当前我国大气污染呈现细颗粒物（PM_2.5）和臭氧（O₃）为特征的复合型污染，作为主要前体物之一的挥发性有机化合物（Volatile organic compounds, VOCs）成为我国大气污染防治关键，其排放及污染控制势在必行。郭利民教授2016年1月入职我院以来，一直致力于吸附/催化剂制备及VOCs吸附/催化燃烧消除。在沸石分子筛基吸附/催化剂、金属氧化物催化剂制备及其用于VOCs吸附/催化燃烧方面取得了一定研究进展。

² 多级孔沸石分子筛促进活性组分分散和VOCs吸附

多级孔沸石分子筛兼具分子筛规整的微孔结构、大的比表面积、良好的水热稳定性、可调的表面性质和介孔及大孔材料的良好传质，作为VOCs治理用吸附剂/催化剂载体团队开展了系列研究。如：开发Ru/m-HZ(x)系列催化剂用于苯系物VOCs吸附浓缩/脱附催化燃烧循环脱除（Microporous and Mesoporous Materials, 2018, 258, 17）；开发Pt/mZSM-5-DX系列吸附/催化剂，对甲苯具有良好吸附容量、催化活性和稳定性（Microporous and Mesoporous Materials, 2020, 296, 109802）；开展纯Si、掺Ti和Al纳米沸石制备及其用于苯系物吸附性能及动力学评价（Microporous and Mesoporous Materials, 2020, 302, 110204）；巯基（-SH）改性纳米沸石，实现高分散性负载Pt纳米沸石催化剂制备，所制备催化剂具有良好甲苯催化燃烧活性、抗水性和催化稳定性（Microporous and Mesoporous Materials, 2020, https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2020.110292）。

 图.负载Pt分子筛催化剂的XRD (A)、氮气吸/脱附曲线及孔径分布图(B)和 Pt-ZSM-5-OS样品的SEM图(C)

图.甲苯在负载Pt分子筛上的催化燃烧活性曲线(A，RH=0)；Pt-ZSM-5-OS样品在不同湿度条件下的催化活性曲线(B)和Pt-ZSM-5-OS样品的催化稳定性曲线(C)。(催化性能测试条件：1000 ppm甲苯，20vol.%O₂/N₂, GHSV = 120,000mL/(g·h))

² 锰基金属氧化物催化剂及其VOCs催化燃烧性能

近年来过渡金属氧化物催化剂（Fe、Cu、Ce、V、Cr、Mn、Co、Ni等金属氧化物或复合氧化物）由于对VOCs的良好催化活性、抗氯中毒能力和来源广泛及价格相对低廉而备受关注，但是寻找、设计对VOCs具有更高活性、高稳定性（耐氯、二氧化硫等中毒失活）、高选择性（抑制副产物尤其是多氯副产物的生成）、VOCs广谱催化活性的催化剂仍然是研究重点。2017年起，团队基于水溶液中过渡金属/金属含氧酸根离子之间氧化还原反应沉淀（Redox-precipitation）来制备过渡金属或复合金属氧化物催化剂，其对应氧化还原的半反应如下：

MnO₄^- + 3e^- + 2H₂O → MnO₂(↓) + 4OH^-        R1

Mn²⁺ + 4OH^- → MnO₂(↓) + 2e^- + 2H₂O         R2

3Co²⁺ + 8OH^- → Co₃O₄(↓) + 2e^- + 4H₂O        R3

2Fe²⁺ + 6OH^- → Fe₂O₃(↓) + 2e^- + 3H₂O         R4

Cu⁺ + 2OH^- → CuO(↓) + e^- + H₂O                  R5

Ce³⁺ + 4OH^- → CeO₂(↓) + e^- + 2H₂O             R6

通过溶液反应条件的控制和合理调节上述反应，课题组成功制备了多种锰基复合金属氧化物催化剂，相对于共沉淀法受金属难溶盐不同溶解度积所限，基于上述氧化还原反应沉淀合成的锰基复合金属氧化物具有更均匀的金属组分分散性，所制备的锰基复合金属氧化物催化剂在VOCs催化燃烧反应中展现出更好的协同催化效应。已经系统制备与评价的锰基复合金属氧化物包括MnO₂、CoMn_xO_y （Catalysis Science & Technology, 2018, 8, 459）、FeMn_xO_y （ACS Applied Nano Materials, 2018, 1, 1066), CuMn_xO_y （Chemical Engineering Journal,2019, 357, 258（ESI高被引论文））和CeMn_xO_y （Molecular Catalysis, 2018, 459, 61）。

图.甲苯和氯苯在CeMn_xO_y系列催化剂上的催化燃烧活性曲线(A，催化性能测试条件：500ppm甲苯或氯苯，20vol.%O₂/1.6wt.%H₂O /N₂, GHSV = 40,000mL/(g·h))；甲苯和氯苯在CM-S和CM-R催化剂上随催化燃烧反应时间的转换率变化曲线(B，催化性能测试条件：500ppm甲苯或氯苯，20vol.%O₂/1.6wt.%H₂O /N₂, GHSV = 40,000mL/(g·h)，其中甲苯反应温度为220 ^oC，氯苯的反应温度为300 ^oC)；甲苯和氯苯共同在CM-S、CM-P和CM-R催化剂上催化燃烧反应的转换率曲线(C，催化性能测试条件：500 ppm甲苯或氯苯，20vol.%O₂/1.6wt.%H₂O /N₂, GHSV = 40,000mL/(g·h))

图.甲苯(A,B)和氯苯(C)在CM-S样品上随时间变化的原位漫反射红外光谱

图. 甲苯(A)和氯苯(B)在CM-S和CM-R样品上催化燃烧分解机理示意图

研究先后获得国家重点研发计划政府间科技创新合作重点专项“基于二维纳米片的环境催化剂构筑与性能研究”（2017YFE0127400）和湖北省自然科学基金-杰出青年人才项目“环境催化应用基础研究”（2019CFA070）等项目支持，研究团队将继续在基于吸附/催化燃烧控制VOCs方向开展深入研究。