氧空位是一個典型的陰離子缺陷，對錶面催化反應起著非常重要的作用。特別是在光/電催化領域，氧空位能夠作為電子捕獲位點調控表面吸附質的配位結構和電子態，從而促進表面活性氧物種的形成，極大增強光/電催化活性。然而，在熱催化領域，研究氧空位對於催化反應的作用還比較少，機制也還不明確。那麼，有沒有可能通過氧空位來調控增強熱催化性能呢？最近，華中師範大學郭彥炳教授團隊通過簡單的溶液還原法在鈣鈦礦氧化物催化劑表面構建了大量的氧空位，闡明瞭氧空位對於活性氧物種的形成以及熱催化反應性能的促進作用。
鈣鈦礦氧化物由於其低成本、高的水熱穩定性以及抗中毒性被認為是極具前景的貴金屬替代催化劑。近年來，研究者們已經開展大量的研究工作（如A/B位取代摻雜策略）來提高鈣鈦礦催化劑的內在活性。然而，其低溫氧化活性仍然低於商業化的Pt/Pd催化劑，因此亟需開發高活性的鈣鈦礦低溫氧化催化劑。
結構調控以及表面性質調控是提高催化劑催化性能的兩種有效手段。近年來，鈣鈦礦有序微/納結構的構建，如納米線/納米棒陣列、有序介孔/有序大孔等，極大的增大了催化劑的比表面積促進了反應質量傳輸性質，從而有效地增強了鈣鈦礦催化劑的催化性能。另一方面，鈣鈦礦的表面性質能夠調控表面活性氧物種的反應性，這對催化反應效率至關重要。由此，華中師範大學郭彥炳教授團隊設想：是否可以藉助氧空位對於表面氧物種的調控作用來提高鈣鈦礦催化劑的催化氧化性能？是否可以通過鈣鈦礦氧化物表面氧空位的合理構築來系統研究鈣鈦礦氧化物表面主要活性氧物種及其與氧空位之間的構效關係？
他們通過原位溶液自組裝及NaBH4還原法成功合成了表面氧空位富集的有序大孔鈣鈦礦La0.8Sr0.2CoO3（Vo-OM LSCO）整體催化劑。活性評價的結果也證實了Vo-OM LSCO表現出優於原始有序大孔La0.8Sr0.2CoO3（OM LSCO）催化劑的CO氧化活性，同時也能保持一定的催化穩定性。他們認為，Vo-OM LSCO增強的催化活性一方面是由於獨特的大孔結構提高了有效的傳質過程，另一方面是由於表面豐富的氧空位促使產生了更多的活性氧物種。
接著，進一步的實驗以及理論研究證明了單氧負離子（O-）是鈣鈦礦氧化物表面最主要的活性氧物種。同時，他們也發現，分子氧更容易在氧空位處吸附並通過一個電子的轉移過程活化形成O-，大量活化的O-在CO氧化過程中起著至關重要的作用。此外，催化反應路徑的密度泛函理論（DFT）模擬計算表明，氧空位的產生能夠促使CO的氧化過程從Eley–Rideal（E-R）機制轉換為能壘更低的Langmuir-Hinshelwood（L-H）機制進行。因此，有效的傳質與表面大量活化的O-使得Vo-OM LSCO整體催化劑表現出了優越的CO催化氧化性能。這項研究首次闡釋了鈣鈦礦表面最主要的活性氧物種以及其來源，也證實了氧空位能夠調控增強熱催化性能，同時本文中氧空位構建活化策略為高性能非均相催化劑的設計開發提供了一個有效的方法。
這一成果近期發表在ACS Catalysis 上，文章的第一作者是華中師範大學化學學院博士研究生楊吉，通訊作者為華中師範大學化學學院郭彥炳教授。