep oxidation of toluene. This study clarifies the synergistic role of lattice and molecular oxygen in toluene oxidation and affords a potential catalyst for environmental remediation.
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