随着全球能源需求的增长，化石燃料的消耗量也在增加，随之而来的是二氧化碳等温室气体及其他污染物的持续排放[1],[2],[3]。除了捕集污染物或将它们转化为高附加值产品外，开发和使用更清洁的能源也是至关重要的解决方案[4],[5]。与煤炭和石油相比，天然气是一种更优的化石燃料，因为其主要成分甲烷（CH4）具有较高的热值，并且比其他碳氢燃料排放的CO2更少[6],[7]。然而，天然气燃烧过程中未燃烧的CH4所造成的全球变暖潜力是CO2的20多倍，占全球温室气体排放总量的约19%[8],[9]。因此，许多研究致力于开发新的技术来抑制CH4的排放。在各种CH4氧化方法中，催化燃烧备受青睐，因为该反应仅产生水蒸气和二氧化碳，从而最大限度地减少了NOx、CO和未燃烧碳氢化合物等有害物质的排放。在催化燃烧过程中，高活性的催化剂对于提高CH4氧化效率和降低系统运行温度至关重要。
为了开发高活性的CH4氧化催化剂，需要选择合适的活化剂和促进剂。在催化燃烧过程中，CH4通常通过催化剂表面发生的氧化反应转化为CO2和H2O。因此，氧的释放与储存能力以及晶格中的氧迁移性是选择适合低温下高效CH4氧化促进剂的关键因素。在众多促进剂中，Ruddlesden–Popper（RP）型钙钛矿氧化物Sr3Fe2O7-δ是低温下开发高效CH4氧化催化剂的有效促进剂。Sr3Fe2O7-δ具有由两层钙钛矿和一层SrO岩盐组成的二维层状结构，表现出优异的氧储存能力和晶格氧迁移性[10],[11],[12],[13],[14],[15]。此外，PdO由于其高效的CH4氧化活性而被广泛用作CH4氧化催化剂中的活化剂[16],[17],[18],[19],[20]。基于此，在之前的研究中，我们成功合成了PdO/Sr3Fe2O7-δ/α-Al2O3催化剂，该催化剂在300°C的低温下仍能实现高CH4氧化效率[21]。
催化剂在温室气体氧化系统中通常大量使用；然而，Pd金属的高成本和稀缺性给大规模应用带来了挑战。因此，在本研究中，我们专注于使用尖晶石结构的CoMn2O4作为替代昂贵金属的CH4氧化催化剂活化剂。尖晶石结构通常具有AB2O4的形式，其中A位点由四价阳离子占据，B位点由三价阳离子占据。尖晶石结构材料在室温下表现出较高的氧迁移性，并且由于M3+和M2+的快速氧化还原循环，容易形成氧空位（Ov），使其成为理想的催化剂材料[22],[23],[24],[25]。这些结构特性在甲烷燃烧反应中起着关键作用，因为尖晶石结构材料在促进甲烷氧化方面具有很高的反应性，显示出作为贵金属催化剂替代品的巨大潜力[22]。如表S1所示，尖晶石结构过渡金属氧化物在甲烷氧化性能上优于无贵金属的立方氧化物或钙钛矿氧化物，可在500°C以下实现甲烷的完全氧化。尽管对基于贵金属的催化剂（如PdO）在甲烷氧化方面的研究较多，但对于非贵金属尖晶石-钙钛矿复合系统在低温下的性能和协同效应仍缺乏了解。迄今为止报道的大多数尖晶石结构氧化物催化剂都是作为独立催化剂使用的。尽管也有将尖晶石结构氧化物与CeO2、沸石和钙钛矿结构氧化物等促进剂结合使用的案例，但相关研究较少，且这些系统的甲烷氧化活性相对较低（见表S1）。
本研究旨在通过共沉淀法制备并表征CoMn2O4/Sr3Fe2O7-δ/α-Al2O3催化剂，以填补这一研究空白，并阐明决定其甲烷氧化活性的结构和氧化还原机制。CoMn2O4/Sr3Fe2O7-δ/α-Al2O3催化剂的详细反应机制见补充材料，CH4氧化机制的示意图见图S1。在CoMn2O4/Sr3Fe2O7-δ/α-Al2O3催化剂中，RP型钙钛矿促进剂（Sr3Fe2O7-δ）可以向尖晶石结构的CoMn2O4提供晶格氧，从而通过促进Co和Mn金属的氧化还原循环来提高甲烷氧化性能。此外，通过γ-Al2O3前驱体相变形成的α-Al2O3基底不仅保持了足够的比表面积，还提供了结构稳定性，进一步提升了催化性能。
