近日，化学领域国际著名期刊Journal of Colloid and Interface Science（《胶体与界面科学》，简称JCIS）在线刊发了我院刘修凡博士最新研究成果。论文题为《Single Mn Atom Modulated Molecular Oxygen Activation over TiO2 for Photocatalytic Formaldehyde Oxidation》（基于单原子Mn调控氧分子活化的TiO2光催化甲醛氧化反应），刘修凡博士为论文第一作者和通讯作者，王国宏教授为论文通讯作者，湖北师范大学为论文唯一通讯单位。JCIS是中科院大类一区TOP期刊，最新影响因子为9.9。
利用光催化氧化技术消除甲醛等VOCs，阻断其后续大气有机气溶胶转化路径，是有效缓解雾霾等大气污染的可行策略。该技术的关键步骤是活性氧物种（ROS）的生成，常见ROS的选择性生成对VOCs氧化的作用机制研究受到了学术界的广泛关注。目前，O2-作为VOCs氧化过程中最易获得到的ROS，可通过光生空穴氧化或光生电子还原生成路径，间接转化为其它活性氧物种。但是，O2持续受光生电荷作用生成的终态ROS是什么，其又是如何参与氧化反应，目前还未有定数。因此，如何构建更为高效活化氧分子的活化位点，辨析活化位点的关键作用并建立明确的构效关系是具有挑战性和现实意义的研究课题。
本工作中，单原子Mn优化的TiO2材料（Mn/TiO2）表现出优异的甲醛消除性能。单原子Mn取代了{001}面暴露的TiO2表面Ti5c原子，提供了新型活化位点来解离活化O2。因此，在空气环境中Mn/TiO2实现了100 %的甲醛消除率以及高达99.6 %的甲醛矿化率，而纯TiO2仍残留了0.28 ppm甲醛，远超过我国甲醛浓度限制（0.06 ppm），Mn/TiO2性能也优于许多近期报道的TiO2基材料。基于DFT、EPR、TOF-SIMS以及FT-IR分析，本文性能突破归因于单原子氧负离子（O-）的高效选择性生成。单原子Mn促进了局部电子和光生电子持续占据O2的π2p*反键轨道，从而诱导了吸附态O-的选择性生成，进一步有利于与甲醛反应生成关键中间体DOM，最终实现甲醛近100 %选择性转化为CO2和H2O。该研究揭示了O-驱动的光催化甲醛氧化反应机制，为设计单原子介导的O-氧化体系提供了重要参考。
该研究工作得到了国家自然科学基金和湖北省自然科学基金等项目的资助。
Mn/TiO2表面的QSTEM模拟和O-驱动的氧化反应示意图
论文信息：
Single Mn atom modulated molecular oxygen activation over TiO2 for photocatalytic formaldehyde oxidation
Xiufan Liu*, Cancan Ling, Xingdong Chen, Huayu Gu, Guangming Zhan, Chuan Liang, Kai Wei, Xinhe Wu, Kai Wang, Guohong Wang*
J. Colloid Interf. Sci., 2024, 666, 12-21, 10.1016/j.jcis.2024.04.008.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.04.008
