第一作者：彭登超，韩璐蓬副研究员

通讯作者：张登松教授，王芃芦副研究员

通讯单位：上海大学

论文DOI：doi.org/10.1002/adfm.202524233

四、正文请包括以下内容：

1、全文速览：

复杂工况下气态污染物的低温高效催化转化，仍是环境催化领域的核心科学难题。为解决此问题，研究团队通过富铝分子筛界面调控电子富集的Mn-O-Ce活性位点，成功助力实现了低温高效环境催化。具体而言，本研究通过溶解-再结晶策略构建表面富铝中空ZSM-5沸石分子筛，并将其与具有强氧化还原特性的锰铈复合金属氧化物（MnCeO_x）耦合，从而增强酸性位点与活性位点间的相互作用，精准调控环境催化反应过程。以氮氧化物（NO_x）选择性催化还原为探针反应，富铝界面显著促进了电子从ZSM-5沸石分子筛向锰铈氧化物的转移，形成富电子的Mn-O-Ce活性位点，巧妙构建了反应物分子吸附与活化的相邻中心：Mn-O-Ce位点中的Mn端用于NO_x分子的络合配位，Ce端负责部分NH₃分子的吸附活化，最终在低于150°C的高空速工况条件下取得优异的催化活性和选择性。同时，这种具有富电子的Mn-O-Ce活性位点和充足Brønsted酸位的调制沸石分子筛-金属氧化物界面，在协同去除NO_x与典型挥发性有机物（VOCs）方面也展现出优异性能。除卓越的多功能催化性能外，本研究开创的界面电子工程策略为设计先进环境催化功能材料提供了普适性方法。

2、背景介绍：

在环境催化领域，实现气态污染物的低温高效催化净化是一项重大挑战。具体而言，通过多相催化在低温条件下高效消除气态污染物，通常受限于传统催化剂界面位点协同作用的不足。在较低反应温度下，反应物分子的动能难以克服其在催化剂表面吸附、活化及后续键断裂/形成等关键步骤的活化能垒，从而导致催化效率显著下降和污染物转化不完全。为克服这一动力学限制，对于开发适用于节能高效污染控制技术的先进催化材料至关重要。目前，研究者在提升催化剂低温性能方面的策略主要围绕活性组分调控、载体结构优化及表面与界面工程展开。在活性组分方面，Mn、Ce、Cu基金属氧化物因其可调的氧化还原特性与表面氧活性而被广泛探索。在载体结构方面，ZSM-5、SSZ-13等沸石分子筛凭借其独特的孔道结构与可调酸性，展现出显著优势。特别值得关注的是，界面工程作为提升本征活性的关键路径，已受到广泛重视。在众多界面调控策略中，沸石与金属氧化物之间的相互作用在各种环境催化过程中扮演着关键角色。通过分子围栏、限域效应及核壳结构等策略，沸石与金属氧化物间的相互作用得以有效调控，从而优化催化性能。其中，在众多界面因素中，沸石骨架中Al物种的分布对催化性能具有决定性影响。它不仅调控载体酸性与孔道微环境，也深刻影响金属-载体间电子相互作用。尽管Al的空间分布已被确认为关键结构参数，如何通过精准调控Al物种形式以优化活性位点的电子结构，进而增强界面电子转移效应，仍是当前研究中尚未系统阐释的核心问题。然而，如何通过精准控制Al物种分布来定向调控活性金属组分电子结构的微观机制，如何调控催化剂表面和界面性质来优化电子转移效应在催化反应中的作用，仍然需要更全面的研究。因此，本研究创新性的提出界面电子调控工程策略，通过构建富铝分子筛界面，定向调控活性位点的电子结构，创制出具有富电子特性的活性中心，为助力实现NOₓ和VOCs等气态污染物的低温高效催化净化提供了新途径。

3、本文要点：

（1）通过溶解-再结晶方法，合理设计了表面富铝中空ZSM-5沸石分子筛，并将其与MnCeO_x复合金属氧化物耦合，显著增强了酸性位点与氧化还原活性位点的邻近效应。

