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氧氣參與的氧化反應在工業生產中廣泛存在，用氧氣作為氧化劑的反應不僅成本低，而且綠色環保。如烯烴的環氧化、一氧化碳氧化、醇氧化、烷烴的氧化等反應都是工業生產中極為重要的反應。

目前采用氧氣作為氧化劑的工業生產條件都比較苛刻，如高溫高壓等，這主要是因為常規條件下氧氣的活化還比較困難。為了解決氧化活化的問題，人們不僅嘗試了很多類型的催化劑，而且還對催化劑的結構進行了深入的研究。

2009年，申文杰課題組在Nature報道了一種以{110}為主要裸露晶面的Co₃O₄納米線，發現這樣的Co₃O₄納米線不僅能在低溫下實現CO的完全氧化，而且還能在水汽存在下穩定。

圖1. Co₃O₄表面結構控制

X.Xie; Y. Li; Z.-Q. Liu; M. Haruta; W. Shen. Low-temperature oxidation of COcatalysed by Co₃O₄ nanorods. Nature, 2009, 458: 746-749.

系統的結構分析發現，當Co₃O₄納米線以{110}裸露時表面會存在豐富的Co³⁺活性位點，而Co³⁺可以吸附CO。吸附上的CO可以與鄰位O（與周圍三個Co³⁺配位）發生反應生成CO₂，并把Co³⁺還原成Co²⁺，生成的Co²⁺又可以用于O₂的活化。

因此，控制氧化的表面結構對調節氧化物的反應性能是極為重要的。

圖2. Co₃O₄氧化性能

表面結構對氧氣的活化不僅僅表現在氧化物上，在金屬表面上也存在表面結構效應。

2010年， Cuenya 課題組發現，用Al₂O₃負載Pt納米顆粒在2-丙醇的氧化中，不同形貌的納米顆粒，催化活性明顯不同。且隨著Pt表面不飽和配位原子數的增多，反應的觸發溫度降低。

圖3. 不同形貌的Pt納米顆粒催化2-丙醇氧化的性能以及Pt納米顆粒表面原子不飽和配位數與反應溫度的關系。

Mostafa,S.; Behafarid, F.; Croy, J. R.; Ono, L. K.; Li, L.; Yang, J. C.; Frenkel, A.I.; Cuenya, B. R., Shape-Dependent Catalytic Properties of Pt Nanoparticles. J.Am. Chem. Soc. 2010, 132, 15714-15719.

2013年，Cuenya課題組的進一步研究發現，不同形貌的Pt納米顆粒在催化2-丁醇的氧化時也表現出明顯不同的催化活性。在催化2-丁醇的反應中，表面原子的不飽和配位程度越高，催化反應的活性越差。

研究表明，主要原因是表面原子不飽和程度越高，越容易在Pt納米顆粒表面形成PtO_x氧化物，阻礙了2-丁醇與Pt⁰接觸并發生氧化反應，所以需要更高的反應溫度來促使PtO_x分解，釋放出Pt⁰。

圖4. Pt納米晶的表面控制提高催化氧化性能

H.Mistry; F. Behafarid; E. Zhou; L. K. Ono; L. Zhang; B. Roldan Cuenya.Shape-Dependent Catalytic Oxidation of 2-Butanol over Pt Nanoparticles Supported on γ-Al2O3. ACS Catal., 2013, 4: 109-115.

2006年，李亞棟課題組研究發現，對于用不同形貌Ag納米顆粒催化苯乙烯氧化的反應，Ag納米立方塊的活性是截角的Ag三角片的14倍，是球形Ag納米顆粒的4倍。

圖5. Ag納米顆粒的形貌影響催化活性

Xu,R.; Wang, D.; Zhang, J.; Li, Y., Shape-dependent catalytic activity of silvernanoparticles for the oxidation of styrene. Chemistry, an Asian journal 2006, 1,888-893.

相類似的結果在Ag納米顆粒催化乙烯的環氧化的反應中也體現出來。2008年，Suljo Linic 等人研究發現，{100}面暴露的Ag五棱柱的納米線對環氧乙烷的選擇性比主要是{111}面暴露的Ag球形納米顆粒要好。DFT計算表明這是因為在Ag{100}面上產生環氧乙烷的能壘更低造成的。

圖6. Ag納米顆粒晶面效應

Christopher,P.; Linic, S., Engineering Selectivity in Heterogeneous Catalysis: Ag Nanowiresas Selective Ethylene Epoxidation Catalysts. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11264-11265.

所以，針對不同的反應類型，控制催化劑的表面結構能有效地提高催化劑的催化性能，達到高效節能的目的。