催化活性的调控策略与方法是高效催化剂设计与开发的重要科学基础。目前在非均相类芬顿等水处理催化氧化领域，新型高效催化剂的筛选或开发主要依赖于试错和经验，缺乏基于反应微观动力学理论认知的催化活性调控策略。反应物分子在催化剂表面发生吸附是大部分界面催化反应的先决步骤，该过程的吸附能对催化反应活性可能有重要影响，但基于吸附能调节的催化活性调控策略在水处理催化氧化领域尚未得到充分关注。
课题组高度重视应用基础研究对技术创新的支撑作用，近期以Ce-Ti复合氧化物催化类芬顿氧化As(III)反应为例，提出并初步验证了基于吸附能适配的催化活性调控新策略。通过调节Ce/Ti摩尔比，制备了系列CexTi1-xO2催化剂，考察了CexTi1-xO2催化类芬顿氧化As(III)活性，发现其催化活性随Ce摩尔分数x的增加呈火山形曲线关系，所制备材料中Ce0.25Ti0.75O2催化活性最高，与CeO2和TiO2相比分别为两者的6.32和6.36倍，单位表面积比活性分别为两者的2.67和2.94倍。机理研究表明，Ce-Ti复合氧化物催化类芬顿氧化As(III)由非自由基氧化途径主导，主要活性氧化物种为表面络合态过氧化物(≡M-OOH)，能够达到化学计量学的H2O2有效利用率(99.1%)；该反应遵循Langmuir–Hinshelwood机制，且两种反应物在催化剂表面均为化学吸附。在探明反应机理的基础上，建立了该反应的微观动力学模型，基于对该模型的推演和化简阐述了双分子化学吸附反应催化活性与双分子吸附能间的定量关系：对两种化学吸附的反应物具有相等吸附能的催化剂催化活性最高；两种反应物的吸附能差值(ΔEad)每增加0.0592 eV，催化活性相应降低一个数量级。通过密度泛函理论计算，Ce0.25Ti0.75O2的最高催化活性可归因于该材料对As(III)和H2O2的吸附能几乎相等(ΔEad = 0.01 eV)。电子态密度分析表明，Ce0.25Ti0.75O2吸附As(III)和H2O2两种反应物吸附位点的Ti-O离域成键能量相较锐钛矿或无定形TiO2更低，相应吸附能均显著增大，从而提高了催化活性；由Ce掺杂和无定形化引起的配位数缺陷和氧空位增加是吸附能增大的重要原因。本研究可为双分子化学吸附反应的催化活性调控提供理论指导，为相关反应的高效催化剂开发和设计提供新思路。
研究成果以“Enhanced Fenton-like Oxidation of As(III) over Ce-Ti Binary Oxide: A New Strategy to Tune Catalytic Activity via Balancing Bimolecular Adsorption Energies”为题在线发表于环境领域知名学术期刊Environmental Science & Technology (https://doi.org/10.1021/acs.est.0c00159)。论文第一作者为单超副研究员，通讯作者为潘丙才教授，硕士生刘辉、花铭副教授为共同作者。匡亚明学院曾桂香副教授、陈爽副教授对本研究相关理论计算给予了方法学指导，现代工程与应用科学学院王鹏教授以及硕士生冯昱幛对本研究相关材料表征给予了帮助。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费的资助。
