2025.0016稀土多孔材料用于NO催化氧化的研究进展.pdf
背景介绍
文章亮点
1. 归纳了稀土多孔材料催化剂的五种主要合成方法以及稀土多孔材料催化剂在NO催化氧化的应用；
2. 总结了当下NO催化氧化技术需利用各种制备方法优化材料结构，以此提高催化性能，为实现大规模工业应用提供思路。
内容介绍
1 稀土多孔材料的合成方法
共沉淀法是通过将合适的沉淀剂添加到溶有稀土离子和其他金属的盐溶液中，使它们在一定条件下生成均匀的沉淀，经过后续的洗涤、干燥和煅烧等处理步骤，形成具有特定结构的稀土多孔材料。该方法的优点在于成本较低、可调控性强、可实现大规模生产、产物纯度较高以及适合制备多种化合物[15]。
1.2 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是先制备出含有稀土元素的溶胶，然后在液相中进行水解和缩合反应使溶胶逐渐转化为凝胶。通常以化学活性高的组分为前驱体，通过改变反应物浓度，pH及溶剂的种类，可以在溶液中形成稳定的网状溶胶体系。这种方法可以在分子水平上控制材料的组成和结构，从而制备出具有高度均匀性和高纯度的稀土多孔材料。
1.3 水热/溶剂热法
在稀土多孔材料的制备中，水热/溶剂热法是一种常用且有效的方法。在密闭的容器中，通常以水/有机物为溶剂，在一定的温度和压力下，稀土盐和其他反应物经溶解、重结晶等过程，从而形成稀土多孔材料。与其他方法制备的方法相比，水热/溶剂热法通过调节溶剂的种类、反应温度、反应时间以及反应物的浓度等关键参数，可以精确控制材料的孔径大小、孔道结构和比表面积等关键参数。有利于形成均匀且结晶性良好的多孔结构，同时配体选择、模板剂使用及阳离子掺杂策略的差异会导致显著的结构与性能分化。
1.4 模板法
模板法作为材料制备领域的重要方法，在稀土多孔材料的制备中展现出卓越的效能。它为精确调控纳米微粒在结构材料中的排列状态提供了有效途径，显著提升了材料内部结构的有序性，进而优化材料性能。在制备过程中，模板自身的结构特点和物理化学性质对最终所得稀土多孔材料的性能起着决定性的作用。依据模板的结构特征及模板与客体的相互作用差异，模板法可分为硬模板法和软模板法。这两种方法各自具有独特的优势和适用范围，为研究人员根据不同的材料需求和应用场景，精准选择合适的制备工艺提供了多样化的选择。
2 稀土多孔材料在NO催化氧化方面的应用
2.1 多金属氧化物催化剂
多金属氧化物催化剂（在中低温度范围（100 ~ 320 ℃））中不同互补物的协同作用可以提高催化性能。通过调节稀土元素与其他金属元素的比例，如镧、铈、钇等稀土元素与过渡金属元素的组合，制备出不同结构和性能的氧化物催化剂。其中，锰和二氧化铈复合氧化物因其优异的氧化还原性能、储氧能力和优异的 NO 氧化性能已被多次报道。表1总结了金属氧化物型催化剂的制备方法、反应条件和最高NO转化率。
2.2 负载型催化剂
对于负载型催化剂，采用大比表面、多孔性的载体材料可使得催化活性组分包括助剂组分都能得到很好的分散，有利于反应物分子的吸脱附,同时可使得活性相的结构得到优化，进而产生优异的催化氧化性能。目前常用的作为NO氧化载体的是Al2O3和TiO2材料。
2.3 钙钛矿型催化剂
钙钛矿型氧化物因其成本低、良好的活性和热稳定性被证明是一类很有前途的NO氧化催化剂[42]。这类材料的通式为ABO3，其中A位上通常是稀土或碱性阳离子（La或Ce），B位是过渡金属（Mn、Co、Fe和Ni等）。该结构中易形成表面晶格缺陷，使表面晶格氧具有高活性的氧化中心，表现出优异的NO氧化能力。表2总结了钙钛矿型催化剂的制备方法、反应条件和最高NO转化率。
3 结论与展望
NOx会给环境和人体健康带来显著危害。随着经济持续发展，治理NOx污染已成为亟待解决的重要问题。在众多NOx治理技术中，NO氧化是关键环节之一，对有效去除NOx起着重要作用。本文对稀土多孔材料的制备方法进行了总结，同时梳理了该材料在NO催化氧化方面的研究进展，以期为相关研究和应用提供参考。
从合成方法来看，沉淀法通过离子共沉淀与后续处理制备材料，成本低；水热/溶剂热法可在高温高压下创造特殊环境来控制材料结构；模板法利用模板引导合成出规则结构材料；其他方法如超声法和溶胶-凝胶法也各有优势。在NO氧化方面，多金属氧化物催化剂通过调节稀土与其他金属比例，分析结构与性能关系；载体催化剂通过不同载体与稀土元素结合，调控负载量与载体性质影响催化性能；钙钛矿催化剂则基于特定结构设计，严格控制合成条件优化性能。
未来研究可在以下几个方面深入拓展。从合成方法上，可探索多种方法的协同使用，设计与开发新型稀土多孔材料，进一步优化材料结构和性能。对于催化剂，深入研究其催化机理，尤其是在不同反应条件下的微观反应过程，为设计更高效催化剂提供理论依据。此外，还应注重材料的可持续性和可回收性研究，减少对环境的潜在影响，推动稀土多孔材料在NO氧化及相关领域的可持续发展。
