南開(kāi)團(tuán)隊(duì)在臭氧污染物的超低溫治理領(lǐng)域取得新進(jìn)展

     南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院王衛(wèi)超教授課題組面向國(guó)家臭氧污染嚴(yán)峻形勢(shì)以及“雙碳”戰(zhàn)略重大戰(zhàn)略需求，首次在三元氧化物催化劑莫來(lái)石YMn2O5上實(shí)現(xiàn)無(wú)能耗超低溫(-40 oC-室溫)臭氧分解。該成果的推廣應(yīng)用將為目前新型大氣污染物臭氧在超低溫環(huán)境下的降解提供有力的技術(shù)支撐，并在商業(yè)航空等領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

     介紹該工作的論文日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Environmental Science & Technology上：“首次在三元氧化物催化劑莫來(lái)石YMn 2 O 5上實(shí)現(xiàn)無(wú)能耗超低溫臭氧分解。YMn 2 O 5氧化物在-40 °C 的低溫下催化臭氧分解，轉(zhuǎn)化率為29%（反應(yīng)速率：1534.2 μmol g^-1·h^-1）并迅速達(dá)到100%（5459.5 μmol g^-1·h^-1）當(dāng)升溫至 -5 °C 時(shí)。優(yōu)于 YMn 2 O 5的低溫性能可以超過(guò)已報(bào)道的臭氧分解催化劑。結(jié)構(gòu)和元素價(jià)態(tài)表征證實(shí)了YMn 2 O 5室溫反應(yīng) 100 h 后保持不變，表明催化劑具有優(yōu)異的耐久性。O 2 -TPD（O 2 -程序升溫脫附）表明活性位點(diǎn)是Mn 3+位點(diǎn)與表面上的單配位氧鍵合。結(jié)合原位拉曼測(cè)量和密度泛函理論計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)YMn 2 O 5上的臭氧分解反應(yīng)的勢(shì)壘僅為0.29 eV，遵循Eley-Rideal（E-R）機(jī)制，限速步驟為中間體 O 2 2–解吸。低勢(shì)壘很大限度地減少中間產(chǎn)物的積累，實(shí)現(xiàn)快速O 3即使在超低溫下也會(huì)分解。從根本上說(shuō)，低對(duì)稱(chēng)三元氧化物中適度的 Mn-O 鍵合強(qiáng)度對(duì)于在表面上產(chǎn)生單配位活性物質(zhì)至關(guān)重要，這些活性物質(zhì)負(fù)責(zé)在低溫下有效地降解臭氧。”

　　隨著我國(guó)“十四五”規(guī)劃將大氣污染控制的重點(diǎn)從PM2.5轉(zhuǎn)向VOCs和O3，開(kāi)發(fā)零能耗分解O3的催化劑至關(guān)重要。目前廣泛研究的催化材料無(wú)法滿(mǎn)足極低溫環(huán)境下（-40oC——室溫）的催化需求。因此，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足國(guó)家“雙碳”要求的復(fù)雜環(huán)境下零能耗分解臭氧的催化劑具有重要的環(huán)境意義與科學(xué)價(jià)值。

       研究表明，得益于莫來(lái)石獨(dú)特的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和表面適宜的Mn-O鍵結(jié)合強(qiáng)度，YMn2O5可以在極低的過(guò)渡態(tài)勢(shì)壘（0.29 eV）下將臭氧高效分解為氧氣，并能在高濃度（120 ppm）、高空速（600,000 mL·g^-1·h^-1）、超低溫（-40oC-室溫）、高濕度（RH=90%）環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間（100h）保持穩(wěn)定。

　　圖1.YMn2O5高效催化高濃度臭氧分解為氧氣，并能在超低溫（a）及高濕度（b,c）環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。（120ppm O3/Air，質(zhì)量空速WHSV=600,000mL·g-1·h-1，RH：相對(duì)濕度）

　　圖2.（a）莫來(lái)石單胞，（b）合成粉末電鏡圖以及（c）基于莫來(lái)石催化材料的部分工業(yè)產(chǎn)品

　　從2019年開(kāi)始，基于莫來(lái)石催化材料，王衛(wèi)超教授課題組布局了臭氧的零能耗分解方向。目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該材料的宏量制備，可滿(mǎn)足各類(lèi)工業(yè)應(yīng)用需求。期待在“雙碳”背景下，莫來(lái)石催化劑能夠?qū)δ壳按髿馕廴疚锍粞醯慕到馓峁┍匾募夹g(shù)支撐。

　　論文第一作者為南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院博士生萬(wàn)翔和王麗靜，王衛(wèi)超教授為通訊作者，南開(kāi)大學(xué)為第一完成單位。

　　該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委，深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)，移動(dòng)源排放控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家環(huán)境保護(hù)惡臭污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市杰出青年學(xué)者基金的資助。