西安交通大学&西京学院 Coord. Chem. Rev. 综述：氧空位在氮氧化物选择性催化还原中的最新进展

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2026-03-10

来源：AIMatLab

氮氧化物（NOx）是酸雨和雾霾的主要元凶之一。选择性催化还原（SCR）是目前应用最广的烟气脱硝技术，其核心在于高效催化剂的设计。近年来，在催化剂中构建“氧空位”——即晶格中氧原子缺失形成的缺陷——被发现能大幅提升SCR性能。然而，关于氧空位在热催化脱硝中的系统综述仍然较少。西安交通大学石建稳教授、西京学院冯祥波教授科研团队针对这一空白，系统梳理了氧空位的构建策略、表征手段，并深入探讨了它如何从本质上提升催化剂的脱硝效率、选择性和抗中毒能力，为开发下一代高效稳定的工业脱硝催化剂提供理论指导。相关研究成果于近日发表于Coordination Chemistry Reviews 期刊（IF 23.5SCIEJCR Q1化学1区Top）。

【文献速览】

随着环保要求日益严格，工业烟气脱硝已成为刚需。SCR技术凭借其高效稳定，成为主流脱硝手段。但传统催化剂面临着低温活性差、易受烟气中SO₂、水和碱金属毒害等瓶颈。为了突破这些限制，科学家将目光投向催化剂微观结构的精细调控，“氧空位工程”由此成为前沿热点。氧空位作为点缺陷，能改变周边原子的电子状态，形成新的活性中心。尽管它在光催化、电催化领域已备受关注，但在SCR热催化中的系统总结尚显不足，这正是本综述的出发点。

这篇综述围绕氧空位，从“如何造”、“怎么看”、“有何用”三个维度展开。

首先，如何构建氧空位？文章归纳了多种策略：高温煅烧通过控制温度与气氛诱导氧逸出；元素掺杂引入金属或非金属，破坏晶格电荷平衡；化学还原利用H₂、NH₃等还原剂改变金属价态；此外还有等离子体处理、球磨等新兴技术。这些方法各有优劣，关键在于如何根据目标催化剂选择最经济可控的路径。

其次，如何表征氧空位？文章展示了从宏观到微观的“画像”技术。高分辨率电镜能直接“看到”原子级的晶格扭曲；电子顺磁共振灵敏地探测未配对电子；拉曼光谱和X射线光电子能谱通过峰位变化揭示空位引发的结构弛豫；X射线吸收光谱则能精确分析配位数减少。更重要的是，结合密度泛函理论计算，可以从理论上预测氧空位的形成能及其对反应路径的影响，与实验形成互补。

最后，氧空位如何提升性能？研究发现其作用是多维的：第一，它作为活性中心，增强NH₃和NO的吸附，同时活化O₂促进“快速SCR”反应。第二，它优化了催化剂的氧化还原能力，加速晶格氧的迁移循环，让催化剂在低温下更活泼。第三，它能显著提升抗中毒性能：面对SO₂时，优先结合或快速脱附硫酸盐，保护活性中心；面对碱金属时，作为“陷阱”优先捕获毒物。第四，理论计算证实，氧空位能降低反应中的关键能垒（如NO解离、N₂O分解），让反应路径更高效。

【数据速览】

图1. (A) 通过不同温度空气煅烧制备的一系列CeTiOx催化剂。(B) 氩气煅烧对OV形成的影响，用于增强SCR性能。(C) CQDs/Ce0.7Zr0.3O2粉末在真空下高温煅烧引入OVs。(D) 前驱体在不同氧浓度气氛下煅烧得到MnCe@MOF-C-O/A/N催化剂。

西安交通大学&西京学院 Coord. Chem. Rev. 综述：氧空位在氮氧化物选择性催化还原中的最新进展

图2. (A) Mn-CeO2催化剂和OVs-Mn-CeO2催化剂的示意图。(B) W-Cu-Ce催化剂与OVs制备的示意图。(C) 碳掺杂CeZrO2-x与OVs合成的示意图。

