南開團隊在臭氧污染物的超低溫治理領(lǐng)域取得新進展

     南開大學電子信息與光學工程學院王衛(wèi)超教授課題組面向國家臭氧污染嚴峻形勢以及“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石YMn2O5上實現(xiàn)無能耗超低溫(-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)表于國際學術(shù)期刊Environmental Science & Technology上：“首次在三元氧化物催化劑莫來石YMn 2 O 5上實現(xiàn)無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）并迅速達到100%（5459.5 μmol g^-1·h^-1）當升溫至 -5 °C 時。優(yōu)于 YMn 2 O 5的低溫性能可以超過已報道的臭氧分解催化劑。結(jié)構(gòu)和元素價態(tài)表征證實了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）表明活性位點是Mn 3+位點與表面上的單配位氧鍵合。結(jié)合原位拉曼測量和密度泛函理論計算，我們發(fā)現(xiàn)YMn 2 O 5上的臭氧分解反應(yīng)的勢壘僅為0.29 eV，遵循Eley-Rideal（E-R）機制，限速步驟為中間體 O 2 2–解吸。低勢壘很大限度地減少中間產(chǎn)物的積累，實現(xiàn)快速O 3即使在超低溫下也會分解。從根本上說，低對稱三元氧化物中適度的 Mn-O 鍵合強度對于在表面上產(chǎn)生單配位活性物質(zhì)至關(guān)重要，這些活性物質(zhì)負責在低溫下有效地降解臭氧。”

　　隨著我國“十四五”規(guī)劃將大氣污染控制的重點從PM2.5轉(zhuǎn)向VOCs和O3，開發(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法滿足極低溫環(huán)境下（-40oC——室溫）的催化需求。因此，設(shè)計滿足國家“雙碳”要求的復雜環(huán)境下零能耗分解臭氧的催化劑具有重要的環(huán)境意義與科學價值。

       研究表明，得益于莫來石獨特的對稱結(jié)構(gòu)和表面適宜的Mn-O鍵結(jié)合強度，YMn2O5可以在極低的過渡態(tài)勢壘（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)境下長時間（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)境下長時間保持穩(wěn)定。（120ppm O3/Air，質(zhì)量空速WHSV=600,000mL·g-1·h-1，RH：相對濕度）

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

　　從2019年開始，基于莫來石催化材料，王衛(wèi)超教授課題組布局了臭氧的零能耗分解方向。目前，團隊已經(jīng)實現(xiàn)了該材料的宏量制備，可滿足各類工業(yè)應(yīng)用需求。期待在“雙碳”背景下，莫來石催化劑能夠?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大學電子信息與光學工程學院博士生萬翔和王麗靜，王衛(wèi)超教授為通訊作者，南開大學為第一完成單位。

　　該研究得到了國家自然科學基金委，深圳市科技創(chuàng)新委員會，移動源排放控制技術(shù)國家工程實驗室，國家環(huán)境保護惡臭污染控制重點實驗室，天津市杰出青年學者基金的資助。