清华大学朱永法/江南大学娄阳《自然·通讯》​：α-MnO2/石墨烯分级结构可实现高效臭氧分解

在众多的臭氧分解策略中，氧化锰尤其是的α-MnO2催化分解，因其高效率、高安全性和低成本等特点受到了广泛的关注。但由于其局部功函数小，氧空位不能轻易地从中间氧物种中捕获电子以释放活性位点，导致臭氧转变效率降低；又由于水分子和臭氧分子化学结构相似，水分子会吸附在活性位点上并阻碍臭氧分子的吸附，从而严重削弱氧化锰在高湿度环境下的催化性能。因此，开发一种新策略来调整锰基材料的表面电子特性成为加速其商业化应用的关键。

近期，清华大学朱永法和江南大学娄阳等人通过一步水热合成法，将α-MnO2封装在石墨烯层中，以实现对催化剂表面电子结构的调节，从而实现高效稳定的臭氧分解过程。相关工作以“Encapsulate α-MnO2 nanofiber within graphene layer to tune surface electronic structure for efficient ozone decomposition”为题发表在Nature Communications。

【文章要点】

1.以石墨烯氧化物作为前驱体，采用一步水热法合成分级的MnO2@graphene（MnO2@GR），实现对α-MnO2纳米纤维的封装。由此一来，材料表面石墨碳可通过捕获内层未饱和锰原子的电子来得到活化。适度的局部功函数则可以使臭氧分子吸附和中间氧物种的解吸附的反应能垒达到平衡，从而提高催化剂的稳定性。

2.此外，石墨烯壳层具有一定的疏水特性，可阻碍水蒸气的化学吸附行为，大幅减少水蒸气对臭氧分子的竞争性吸附。

3. MnO2@GR催化剂在20%的相对湿度下表现出了高效稳定的臭氧分解特性，前20小时内的臭氧转化率可达100%，并可以保持80%以上的转化率至100小时。即使相对湿度提高到50%，臭氧转化效率依然可以达到70%，远远超过单纯α-MnO2纳米纤维的催化性能。

图1 3D分级MnO2@GR的合成路线

图2 3D分级MnO2@GR的形貌表征

图3 3D分级MnO2@GR的结构分析

图4 3D分级MnO2@GR的臭氧转化效率

图5 MnO2@GR在臭氧转化过程中的独特优势

图6 MnO2@GR的局部电子结构示意图

图7 MnO2@GR臭氧分解催化示意图