图3. (A) 通过NH3还原将OVs引入CeO2-NRs。(B) H2还原促进Pt/CeO2催化剂上OV形成的示意图。(C) 通过使用柠檬酸和乙二醇的化学还原将OVs引入Rh-Mn/CoAlOx催化剂。

图4. (A) 介质阻挡放电（DBD）等离子体处理促进Mn/ZSM-5催化剂中OVs的形成。(B) 使用N2和H2等离子体处理V-Ce-Ni/TiO2催化剂引入OVs。(C) NH3等离子体处理Fe-Ce/Al2O3催化剂引入OVs的合成示意图。

图5. (A) 通过控制酸预处理红泥催化剂调控OV浓度。(B) 超声处理诱导α-Fe2O3催化剂中OVs形成的示意图。(C) 使用球磨辅助氧化还原技术制备富含OVs的MnO2催化剂的示意图。

图6. 用于OV识别的原子尺度成像：(A) OR的HRTEM图像；(B) PL的HRTEM图像。(C) FR-CeO2的AC-HAADF-STEM图像和线剖面；(D) FR-CeO2-H2的AC-HAADF-STEM图像和线剖面；(E) FR-CeO2-H2的放大AC-HAADF-STEM图像；(F) G的放大图像；(G) FR-CeO2-H2的代表性原子模型，其中黄色球代表Ce原子，红色球代表O原子，虚线圈代表OVs。

图7. (A) CO预处理前后CuMn2O4的EPR谱。(B) 不同温度预处理的CuFe2O4催化剂的EPR谱。(C) MnCe/TNT、MnCe和MnCe/TiO2的LT (77 K) EPR谱。(D) RM催化剂的拉曼谱。(E) 3DOM Ce1-xFexO2催化剂的拉曼谱。(F) MW和OMW的Mn 2p3/2 XPS谱；(G) MW和OMW的O1s XPS谱。(H) Fe2O3/无定形SiO2催化剂的O1s XPS谱。(I) Co3O4、NiO和NiCo2O4的广角XRD图案。

图8. (A) 缺陷α-Fe2O3和α-Fe2O3的Fe K边X射线吸收近边结构（XANES）谱；(B) 缺陷α-Fe2O3和α-Fe2O3的R空间和(C) k空间。

图9. 层状水钠锰矿上低温NH₃-SCR的机理图。

图10. OVs调控硫酸盐沉积，从而在CoMn2O4、CoMn2O4/CeO2和CoMn2O4/CeTiOx催化剂上增强SCR过程中的SO2耐受性。（蓝色虚线圈：OV）。

图11. OVs增强准Mn-BTC催化剂的SO2耐受性。

图12. (A) OVs对CuFe2O4催化剂上中间步骤能量势垒的影响。(B) OV浓度对CO-SCR反应限速步骤的影响。(C) 两种催化剂上简化反应路径的能量变化图。（红线：Rh/CeCuOx-V，蓝线：Rh/CeCuOx。）

【总结与展望】

这篇综述系统阐述了氧空位工程在SCR催化剂中的研究进展。它不仅是构建与表征方法的“工具书”，更是阐释作用机理的“教科书”，揭示了氧空位通过调控电子结构、表面酸性和氧化还原性能来提升催化效率的内在逻辑。

同时，文章也指出了当前挑战：如何精准控制氧空位的类型与分布？如何在真实工况下追踪其动态演变？如何将实验室成果推向工业化？未来研究需结合先进原位表征与理论计算，甚至引入机器学习，以破解氧空位结构与性能之间的“黑箱”，最终设计出适应复杂工业环境的高效脱硝催化剂。

Ruiqian Jiao, Nan Zhang, Dandan Ma, Panpan Liu, Yueyang Yao, Xiangbo Feng, Kexin Lin, Jun Li, Yu Chen, Jian-Wen Shi . Coordination Chemistry Reviews 558 (2026) 217804

IF 23.5SCIEJCR Q1化学1区Top

https://doi.org/10.1016/j.ccr.2026.217804

编辑：李峙蓉 审核：张勇

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