贵金属在众多催化反应中体现出优异性能，但由于其固有的稀缺特性和高昂成本，使得贵金属替代研究成为国际催化领域的重要发展方向之一。根据已掌握的反应机理，利用新颖的材料合成方法制备富含活性中心的纳米结构，降低关键步骤能垒、提升反应速率，可在较低反应温度和压力下获得较高的反应活性和目标产物选择性。低成本的铁、钴等过渡金属可以合金、氧化物、碳化物等形式存在，这些化合物组成各异、晶相多样，有望通过精确设计在晶体生长阶段实现活性中心的表面富集，使其具有接近或超越贵金属的催化性能。
工业废气和汽车尾气中一般含有C1~C4低碳烃类（甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等），与大气颗粒物发生吸附和光、热化学反应后形成二次有机气溶胶，是雾霾中碳质颗粒物的主要来源。本研究通过原位氧化方法将碳包钴纳米颗粒局部破壳，金属钴暴露后发生的剧烈氧化过程导致内核体积膨胀，残留的石墨外壳辅助形成缺陷度较高的氧化钴颗粒。催化反应动力学表明，该催化剂具有转换频率高、表观活化能低的特点，反应速率对氧分压无明显的依赖关系，并在一氧化碳、丙烷、苯系物的完全氧化反应中体现出较高活性。目前，研究人员正利用石墨壳层诱导效应合成其他可变价过渡金属氧化物，并探索其在催化、储能、燃料电池等领域的潜在应用。
上述工作得到了国家自然科学基金委等项目的资助。
图1：缺陷石墨壳层诱导合成Co3O4纳米颗粒示意图
图2：甲烷燃烧催化反应动力学及反应后催化剂表征