（2）构建的富铝界面有助于MnCeO_x复合氧化物的分散，通过更易形成氧空位促进了不饱和Mn和Ce物种之间的相互作用，并促进了电子从ZSM-5分子筛向MnCeO_x复合氧化物的定向转移，从而创造了富电子Mn-O-Ce活性位点。

（3）构建了双反应物分子吸附与活化相邻中心，在NH₃-SCR反应中表现出优异的NOₓ低温净化效率与N₂选择性，富电子Mn-O-Ce活性位点和丰富Brønsted酸位的调制分子筛-金属氧化物界面，同样实现了低温下高效协同去除NO_x与典型挥发性有机物（如甲苯、氯苯、正丁胺等），表现出在环境催化领域的广泛普适性。

4、图文解析：

研究团队首先通过溶解-再结晶法构筑中空ZSM-5分子筛富铝界面，然后在其表面耦合高活性MnCeO_x复合氧化物，通过界面电子结构调控构筑富电子的金属氧化物活性中心。首先在微观表征通过STEM-EDS线扫描和EDS-Mapping结果清晰证明中空ZSM-5分子筛的边缘区域Al信号强度高于体相结构，直接证明了表面富铝结构的成功构筑。此外，从XPS表面Al元素含量在宏观角度证明表面富铝结构的成功构筑。AC-STEM图像与EDS-Mapping元素面分布图表明，MnCeO_x复合氧化物纳米颗粒均匀且高度分散在表面富铝中空ZSM-5沸石分子筛载体表面。

图1 催化剂的结构设计及微观结构表征

接着，研究团队通过多维度结构表征，XRD、N₂吸脱附、AC-STEM、固体核磁及价态和配位结构XAFS等表征，共同证实了高结晶性的表面富铝中空ZSM-5沸石分子筛及其界面的成功构筑。XRD与N₂吸脱附证明了ZSM-5分子筛结构的成功构筑并保持高的结晶性；AC-STEM表明MnCeO_x复合氧化物纳米颗粒均匀负载在表面富铝中空ZSM-5沸石分子筛表面。固体核磁证实了表面富铝调控过程显著增加了载体的骨架Al含量，为后续的电子调控提供了结构前提；XAFS结果证明了Mn与Ce价态的降低，为富铝界面驱动电子向锰铈复合氧化物转移，形成富电子活性中心提供了最直接的证据。

图2 催化剂的物化结构性质表征

随后，研究团队通过XPS、DFT理论计算及EPR等分析，从实验和理论计算层面共同揭示了富铝界面诱导的界面电子转移效应及其对催化性能的提升作用机制。XPS分析证实催化剂中Mn³⁺和Ce³⁺比例显著提升，表面化学吸附氧比例增加34%，证实界面电子转移诱导形成富电子活性位点的形成；DFT理论计算量化了电子转移过程，显示富铝界面更容易向活性中心转移电子，并显著降低氧空位形成能；EPR测试进一步观察到g=1.9890的特征信号，表明催化剂中存在大量配位不饱和的锰氧物种。这些结果共同从实验和理论层面表明富铝界面可向活性中心转移更多电子，有效降低氧空位形成能，增强对反应分子的吸附与活化能力。这些发现明确了界面电子调控是提升催化剂低温氧化还原性能的关键所在。

图3 催化剂的电子结构表征

接着，研究团队通过系统的吸脱附实验、理论计算与原位红外光谱研究，揭示了富铝界面调控Mn-O-Ce活性位点的催化剂具有卓越的双功能吸附与协同反应机制。原位红外光谱、原位穿透实验与TPD证明构筑的催化剂对NO和NH₃具有优异的吸附活化能力；DFT计算表明富电子的Mn-O-Ce活性位点与丰富的表面布朗斯特酸位（Al-OH）共同构建了相邻且分工明确的反应中心：Mn-O-Ce位点中的Mn端用于NO配位，Ce端与Brønsted酸位则协同强化NH₃的吸附与活化，这种独特的空间配置有效促进了吸附态NH₃与NO_x物种之间的表面反应。原位红外光谱则观察到关键中间体（双齿硝酸盐与NO₂物种和-NH₂与NH₄⁺物种）的快速生成与消耗，明确了低温NH₃-SCR反应机理。揭示了富铝界面调控富电子Mn-O-Ce活性位点吸附活化的双功能协同作用机制，显著提升了低温催化净化效率。

