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In Situ Fabrication of Highly Dispersed Co–Fe-Doped-δ-MnO2 Catalyst by a Facile Redox-Driving MOFs-Derived Method for Low-Temperature Oxidation of Toluene

催化作用 材料科学 甲苯 化学工程 介孔材料 氧化还原 掺杂剂 氧气 无机化学 催化燃烧 过渡金属 兴奋剂 化学 有机化学 冶金 工程类 光电子学
作者
Qianlin Huang,Puzhen Zhao,Weiwei Wang,Lu Lv,Weiming Zhang,Bingcai Pan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (48): 53872-53883 被引量:43
标识
DOI:10.1021/acsami.2c16620
摘要

Cost-efficient and durable manganese-based catalysts are in great demand for the catalytic elimination of volatile organic compounds (VOCs), which are dominated not only by the nanostructures but also by the oxygen vacancies and Mn–O bond in the catalysts. Herein, a series of nanostructured Co–Fe-doped-δ-MnO2 catalysts (Co–Fe-δ-MnO2) with high dispersion were in situ fabricated by employing metal–organic-frameworks (MOFs) as reducing agents, dopants, and templates all at the same time. The as-obtained Co–Fe-δ-MnO2-20% catalyst exhibited robust durability and high catalytic activity (225 °C) for toluene combustion even in the presence of 5 vol % water vapor, which is 50 °C lower than that of pristine δ-MnO2. Various characterizations revealed that the homogeneously dispersed codoping of Co and Fe ions into δ-MnO2 promotes the generation of oxygen vacancies and weakens the strength of the Mn–O bond, thus increasing the amount of adsorbed oxygen (Oads) and improving the mobility of lattice oxygen (Olatt). Meanwhile, due to successfully inheriting the framework structures of MOFs, the obtained catalyst exhibited a high surface area and three-dimensional mesoporous structure, which contributes to diffusion and increases the number of active sites. Moreover, in situ DRIFTS results confirmed that the toluene degradation mechanism on the Co–Fe-δ-MnO2-20% follows the MVK mechanism and revealed that more Oads and high-mobility Olatt induced by this novel method contribute to accumulating and mineralizing key intermediates (benzoate) and thus promote toluene oxidation. In conclusion, this work stimulates the opportunities to develop Co–Fe-δ-MnO2 as a class of nonprecious-metal-based catalysts for controlling VOC emissions.
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