北工大韩昌报团队Green Energy Environ.综述：锰基催化剂用于室内甲醛降解

一、【背景介绍】

随着时代发展，室内甲醛（HCHO）等有机污染问题逐渐引起关注。我国《2019中国室内空气污染状况白皮书》指出，装修完成后3年内房屋的空气质量不合格率达74%，而办公室中更是高达90%。因此，高效地去除室内空气中的甲醛等有机污染物，对实现人民日益增长的美好生活需求具有重要意义。在各种室内HCHO去除技术中，催化氧化以其降解效率高、限制条件少、有害副产物少等优点，被认为是目前最具潜力的技术。而由于锰氧化物（MnO_x）具有室温催化活性高、成本低、稳定性好、环境友好等特点，被广泛认为在催化氧化降解HCHO领域是一种极具前景的材料。

二、【成果简介】

基于此，北京工业大学的韩昌报教授团队与上海大学张久俊教授合作，在绿色能源与环境领域的新刊Green Energy & Environment上发表综述：用于室内甲醛氧化降解的MnO_x基催化剂的研究进展。在该篇综述在总结MnO_x催化剂研究现状的内容中，考虑到负载型催化剂在实验测试及实际应用上的差异性，作者根据载体材料的不同对其进行分类归纳并对每一分支进行了详细讨论。此外，该综述创新性地总结和分析了基于3种经典理论模型（Mars-Van Krevelen mechanism（MVK）、Eley-Rideal （E-R）和Langmuir Hinshelwood（L-H））的HCHO催化氧化机制，并深刻地探讨了目前已报道的MnO_x基催化剂的稳定性水平、失活及再生机理。进一步地，该工作首次总结了MnO_x基催化剂用于实际生活场景的最新成果，例如其与空气净化器及特朗伯墙的结合在催化氧化降解室内HCHO中的效率水平及技术难点。这一内容有助于研究人员进一步明确HCHO催化降解研究中存在的实际问题，并可能为无限缩小实验室结果与实际应用之间的差距提供一些有趣的思路。在文章的最后，作者分析了开发用于室内HCHO催化降解的MnO_x基催化剂所面临的问题与挑战，并多角度地提出了解决思路及发展目标。以期望能为致力于有机污染物催化降解的研究人员提供一个较为全面的参考，并最终将以锰基催化HCHO降解为代表的催化氧化技术推向更为广泛的商业化。

北京工业大学郑嘉煜为第一作者，北京工业大学韩昌报教授和上海大学张久俊教授为共同通讯作者，将该综述以“Advances of manganese-oxides-based catalysts for indoor formaldehyde removal”为题发表。

三、【图文导读】

图1：（a）室内空气中HCHO的来源；(b) 室内常见挥发性有机污染物的残疾调整寿命年（DALY）因子；(c) 不同国家HCHO浓度及室内空气中HCHO的限定指标值；(d) 中国新装房屋室内HCHO浓度。

图2：Web of Science数据库中MnO_x基催化剂用于HCHO氧化去除的科学文献发表量和被引量。

图3：隧道结构α-MnO₂(a0-a2)、β-MnO₂(b0-b2)、γ-MnO₂(c0-c2) 和层状结构δ-MnO₂(d0-d2)的示意图和SEM 图像。

图4：1D-MnO₂、2D-MnO₂和3D-MnO₂的制备工艺、SEM图像。

图5：基于MVK模型MnO_x基催化剂对HCHO的催化氧化机理。

图6：MnO_x基催化剂催化HCHO降解的稳定性水平测试。

图7：MnO_x基催化剂用于室内空气中HCHO的催化降解性能实测。

图8：MnO_x催化剂与特朗勃墙结合用于空气中HCHO的催化降解。

四、【总结和展望】

近年来，虽然MnO_x基催化剂在催化HCHO降解方面取得了很大的进展，但仍存在一些挑战，其中室温下催化效率低、催化剂失活现象严重、催化剂实测数据报道有限等是实现室内有害污染物HCHO高效降解的关键问题。基于此，引发我们对该领域材料研发及优化的几点思考：（1）由于活性物质（MnO_x纳米粒子）的团聚，粉末催化剂的实际测试效率总是低于其实验室效率。因此，进一步开发基于高比表面积载体材料的负载型催化剂是一个潜在的研究方向。此外，具有高导电性、高化学稳定性、成本低等特点的载体材料或许可以在作为支撑提的前提下与MnO_x共同作用，提高催化剂活性。（2）有必要通过基于基本动力学模型的理论计算与实验测试数据的深度结合来进一步阐明催化HCHO氧化的机理和反应途径。并基于该理论基础，通过了解各个反应阶段的限速步骤、增加活性物质产量、调节缺陷设计一种在室温下具有对HCHO高效去除效率的新型催化剂。（3）目前文献报道的催化剂失活和再生机理的研究主要集中在中间产物体的积累这一方面，而关于催化HCHO氧化过程中催化剂本身表面形貌及相结构变化的讨论较少。因此，可通过一些先进的原位分析仪器探索催化剂相变过程（例如原位环境TEM和催化动态监测技术）进一步阐明MnO_x基催化剂在催化过程中的变化规律，从而提高催化性能并抑制其失活现象。

本文由作者供稿。