北工大韓昌報團隊Green Energy Environ.綜述：錳基催化劑用于室內甲醛降解

一、【背景介紹】

隨著時代發展，室內甲醛（HCHO）等有機污染問題逐漸引起關注。我國《2019中國室內空氣污染狀況白皮書》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，高效地去除室內空氣中的甲醛等有機污染物，對實現人民日益增長的美好生活需求具有重要意義。在各種室內HCHO去除技術中，催化氧化以其降解效率高、限制條件少、有害副產物少等優點，被認為是目前最具潛力的技術。而由于錳氧化物（MnO_x）具有室溫催化活性高、成本低、穩定性好、環境友好等特點，被廣泛認為在催化氧化降解HCHO領域是一種極具前景的材料。

二、【成果簡介】

基于此，北京工業大學的韓昌報教授團隊與上海大學張久俊教授合作，在綠色能源與環境領域的新刊Green Energy & Environment上發表綜述：用于室內甲醛氧化降解的MnO_x基催化劑的研究進展。在該篇綜述在總結MnO_x催化劑研究現狀的內容中，考慮到負載型催化劑在實驗測試及實際應用上的差異性，作者根據載體材料的不同對其進行分類歸納并對每一分支進行了詳細討論。此外，該綜述創新性地總結和分析了基于3種經典理論模型（Mars-Van Krevelen mechanism（MVK）、Eley-Rideal （E-R）和Langmuir Hinshelwood（L-H））的HCHO催化氧化機制，并深刻地探討了目前已報道的MnO_x基催化劑的穩定性水平、失活及再生機理。進一步地，該工作首次總結了MnO_x基催化劑用于實際生活場景的最新成果，例如其與空氣凈化器及特朗伯墻的結合在催化氧化降解室內HCHO中的效率水平及技術難點。這一內容有助于研究人員進一步明確HCHO催化降解研究中存在的實際問題，并可能為無限縮小實驗室結果與實際應用之間的差距提供一些有趣的思路。在文章的最后，作者分析了開發用于室內HCHO催化降解的MnO_x基催化劑所面臨的問題與挑戰，并多角度地提出了解決思路及發展目標。以期望能為致力于有機污染物催化降解的研究人員提供一個較為全面的參考，并最終將以錳基催化HCHO降解為代表的催化氧化技術推向更為廣泛的商業化。

北京工業大學鄭嘉煜為第一作者，北京工業大學韓昌報教授和上海大學張久俊教授為共同通訊作者，將該綜述以“Advances of manganese-oxides-based catalysts for indoor formaldehyde removal”為題發表。

三、【圖文導讀】

圖1：（a）室內空氣中HCHO的來源；(b) 室內常見揮發性有機污染物的殘疾調整壽命年（DALY）因子；(c) 不同國家HCHO濃度及室內空氣中HCHO的限定指標值；(d) 中國新裝房屋室內HCHO濃度。

圖2：Web of Science數據庫中MnO_x基催化劑用于HCHO氧化去除的科學文獻發表量和被引量。

圖3：隧道結構α-MnO₂?(a0-a2)、β-MnO₂?(b0-b2)、γ-MnO₂?(c0-c2) 和層狀結構δ-MnO₂?(d0-d2)的示意圖和SEM 圖像。

圖4：1D-MnO₂、2D-MnO₂和3D-MnO₂的制備工藝、SEM圖像。

圖5：基于MVK模型MnO_x基催化劑對HCHO的催化氧化機理。

圖6：MnO_x基催化劑催化HCHO降解的穩定性水平測試。

圖7：MnO_x基催化劑用于室內空氣中HCHO的催化降解性能實測。

圖8：MnO_x催化劑與特朗勃墻結合用于空氣中HCHO的催化降解。

四、【總結和展望】

近年來，雖然MnO_x基催化劑在催化HCHO降解方面取得了很大的進展，但仍存在一些挑戰，其中室溫下催化效率低、催化劑失活現象嚴重、催化劑實測數據報道有限等是實現室內有害污染物HCHO高效降解的關鍵問題。基于此，引發我們對該領域材料研發及優化的幾點思考：（1）由于活性物質（MnO_x納米粒子）的團聚，粉末催化劑的實際測試效率總是低于其實驗室效率。因此，進一步開發基于高比表面積載體材料的負載型催化劑是一個潛在的研究方向。此外，具有高導電性、高化學穩定性、成本低等特點的載體材料或許可以在作為支撐提的前提下與MnO_x共同作用，提高催化劑活性。（2）有必要通過基于基本動力學模型的理論計算與實驗測試數據的深度結合來進一步闡明催化HCHO氧化的機理和反應途徑。并基于該理論基礎，通過了解各個反應階段的限速步驟、增加活性物質產量、調節缺陷設計一種在室溫下具有對HCHO高效去除效率的新型催化劑。（3）目前文獻報道的催化劑失活和再生機理的研究主要集中在中間產物體的積累這一方面，而關于催化HCHO氧化過程中催化劑本身表面形貌及相結構變化的討論較少。因此，可通過一些先進的原位分析儀器探索催化劑相變過程（例如原位環境TEM和催化動態監測技術）進一步闡明MnO_x基催化劑在催化過程中的變化規律，從而提高催化性能并抑制其失活現象。

本文由作者供稿。