挥发性有机物（VOCs）是PM2.5、臭氧、雾霾等大气污染物的前体物，是国内外环保治理的重点。催化氧化是VOCs治理的常用技术，开发高效、稳定的非贵金属类催化剂，对于该技术的发展尤其是成本控制方面至关重要。

图1. NiCo₂O₄尖晶化合物在乙烷催化氧化反应中的应用

近日，大连理工大学郭新闻教授团队联合中国石化大连石油化工研究院侯栓弟教授团队在ACS Catalysis期刊上发表了题为“Engineering Morphology and Ni Substitution of Ni_xCo_3−xO₄Spinel Oxides to Promote Catalytic Combustion of Ethane: Elucidating the Influence of Oxygen Defects”的论文。钴系尖晶型氧化物由于其较低的氧空穴形成能和较强的氧传递能力，被认为是一种高效的深度氧化型催化剂。本研究通过采用不同的合成方式及调变合成过程的相关参数，制备了具有立方尖晶结构的Ni_xCo_3-xO₄氧化物，实现特定晶面的暴露。这些特定晶面由于具有不同的缺陷位形成能和晶面稳定性，可影响晶体的表面结构和组成，影响氧空位的形成和浓度。

作者通过实验、表征及理论计算相结合的方式，研究了钴系尖晶型氧化物在低碳烷烃催化氧化中的反应机制，并针对以下三个关键科学问题进行回答：一是通过控制Ni_xCo_3-xO₄的形貌，特别是暴露某些特定晶面，达到调控催化剂表面性质及活性位点电子结构的目的，并将其应用于乙烷催化氧化反应中，建立构效关系；二是通过Ni原子掺杂改变立方型Co₃O₄的结构及电子性能，达到灵活调变氧空位数量及性质的目的；三是通过原位红外和DFT理论计算相结合的方式，揭示Ni_xCo_3-xO₄表面乙烷催化氧化中间物种的演变机制和反应机理。本研究有助于加深理解活性氧化物种在催化氧化反应中的作用机制，为高效VOCs催化剂的设计提供理论基础。

图2. (a) NiCo₂O₄结构形貌及暴露晶面分析, (b)反应机理示意图, (c)乙烷催化氧化反应路径分析

论文第一作者为中国石化大连石油化工研究院刘世达副研究员、大连理工大学化工学院博士后王海燕、博士生王爽，通讯作者为大连理工大学郭新闻教授、聂小娃副教授，及合作单位中石化大连石油化工研究院侯栓弟教授、刘世达副研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中石化横向项目、博士后国际交流计划引进项目等资助。