甲苯作为臭氧和细颗粒物（PM2.5）的重要前驱体，广泛存在于石油化工、橡胶和印刷等我国VOCs重点治理行业中，严重威胁及损害着环境、经济和人体健康。催化氧化具有低温操作、效率高、无二次污染等优点，是当前甲苯的主流控制技术，其关键在于绿色高效催化剂的研发。
钴氧化物Co-O键强较弱，且与氧的结合速率较高，并且Co3O4廉价易得、环境友好，是催化氧化甲苯最有效的氧化物之一。但是整体上单一非贵金属氧化物对甲苯的催化活性依然不理想，而复合金属氧化物间的强相互作用，可以提高催化剂的某些特性，从而对甲苯催化氧化形成积极的协同作用。有研究显示，选取同一周期的邻近元素掺杂可以利用元素离子之间半径接近，可以相互取代或者发生强相互作用的优势来进一步提升催化剂的结构特性和催化活性。这些均为制备钴基复合金属氧化物用于甲苯催化提供了全新的思路。
最近，太原理工大学的王爽教授和李晋平教授合作，以Co-MOFs（ZSA-1）为前驱体，采用浸渍法将Mn引入ZSA-1孔隙中，再通过高温煅烧制备了一系列不同Co/Mn比的M-CoaMnbOx催化剂，研究了锰掺杂制备钴基复合金属氧化物催化氧化甲苯的性能及机理。结果表明Mn的掺杂对M-CoaMnbOx催化氧化甲苯的性能起到了积极的推动作用。其中M-Co1Mn1Ox具有最高的Co3+/Co2+、Mn3+/Mn4+和Oads/Olatt及更丰富的晶格缺陷和低温还原性能等，从而在甲苯催化活性评价中表现出最佳性能。其T50% 和T90%分别为216和227 °C，比未掺杂样品所对应的温度分别降低了16和12 °C。原位红外光谱显示，催化剂M-Co1Mn1Ox在将甲苯完全氧化为CO2 和H2O的过程中主要有以下几种中间产物：苯甲醛、苯甲酸、酸酐和顺丁烯二酸盐类物质。
此外，该团队还分别选取Cu、Mn、Fe和Ni四种金属元素对ZSA-1进行掺杂，成功制备了四种物理化学特性和甲苯催化活性各不相同的钴基复合金属氧化物催化剂。其中Cu和Mn的掺杂使得催化剂的物理化学特性得到增强，对甲苯催化氧化起到了推动作用。M-Co1Cu1Ox具有最高的比表面积、Co3+/Co2+、Oads/Olatt、Cu2+及更丰富的晶格缺陷和低温还原性能等，从而在甲苯催化活性评价中表现出最佳性能。位红外光谱显示M-Co1Cu1Ox在将甲苯完全氧化为CO2和H2O的过程中，表面吸附氧（Oads）作为活性氧物质在甲苯降解过程中起到了主导作用，甲苯转化过程中主要有以下几种中间产物：苯甲醛、苯甲酸、苯酚和顺丁烯二酸盐类物质。其甲苯降解机理符合Langmuir-Hinshelwood（L-H）机理。
相关论文分别发表在Chinese Journal of Chemical Engineering上 (Juan Lei, Peng Wang, Shuang Wang*, et.al. Enhancement effect of Mn doping on Co3O4 derived from Co-MOF for toluene catalytic oxidation, Chinese Journal of Chemical Engineering, 2022. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2021.11.027)和Chemical Engineering Science上 (Juan Lei, Shuang Wang*, Jinping Li*, et.al. Mesoporous Co3O4 derived from facile calcining of octahedra Co-MOFs for toluene catalytic oxidation, Chemical Engineering Science, 2022, 251, 117436)。其中Chemical Engineering Science为化工顶级期刊。王爽教授和李晋平教授为共同通讯作者，博士研究生雷娟为第一作者。
