挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是PM2.5的重要前体，也是导致大气臭氧浓度升高的主要因素之一，是我国“十四五”规划需要严格控制的大气污染物之一。在众多VOCs之中，苯系物因其高毒性、强刺激性、高致畸性和致癌性对人体健康的威胁尤为突出。因此，苯系VOCs的高效净化去除对于改善空气质量、保障人体健康而言具有重要的理论和现实意义。催化燃烧技术是目前最有实用潜力的VOCs治理技术之一，其应用的瓶颈在于廉价、高效、稳定的催化剂的设计与制备。
Co₃O₄是一种相对廉价的催化剂，但其完全去除甲苯或苯的温度往往超过300 ℃，不仅不够高效，而且浪费能源。针对Co₃O₄基催化剂催化活性及稳定性不足的难题，沈阳化工大学环境与安全工程学院张学军教授团队，定向合成了一系列形貌可控的Co₃O₄催化剂。通过优化制备方法，调控Co₃O₄催化剂的形貌、主暴露晶面、表面缺陷浓度、氧化还原性能等，达到高效且稳定去除苯系VOCs的目的。所得Co₃O₄催化剂的扫描电镜图片可以看出样品均是三维分层结构（图1），且表现出不同的主暴露晶面（图2）。


以甲苯为探针分子，研究了自组装Co₃O₄微米球催化氧化苯系VOCs的催化活性及稳定性，测试条件为：甲苯浓度为500ppm，空速（WHSV） = 60000 mL g^-1 h^-1。如图3A所示，甲苯在H、S、P催化剂表面的完全转换温度分别为250 ℃、270 ℃和290 ℃。在所有催化剂中，H样品的甲苯转化效率最高，甲苯达到50%和90%转化率的温度分别为243 ℃和248 ℃，分别比P样品低42 ℃和50 ℃。相同条件下100 小时连续测试的结果表明（图3B），H的催化活性没有明显下降，说明H样品对甲苯催化氧化的活性良好且稳定。此外，在250 ℃时，7 vol%水蒸气引入仅仅导致催化剂轻微失活，但除去水蒸气后，甲苯的转化率迅速恢复，这一结果表明H样品对水蒸气有很好的耐受性。H样品的催化活性可归因于其良好的还原性能，较多的吸附氧物种，丰富的氧缺陷，和高活性的{110}主暴露晶面。该研究结果以“Fabrication of Co₃O₄ nanospheres and their catalytic performances for toluene oxidation: The distinct e?ects of morphology and oxygen species”为题发表在《Applied Catalysis A, General》杂志上（Applied Catalysis A, General, 597, 2020, 117539）。

上述研究的结果表明，制备条件的改变会导致Co₃O₄催化剂物理、化学性质的显著变化。基于此，在上述研究的基础上，研究团队制备了结构新颖的三维分层结构的Co₃O₄催化剂。仅仅通过调控合成温度，就可使三维Co₃O₄刺球转变为页岩状，且成功捕获了形貌转变的中间态（图4A）。其中160 ℃（S-160）条件下制备的页岩状Co₃O₄催化剂的催化性能最好，甲苯转化率为T_90%的温度为245 ℃。S-160样品优良的催化性能主要是由于其丰富的吸附氧和Co³⁺，以及良好的氧化还原性能。此外，S-160样品在甲苯浓度为 500ppm, GHSV 为 60000 mL·g^-1·h^-1, 5 vol.% H₂O，240 ℃条件下，对甲苯的去除率稳定在95%左右，表现出了高效的甲苯去除效率及优秀的稳定性（图4B，4C）。该研究结果以“Controllable synthesis of 3D hierarchical Co₃O₄ catalysts and their excellent catalytic performance for toluene combustion”为题发表在《Applied Surface Science》杂志上（Applied Surface Science, 507, 2020, 145174）。

上述两个工作第一作者为理学院刘威博士，通讯作者为环境与安全工程学院张学军教授。研究工作得到国家自然科学基金（No.21872096）、辽宁省教育厅项目（LZ2019002）和辽宁省博士启动项目（No. 10 20170520402）的支持。