韓昌報研究團隊在室內甲醛凈化方面取得的重要進展

背景介紹

隨著時代發展，室內甲醛（HCHO）污染問題逐漸引起關注。我國《室內空氣質量標準》規定室內甲醛濃度不超過0.1 mg/m³（?0.08 ppm）(GB/T18883-2002)為安全居住環境。然而，研究表明，大部分國家新裝修房屋普遍存在甲醛超標的現象，其超標的甲醛濃度普遍在0.1 ppm?10 ppm。《2019中國室內空氣污染狀況白皮書》同樣指出，裝修完成后3年內房屋的空氣質量不合格率達74%，而辦公室中更是高達90%。因此，如何高效、長效地將室內低濃度甲醛降低至國家標準(?0.08 ppm)以下，對實現人民日益增長的美好生活需要具有重要意義。針對室內甲醛污染問題，目前市場上的產品主要以活性炭吸附為主，其吸附飽和后容易再次釋放甲醛，形成二次污染；貴金屬催化劑成本高難以廣泛應用；目前常用的過渡金屬氧化物催化劑雖然性價比高，但壽命較低，尤其在室溫條件下對低濃度甲醛的催化氧化，很難快速降解到國家標準以下，因而不能滿足日常生活中高效和長效的室內凈化需要。

成果簡介

基于此，北京工業大學的韓昌報教授團隊以電輔助增強水熱法合成了一種具有同軸電纜結構的碳布負載MnO_x納米復合材料催化劑，通過調整材料制備工藝的參數進行了催化劑改性，實現了室內甲醛的高效催化降解。在靜態測試中，可使密閉艙內的HCHO濃度在25℃的條件下從7 ppm降低到0.074 ppm，已符合國家空氣質量安全標準。并且在室溫WHSV ~ 120000 mL/(g_MnOxh)的條件下，催化劑的去除率高達~97%，通過催化劑穩定性測試結果表明其在24小時內催化劑活性無明顯下降。該研究首次提出新型HCHO催化氧化的反應路徑，揭示MnO₂、Mn₂O₃和MnO等不同價態錳氧化物間的相互轉化過程對活性氧的生成和中間體的分解的重要作用。該工作不僅在工藝上實現MnO_x甲醛催化劑的高效合成，而且對催化機理提出新的見解，有助于深入理解室溫條件下HCHO等有機污染物的催化氧化降解機制，為解決實際生活中普遍存在的室內甲醛污染問題、實現除醛催化劑的大規模商業應用提供了新的思路。

該研究成果第一作者為鄭嘉煜博士和趙文康碩士，韓昌報教授和宋雪梅副教授為共同通訊作者，成果以“Electric-enhanced hydrothermal synthesis of manganese dioxide for the synergistic catalytic of indoor low-concentration formaldehyde at room temperature”為題發表在國際期刊Chemical Engineering Journal上。韓昌報教授團隊長期從事能源收集及其在環境應用方面的研究，在Advanced Materials、Nano Energy等國際期刊上發表學術論文50余篇，授權專利28項，部分成果已產業化。

圖文導讀

??圖1：(a) MnO_x-CC復合材料制備過程示意圖；(b) MnO_x-CC纖維形成機理示意圖。

圖2：(a)未經處理的碳布原材料的SEM圖像；(b-d) MnO_x-CC-15V樣品的SEM圖像及相應的高倍放大圖像；(e-h)不同電壓下制備的MnO_x-CC催化劑的SEM圖像?(e) 5V, (f) 10V,?(g) 15V,?(h) 20V；(i) MnO_x-CC的FE-SEM圖像和(j) C,?(k) O,?(l) Mn的能量色散X射線映像圖。

圖3：(a) HCHO的濃度變化和(b)不同樣品對HCHO對的去除效率(靜態效率)隨反應時間的變化關系;?(c)不同輸入電壓下制備的MnO_x-CC的HCHO去除率(動態測試);?(d)循環試驗中MnO_x-CC-15V的HCHO濃度(動態測試)與反應時間的關系。(C₀: 7ppm，溫度:~25℃, RH: 45%， WHSV: 120,000 mL/(g_MnOxh))

圖4：本文提出的錳氧化物納米催化劑催化氧化HCHO的途徑。

總結和展望

本文通過電輔助增強水熱合成工藝成功制備了一種具有典型同軸電纜結構的碳布負載MnO_x催化劑 (MnO_x-CC)。MnO_x-CC是由納米薄片的花朵狀MnO_x納米顆粒組裝而成的，與無電增強制備得到的樣品相比，其具有更大的比表面積。考慮到這可能是因為水熱過程中的電場可以加快反應速率，使載體的負載量提高10倍左右。15 V的輸入電壓下制備得到的MnO_x-CC在催化氧化HCHO的過程中顯示出最佳性能，可以將HCHO濃度從7 ppm降低至0.074 ppm（低于國際甲醛標準指導值0.08 ppm）,并且在動態測試過程中可達到97%的去除效率 (WHSV ~ 120000 mL/ (g_MnOxh))。此外，根據近些年的相關報道及實驗結果，本團隊提出了HCHO催化氧化的反應路徑及MnO_x的變化過程，以揭示MnO₂、Mn₂O₃和MnO等不同價態錳氧化物間的相互轉化過程對活性氧生成和中間體分解的重要作用。該工作不僅在工藝上實現MnO_x甲醛催化劑的高效合成，而且對催化機理提出新的見解，有助于深入理解室溫條件下HCHO等有機污染物的催化氧化降解機制，為解決實際生活中普遍存在的室內甲醛污染問題、實現除醛催化劑的大規模商業應用提供了新的思路。

本文由北京工業大學的韓昌報教授團隊供稿。