本工作围绕SrTiO₃催化剂催化活性较低、表面氧物种循环调控机制尚不明确的问题，系统研究了晶面结构和氧空位分布对氧物种循环及OCM反应的影响，揭示了表面氧物种演变与催化性能之间的关联，并通过掺杂策略实现了催化活性的提升。研究首先采用密度泛函理论（DFT）计算，研究了不同晶面上氧物种的演变及其对OCM反应的影响。结果发现，SrTiO₃(100)-Ti晶面具有适宜的氧空位形成能力，能够形成可持续再生的氧物种循环，兼顾CH₄活化与CH₃脱附，是最有利于OCM反应的晶面。在此基础上，结合动力学蒙特卡洛（kMC）模拟，进一步揭示了氧空位空间分布对两条竞争性Mars–van Krevelen（MvK）循环路径的调控作用，并引入局部氧化学势（μ_O）作为热力学描述符，建立了氧物种稳定性与CH₄活化能力之间的关联。kMC模拟表明，在典型OCM反应条件下，过氧物种介导的间接MvK循环占据动力学主导地位，但晶格氧较低的μ_O以及惰性羟基物种的积累限制了催化剂的整体活性。针对这一问题，进一步采用B位La掺杂策略调节μ_O，有效提高了晶格氧的活性并促进了惰性羟基物种的转化，使O^2-的μ_O由-9.12 eV提高至-6.57 eV，进而将1073.15 K下CH₄的周转频率（TOF）由4.79×10^-1 s^-1提高至2.40 s^-1。本研究揭示了氧空位分布与局部氧化学势对钙钛矿氧化物催化性能的调控作用，为高活性OCM催化剂的理性设计提供了新的思路。

文章标题：Oxygen Vacancy Distribution as a Structural Switch for Oxygen Cycling: A Local Oxygen Chemical Potential Descriptor for Methane Oxidative Coupling on SrTiO₃

期刊：ACS Catalysis

通讯作者：王宝俊，凌丽霞

第一作者：高笑

文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.6c05773

资助：国家重点研发计划（2021YFA1502804）、国家自然科学联合基金重点支持项目（U22A20430）、山西浙大新材料与化工研究院（2022SX-FR001）、国家自然科学青年基金（22408261）、山西省基础研究计划（自由探索类）（202203021212201）