图4 气态反应分子吸附活化及其反应机理研究

最后，研究团队对该策略构筑的催化剂在实际反应中的性能评估，充分证实了界面电子工程策略的卓越成效。研究显示，该催化剂在NH₃-SCR反应中展现出优异的低温活性和N₂选择性，其性能显著优于传统及其它载体负载的对比催化剂。更重要的是，该催化剂在协同去除NO_x与多种典型挥发性有机物（如甲苯、氯苯、正丁胺等）的反应中同样表现出优异的低温活性和高选择性，凸显了其在环境催化中的广泛普适性，为复杂工况下气态污染物的低温高效催化净化提供了可靠的催化剂设计方案。

图5 催化剂的性能及其协同反应普适性研究

5、总结与展望：

总而言之，为解决环境催化中气态污染物低温高效催化转化的科学挑战，研究团队开创性地提出了一种界面电子调控策略：通过构筑富铝ZSM-5分子筛界面，有效调控出富电子的Mn-O-Ce活性位点，从而取得高效的环境催化反应性能。研究团队采用溶解-再结晶法，合理设计出表面富铝的ZSM-5分子筛，并将其与MnCeO_x复合氧化物耦合，显著增强了酸性位点与氧化还原活性位点的邻近效应。这一巧妙设计的富铝界面不仅助力MnCeO_x复合氧化物的高度分散，更易形成氧空位促进了不饱和Mn、Ce物种之间的相互作用，更驱动了电子从表面富铝的ZSM-5分子筛向MnCeO_x复合氧化物的定向转移，从而构建出富电子的Mn-O-Ce活性中心。以NH₃-SCR反应作为探针反应，该活性中心能够形成双反应物吸附-活化相邻中心：Mn端负责吸附并活化NO分子，Ce端则与富铝界面提供的额外Al-OH位点协同作用，共同吸附NH₃分子。这促进了吸附态NH₃与NO_x物种在低温下遵循Langmuir-Hinshelwood路径进行反应，基于此策略构筑的分子筛-金属氧化物界面在NH₃-SCR反应中表现出优异的低温NOₓ催化转化效率与高N₂选择性。同时，所提供的富电子Mn-O-Ce活性位点和丰富Brønsted酸位的调制分子筛-金属氧化物界面，使其能够在低温下高效协同去除NO_x与典型挥发性有机物（如甲苯、氯苯、正丁胺等），凸显显了其在环境催化领域的广泛普适性。本工作成功将界面电子结构工程确立为环境催化剂设计的通用范式，而且为理解反应物在相邻活性位点上的多重活化机制提供了原子级见解，更为开发具有精准调控界面电子结构与界面反应特性的下一代环境催化剂开辟了新路径。

6、文献信息：

D. Peng, L. Han, P. Wang*, F. Wang, Y. Shen, W. Qu, X. Hu, G. Xia, Y. Chen, J. Zhang, J. Kong, Y. Ni, J. He, M. Xie, D. Zhang*, “Aluminum-Rich Molecular Sieve Interface Regulating Electron-Enriched Mn-O-Ce Active Sites for Environmental Catalysis.” Adv. Funct. Mater. (2025): e24233. DOI: 10.1002/adfm.202524233

7、作者介绍：

第一作者：彭登超，上海大学2022级博士研究生，研究方向为机动车尾气催化净化。目前在Adv Funct Mater.、Angew Chem Int Ed、Environ Sci Technol等期刊参与发表SCI论文9篇，其中第一作者一篇。