青年编委介绍
李振兴，中国石油大学（北京）新能源与材料学院、重质油全国重点实验室教授，博士生导师。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家重点研发计划青年科学家。中国稀土学会青年工作委员会秘书长，催化专业委员会委员和稀土晶体专业委员会委员，中国化工学会稀土催化与过程专业委员会委员和工程热化学专业委员会委员。中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟专家委员会委员。以第一或通讯作者在国际高水平学术期刊发表论文100余篇，包括PNAS，Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.，Natl. Sci. Rev.，Adv. Mater.等。以第一发明人授权发明专利8项，中国石油大学（北京）专有技术2项。著有中文学术著作二部，英文学术著作一章。以第一完成人获得稀土科学技术奖基础研究一等奖，中国材料研究学会科学技术奖二等奖，中国颗粒学会自然科学奖二等奖，中国石油和化学工业联合会科技进步三等奖。
主要研究方向
主要研究方向为稀土和金属纳米材料的设计合成及催化性质研究。
近五年代表作
[1]Cheng Yang, Jiasai Yao, Senyao Meng,Ping Wang,Miao He,Pangen Li,Peng Xiao, Jianyang Xiao, Yunpeng Liu*and Zhenxing Li*, A Library of Polymetallic Alloy Nanotubes: From Binary to Septenary, J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 9865–9878.
[2]Ping Wang, Cheng Yang, Jiasai Yao, Huawei Li, Zikang Hu, Zhenxing Li*, Two-dimensional metal organic framework nanosheet in electrocatalysis, Chem. Sci., 2025,16, 6583-6597.
[3] Zhidong An, Piaoping Yang, Delong Duan, Jiang Li*, Tong Wan, Yue Kong, Stavros Caratzoulas, Shuting Xiang, Jiaxing Liu, Lei Huang, Anatoly I. Frenkel, Yuan-Ye Jiang, Ran Long*, Zhenxing Li*, Dionisios G. Vlachos*, Highly Active, Ultra-Low Loading Single-Atom Iron Catalysts for Catalytic Transfer Hydrogenation, Nat. Commun. 2023, 14, 6666.
[4] Ping Wang, Senyao Meng, Botao Zhang, Miao He, Pangen Li, Cheng Yang, Ge Li, and Zhenxing Li*, Sub-1nm Cu2O Nanosheet for the Electrochemical CO2 Reduction and Valence State-Activity Relationship, J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 48, 26133–26143.
[5]Zhuoli Jiang, Shaojia Song, Xiaobo Zheng, Xiao Liang, Zhenxing Li*, Hongfei Gu, Zhi Li, Yu Wang, Shuhu Liu, Wenxing Chen*, Dingsheng Wang, Yadong Li*, Lattice Strain and Schottky Junction Dual Regulation Boosts Ultrafine Ru Nanoparticles Anchored on N-modified Carbon Catalyst for the H2 Production,J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 42, 19619–19626.
