姚水良课题组在环境领域顶级期刊EST发表研究成果

  酯类化合物作为一类重要的有机溶剂，广泛应用于包装印刷、胶粘剂、塑料、电子电路等行业，其挥发和泄露通常会引起严重的光化学雾霾以及对人体中枢神经系统造成损害。目前，催化燃烧法由于净化效率高、无二次污染、能耗低等特点，成为含氧挥发性有机污染物（OVOCs）处理的有效方法之一。氧化铈基材料（CeO₂）由于其优异的氧化还原性能以及快速的贮/放氧能力已被应用到酯类和其它OVOCs的催化净化。然而，目前大多数研究的重点都集中在如何提高铈基催化剂的活性以及铈基材料本身的设计（形貌控制、表界面改性等），缺乏对催化反应本身更深层次的理解。

图1. Cr和Mn改性的CeO₂纳米片上乙酸乙酯催化燃烧的机理图

围绕上述问题，我校BG电子姚水良教授团队通过对比性能相反的Cr和Mn改性的二氧化铈纳米片材料，根据其呈现出的性能和表面结构关系，对乙酸乙酯在铈基催化剂上催化燃烧的机理提出了一些新的见解。本研究发现乙酸乙酯催化燃烧主要包含三个重要的过程，乙酸乙酯的水解（C=O的解离），副产物的氧化，以及表面乙酸盐/乙醇盐的分解。其中，乙酸乙酯的水解在低温条件下就可以快速发生，活性位点主要为表面酸碱位（表面羟基，L酸，碱性晶格氧等）。反应的决速步骤为水解后表面留下的乙酸盐/乙醇盐的分解。表面乙酸盐/乙醇具有表面屏蔽作用，能占据表面活性位点（表面氧空位等）。表面晶格氧作为氧化剂，其迁移率的提高对突破屏蔽层，促进进一步的水解–氧化过程起着至关重要的作用。Cr修饰阻碍了CeO₂纳米片表面活性晶格氧的释放，并由于表面酸/碱性的增加诱导了表面乙酸盐/乙醇盐的高温积累。相反，具有较高晶格氧迁移率的Mn-CeO₂纳米片有效地加速了表面乙酸盐/乙醇盐的原位分解，并促进了表面活性位点的重生。最后，在模拟的包装印刷工业废气条件下，对反应机理的合理性和普适性进行了进一步的验证。

该成果发表在环境领域国际顶级学术期刊《Environ. Sci. Technol.》上，论文题目为“Mechanistic Insight into Catalytic Combustion of Ethyl Acetate on Modified CeO₂ Nanobelts: Hydrolysis−Oxidation Process and Shielding Effect of Acetates/Alcoholates”。

常州大学为该论文的第一通讯单位，我校硕士研究生沈祖德为第一作者，指导老师为姚水良教授团队的王伟老师（通讯作者），论文中的DFT理论计算部分由团队高尔豪老师完成。该研究得到了国家自然科学基金，常州市领军人才培育项目和常州大学科研启动基金的大力支持。

全文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c07991