共同第一作者：韩璐蓬，副研究员，博士生导师。主要从事大气污染物NO_x催化净化及其资源化利用相关的研究工作。主持京津冀环境综合治理国家科技重大专项子课题、国家重点研发计划稀土新材料重点专项子课题、国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目，入选上海市青年科技启明星人才计划。以第一/通讯作者在Nature Commun、Angew Chem Int Ed、Chem Rev、Environ Sci Technol、Adv Funct Mater、Appl Catal B等期刊上发表SCI论文30余篇，其中ESI高被引论文6篇，他引5000余次，H指数35，入选全球前2％顶尖科学家，受邀担任Chin Chem Lett青年编委。参与撰写专著1章，申请中国发明专利4件，与德国BASF集团共同申请国际PCT专利1件。相关研究成果获2022年度上海市科技进步一等奖（第五完成人），2023年获上海市教委重大贡献奖，2022年获得上海市青年五四奖章集体。

通讯作者：张登松，二级教授（研究员），国家杰出青年科学基金获得者。现任上海资源环境新材料及应用工程技术研究中心主任、上海大学理学院常务副院长、上海大学碳中和创新研究中心主任、上海大学催化化学国际合作联合实验室主任。长期从事能源环境催化的基础与应用研究，发展了多种减污降碳新技术。主持承担了一系列国家自然科学基金项目（包括国家杰出青年科学基金项目、优秀青年科学基金项目、重点项目、石油化工联合基金项目、面上项目、青年科学基金项目、国际(地区)合作与交流项目等）、京津冀环境综合治理国家科技重大专项、国家重点研发计划项目与课题、科技部973计划前期研究专项等。已获授权国际发明专利与国家发明专利70余项，多项科研成果在国内外企业中得到推广应用。以通讯作者在Nature Nanotechnol、Nature Commun、Chem Rev、JACS、Angew Chem、Environ Sci Technol、Adv Mater等国内外期刊发表270余篇SCI论文，被引用2.97万余次，H指数为100。连续多年入选全球高被引科学家（科睿唯安，2020至今）和中国高被引学者（爱思唯尔，2018至今），并于2023年当选英国皇家化学会会士。担任中国化学会理事、中国化工学会化工新材料委员会委员、中国环境科学学会环境化学分会委员等。担任Chinese Chemical Letters副主编、Chemical Physics Impact高级编委等。曾荣获上海市新长征突击手、上海市晨光学者、上海市青年科技启明星、上海市育才奖、上海市青年五四奖章集体（团队负责人）、上海市教委记功三次、王宽诚育才奖等，作为完成人之一获高等教育国家级教学成果二等奖、高等教育上海市级教学成果二等奖，曾获2024年上海市青年科技杰出贡献奖、2022年上海市科技进步一等奖（第一完成人）、2021年华夏建设科学技术二等奖（第一完成人）、2018年上海市科技进步二等奖（第一完成人）等。

通讯作者：王芃芦，副研究员，博士生导师。2018年加入上海大学张登松教授研究团队，主要从事机动车尾气催化净化、气态污染物协同催化净化与资源化等相关研究。入选上海市优秀青年学术带头人（2024）、上海市晨光人才计划（2021）、上海市扬帆人才计划（2019）。主持承担了国家重点研发计划青年科学家项目1项、国家自然科学基金面上项目2项和青年科学基金项目1项、上海市东方英才计划青年项目1项、上海市高校青年教师培养资助计划项目（重点推荐）1项等，作为研究骨干参与“巴斯夫-上海大学（BASF-SHU）移动源低温脱硝催化剂”国际合作项目。以第一/通讯作者在Angew Chem Int Ed、Environ Sci Technol、Adv Funct Mater、Appl Catal B、ACS Catal等国内外刊物上发表SCI论文40余篇，总被引4500余次，H指数36。担任国家卓越计划期刊SCI杂志Chin Chem Lett青年编委。申请中国发明专利15件（获授权8件），与德国BASF集团联合申请PCT国际发明专利4件（已公开2件）。参与完成的研究成果获2022年上海市科技进步一等奖。作为团队骨干获2022年上海市青年五四奖章集体，个人获2023年上海大学科研突出贡献奖。