论文标题：Efficient Purification of Auto-Exhaust Soot Particles Using Hexagonal Fe₂O₃ Nanosheets Decorated with Non-Noble Metals (Ni)

论文链接：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/3/233

期刊名：Nanomaterials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials

导读

汽车尾气中的炭烟颗粒（PM）是大气雾霾的主要来源之一，尤其在柴油车排放中占比显著。传统催化净化技术依赖铂、钯等贵金属，成本高昂且资源受限。中国石油大学（北京）能源与环境催化课题组韦岳长教授团队在 Nanomaterials 期刊发表的研究成果，通过改进的溶剂热法成功制备了非贵金属Ni修饰的六方Fe₂O₃纳米片催化剂（Ni-Fe₂O₃-X），实现了对炭烟颗粒的高效低温催化氧化。

该催化剂中，Ni原子部分取代Fe₂O₃晶格中的Fe位点，在表面形成NiFe₂O₄尖晶石结构，并通过Fe-Ni协同效应促进了氧空位的生成和反应物（NO、O₂）的吸附活化。最优配比的Ni-Fe₂O₃-20催化剂在松散接触条件下，炭烟氧化的半转化温度T₅₀低至366 °C，CO₂选择性高达99.1%，表观活化能仅为72.7 kJ·mol^-1，转化频率TOF达到0.156 min^-1（310 °C），性能媲美Pt/Fe₂O₃贵金属催化剂。该工作为开发经济、高效的汽车尾气净化催化剂提供了新思路。

研究过程与结果

研究团队采用水热法，以硝酸铁和硝酸镍为前驱体，在氨水辅助下合成了不同Ni掺杂量的Ni-Fe₂O₃-X纳米片（X = 1, 5, 10, 20, 30，对应Ni摩尔百分比）。通过XRD、拉曼光谱、TEM、XPS、H₂-TPR等多种手段对催化剂进行了系统表征，并评价了其对商业炭烟（Printex-U）的催化氧化性能。

结构与形貌： XRD和拉曼结果表明，Ni成功掺入Fe₂O₃晶格，取代部分Fe原子，并在催化剂表面形成NiFe₂O₄尖晶石相，未检测到NiO或Ni₂O₃的聚集峰。TEM图像显示，纯Fe₂O₃为边长100-150 nm的规则多面体，引入Ni后转变为纳米颗粒状。高分辨TEM观察到Ni-Fe₂O₃-20表面同时存在Fe₂O₃（110）晶面（间距2.96 Å）和NiFe₂O₄（220）晶面（间距2.51 Å）。EDS元素面扫表明Ni、Fe、O均匀分布，证实Ni原子成功分散于Fe₂O₃基体中。

图1. Ni-Fe₂O₃-20催化剂的透射电镜及元素分布图

表面化学与氧化还原性能： XPS分析显示，催化剂表面Fe主要以Fe³⁺存在，Ni以Ni²⁺为主。随着Ni含量增加，Fe³⁺/Fe²⁺比例升高，表面吸附氧（OA，对应于氧空位）比例在Ni-Fe₂O₃-20时达到最高（27%）。H₂-TPR测试表明，Ni掺杂使Fe₂O₃的还原峰从407°C降至388 °C，且Ni-Fe₂O₃-20具有最低的低温还原峰温度和最大的H₂消耗量，说明其氧化还原能力最强，表面活性氧物种最丰富。

催化性能： 在松散接触模式下（催化剂:炭烟=10:1），纯Fe₂O₃的T₅₀为474 °C，而Ni-Fe₂O₃-20的T₅₀低至366 °C，T₁₀为310°C，T₉₀为402 °C，CO₂选择性达99.1%。相比于无催化剂时炭烟自身燃烧的T₅₀（585°C），催化氧化温度降低了219°C。与文献报道的Pt/Fe₂O₃贵金属催化剂（T₅₀ = 365 °C）相比，Ni-Fe₂O₃-20也展现出相当甚至更优的性能。动力学研究表明，Ni-Fe₂O₃-20的表观活化能仅为72.7 kJ·mol^-1（纯Fe₂O₃为116.4 kJ·mol^-1），TOF为0.156 min^-1，反应速率达21.0 µmol·g^-1·min^-1。经过四次循环测试，催化活性和选择性几乎没有衰减，TEM和XRD证实催化剂结构稳定。

图2. 催化性能测试

反应机理： 通过原位DRIFTS和NO-TPO实验发现，Ni-Fe₂O₃-20比纯Fe₂O₃能更有效地吸附NO并转化为表面硝酸盐/亚硝酸盐物种，同时在升温过程中更高效地释放NO₂。NO₂作为强氧化剂，可促进炭烟氧化（NO₂ + C → CO₂ + NO）。Fe-Ni协同效应不仅提高了NO氧化为NO₂的效率，还增加了表面氧空位浓度，从而加速了O₂的活化和活性氧的迁移。该“NO₂辅助氧化”路径被证实是催化炭烟低温燃烧的主导机制。

图3. 原位红外谱图及机理探索

研究总结

本研究成功开发了一种不含任何贵金属的Ni-Fe₂O₃纳米片催化剂，通过简单的Ni掺杂实现了对Fe₂O₃表面的电子结构和缺陷工程调控。NiFe₂O₄尖晶石结构的原位形成增强了Fe与Ni之间的协同作用，显著提高了催化剂表面氧空位密度、NO吸附活化能力以及O₂的氧化还原循环效率。最优催化剂Ni-Fe₂O₃-20在炭烟催化氧化中表现出优异的低温活性（T₅₀= 366 °C）、接近100%的CO₂选择性、低活化能以及良好的循环稳定性，其综合性能与贵金属Pt基催化剂相当。该工作不仅为汽车尾气炭烟颗粒的高效净化提供了一种低成本、易规模化制备的非贵金属催化方案，也为通过异金属掺杂调控金属氧化物表面协同催化效应提供了重要的理论依据和实验参考。

Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊聚焦纳米材料科学领域的研究，旨在发表纳米材料制备、表征和应用各个方面的研究。目前期刊已被Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed、PMC、Embase、CAPlus / SciFinder、Inspec等数据库收录。

2025 Impact Factor: 4.8

2025 CiteScore: 10.3

Time to First Decision: 12.5 Days

Acceptance to Publication: 2.7 Days