从工程应用角度来看，工业VOCs中的水蒸气会因竞争VOCs吸附位点或使活性位点中毒导致催化性能显著下降。因此，如何提高催化剂的抗水性能成为VOCs工业治理中关键技术难题之一。更进一步地，若能实现水分子在催化剂表面解离/活化形成活性羟基氧物种参与VOCs催化氧化过程，将水蒸气抑制作用转变为促进作用，是改善催化剂抗水性能和低温活性的一种有效方案，其也更具有市场竞争力和应用前景。另一方面，从水活化机理来看，水活化过程涉及催化剂活性中心（氧空位）与水分子间电子转移，揭示氧空位配位环境与水活化之间内在机制可为开发兼具良好低温活性和抗水性能催化剂提供新思路和理论支撑。
基于上述思考和相关的工程实践，课题组通过调控氧空位对称性实现对氧空位配位环境的调控，并系统研究了氧空位对称性对水活化的影响机制。结果表明：MnO2-AsOv中的非对称氧空位（AsOv，B-Ov-Mn）促进了水分子向催化剂表面的电子转移过程，促使吸附在氧空位上的水分子中的O-H键变长。这些特性降低了水分子的解离能垒，加速了O-H键断裂形成活性羟基氧物种，因而提高了潮湿条件下甲苯催化活性。相反，MnO2-SOv中的对称性氧空位（SOv, Mn-Ov-Mn）由于水分子与催化剂之间电子转移困难，水分子的解离能垒高，导致了H2O与反应物（VOCs和O2）形成竞争吸附，因而抑制了潮湿条件下甲苯催化活性。总之，上述研究揭示了氧空位对称性控制的水分子活化机理，可为开发更高活性与抗水性能的MnO2基催化剂提供了理论指导与全新的解决方案。
该研究以“Oxygen vacancy symmetry governs opposite toluene combustion performance under humid conditions: Insights into the role of H2O activation”为题，已在线发表于环境领域的知名学术期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上(https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124926)。课题组博士生王昕为论文第一作者，通讯作者为南京大学吕路教授，共同作者为课题组黄前霖博士、吴文苏、张炜铭教授和潘丙才教授。研究得到了国家科技重大专项和博士后基金等项目的资助。
图1氧空位对称性控制的水分子活化及催化氧化甲苯机理图