荣少鹏ACS Catalysis：首次报道！控制Mn3O4纳米棒的暴露面用于光热协同催化氧化甲醛

甲醛(HCHO)作为室内空气中的主要污染物之一，室温催化氧化技术能够将HCHO矿化为无害的CO₂和水。然而，迄今为止，除了贵金属催化剂在室温下成功实现了HCHO的完全矿化外，使用非贵金属催化剂在室温下连续、稳定地将HCHO完全分解成CO₂仍然十分困难。

锰氧化物具有丰富的储量，在低温下具有良好的活性，因此利用其消除甲醛的研究引起了极大的兴趣。然而，锰氧化物在室温下的HCHO分解活性仍不能满足实际应用的需要，实现HCHO在室温下的完全分解也是一个巨大的挑战。

基于此，南京理工大学荣少鹏课题组开发了一种不需要封盖/蚀刻剂辅助的相变策略，以实现Mn₃O₄中{103}、{101}和{112}面的选择性暴露，并研究了致癌物甲醛在光热分解过程中的表面依赖性活性。

具体而言，面控制合成Mn₃O₄可分为两个步骤: 首先合成α-MnO₂，随后通过选择不同的前驱体和还原条件，实现了对Mn₃O₄晶面的选择性暴露。光热催化实验结果显示，Mn₃O₄的光热催化活性表现出面依赖性，其活性顺序为{103}>{101}>{112}。

特别是Mn₃O₄-103可以在全光谱太阳光的照射下实现HCHO的完全催化分解，其在环境温度下保持74%的HCHO转化率；在持续的太阳光辐照下，Mn₃O₄的表面温度逐渐升高，最终稳定在45−48°C。此外，即使在连续四个循环的开关灯反应后，Mn₃O₄-103也没有明显的失活，表明Mn₃O₄-103具有良好的催化耐久性。

实验结果表明，在太阳光的照射下，[MnO₆]八面体中Mn原子的d-d轨道电子能够吸收光子能量，从基态转变为激发态，导致Mn−O键的弱化和晶格氧活性的强化。在光的连续照射下，光热效应产生的热能可以通过加速电荷转移来提高光催化性能；另一方面，热能也有利于提高晶格氧的活性，产生更多的表面活性氧，促进HCHO的进一步氧化。因此，Mn₃O₄的光热催化机理是一种热辅助的光催化过程，而不是太阳光驱动的热催化。

同时，Mn₃O₄的{103}面具有较高的紫外-可见光吸收能力和更有效的光生电子-空穴对分离，所以其具有最佳的光热催化活性。总的来说，本研究提出了一种小面控制合成的相变策略，为设计用于室温下催化空气中致癌HCHO完全分解的催化剂提供了指导。

Facet-Controlled Synthesis of Mn₃O₄ Nanorods for Photothermal Synergistic Catalytic Oxidation of Carcinogenic Airborne Formaldehyde. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c01099

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