隨著油氣資源的深入開發，以甲烷為主要成分的天然氣被廣泛應用於電廠、汽車、家用熱板、燃氣鍋爐等國計民生的各個方面。然而，由於傳統的燃燒方式排放的不完全燃燒的甲烷引發的溫室效應可達二氧化碳的20倍左右，且高溫反應條件下不可避免伴隨產生大量HC和NOx副產物，因此高效甲烷催化燃燒催化劑的研究備受關注。近日，北京航空航天大學的張瑜團隊結合自組裝和自發氧化還原方法，成功製備出一維埃洛石負載的Pd/Mn3O4/CeO2催化劑（HPMC），該催化劑在光輔助催化甲烷燃燒中表現出優異的催化活性。

眾所周知，甲烷分子對稱性好，相比於其它烷烴分子更加穩定，故透過溫和條件下破壞C-H鍵實現甲烷轉化較為困難，使得降低甲烷催化燃燒的起燃溫度十分具有挑戰性。經典的Mars-van Krevelen(MVK)機理認為PdO/CeO2催化劑中作為甲烷活化位點的Pd組分存在PdO→Pd→PdO迴圈過程，這就需要起到助催化劑作用的CeO2能夠高效快速地為Pd組分輸運活性氧（O*）。換言之，CeO2中O*的濃度將對提升反應活性具有決定性的作用。傳統的晶格摻雜或者與CeO2形成活性介面的方式對於氧溢流有利，但從大量的文獻報道看催化效果提升有限，即使對於最好的催化劑來說，反應起燃溫度很難降低到250℃以下。透過深入的文獻調研並經過不斷嘗試，團隊發現構築具有一維自組裝奈米結構的Pd/Mn3O4/CeO2催化劑可以很好的解決這一難題。他們利用水相中還原性的Ce(OH)3和氧化性的MnO4-/Pd2+間的氧化還原反應，並結合自組裝的方法將PdO/Mn3O4/CeO2奈米粒子原位均勻的包覆在埃洛石載體（HNTs）表面形成一維組裝結構。結果，該催化劑在光輔助熱催化甲烷燃燒中表現出表現出優異的效能。在可見光照射下，其起燃溫度急劇降低至180℃，實現了催化活性的大幅提升。究其原因，一方面是因為具有靈活變價能力的錳的氧化物可以與CeO2形成高活性介面；另一方面，Pd/CeO2具有良好的可見光響應，可利用光輔助增強催化劑化學吸附氧氣並進一步轉變為晶格活性氧物種。

該方法能顯著提高催化劑各組分間的協同作用，加速了活性氧在催化劑各組分間的溢流。根據各種表徵測試分析，該團隊認為在催化甲烷燃燒過程中，CH4被化學吸附在PdO表面並解離生成CH3*自由基，CH3*與PdO反應生成CO2和H2O。同時O*在PdO/CeO2介面透過溢流方式不斷從CeO2流向PdO，實現了快速穩定的PdO→Pd→PdO的氧化還原迴圈。依靠CeO2中穩定存在的Ce3+，大量的化學吸附O2可以被活化成O*。更重要的是，在可見光照射下光生電子還原Ce4+後顯著增加了催化劑中Ce3+的濃度，同時產生更多氧空穴，進而增加對O2的吸附能力並將其活化為O*。該工作對O*參與反應的光熱催化劑的結構設計有重要啟示作用，可大幅增加反應活性，同樣的設計理念有望被廣泛應用於類似的光熱催化反應體系。