韩昌报研究团队在室内甲醛净化方面取得的重要进展

背景介绍

随着时代发展，室内甲醛（HCHO）污染问题逐渐引起关注。我国《室内空气质量标准》规定室内甲醛浓度不超过0.1 mg/m³（⁓0.08 ppm）(GB/T18883-2002)为安全居住环境。然而，研究表明，大部分国家新装修房屋普遍存在甲醛超标的现象，其超标的甲醛浓度普遍在0.1 ppm⁓10 ppm。《2019中国室内空气污染状况白皮书》同样指出，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，如何高效、长效地将室内低浓度甲醛降低至国家标准(⁓0.08 ppm)以下，对实现人民日益增长的美好生活需要具有重要意义。针对室内甲醛污染问题，目前市场上的产品主要以活性炭吸附为主，其吸附饱和后容易再次释放甲醛，形成二次污染；贵金属催化剂成本高难以广泛应用；目前常用的过渡金属氧化物催化剂虽然性价比高，但寿命较低，尤其在室温条件下对低浓度甲醛的催化氧化，很难快速降解到国家标准以下，因而不能满足日常生活中高效和长效的室内净化需要。

成果简介

基于此，北京工业大学的韩昌报教授团队以电辅助增强水热法合成了一种具有同轴电缆结构的碳布负载MnO_x纳米复合材料催化剂，通过调整材料制备工艺的参数进行了催化剂改性，实现了室内甲醛的高效催化降解。在静态测试中，可使密闭舱内的HCHO浓度在25℃的条件下从7 ppm降低到0.074 ppm，已符合国家空气质量安全标准。并且在室温WHSV ~ 120000 mL/(g_MnOxh)的条件下，催化剂的去除率高达~97%，通过催化剂稳定性测试结果表明其在24小时内催化剂活性无明显下降。该研究首次提出新型HCHO催化氧化的反应路径，揭示MnO₂、Mn₂O₃和MnO等不同价态锰氧化物间的相互转化过程对活性氧的生成和中间体的分解的重要作用。该工作不仅在工艺上实现MnO_x甲醛催化剂的高效合成，而且对催化机理提出新的见解，有助于深入理解室温条件下HCHO等有机污染物的催化氧化降解机制，为解决实际生活中普遍存在的室内甲醛污染问题、实现除醛催化剂的大规模商业应用提供了新的思路。

该研究成果第一作者为郑嘉煜博士和赵文康硕士，韩昌报教授和宋雪梅副教授为共同通讯作者，成果以“Electric-enhanced hydrothermal synthesis of manganese dioxide for the synergistic catalytic of indoor low-concentration formaldehyde at room temperature”为题发表在国际期刊Chemical Engineering Journal上。韩昌报教授团队长期从事能源收集及其在环境应用方面的研究，在Advanced Materials、Nano Energy等国际期刊上发表学术论文50余篇，授权专利28项，部分成果已产业化。

图文导读

  图1：(a) MnO_x-CC复合材料制备过程示意图；(b) MnO_x-CC纤维形成机理示意图。

图2：(a)未经处理的碳布原材料的SEM图像；(b-d) MnO_x-CC-15V样品的SEM图像及相应的高倍放大图像；(e-h)不同电压下制备的MnO_x-CC催化剂的SEM图像 (e) 5V, (f) 10V, (g) 15V, (h) 20V；(i) MnO_x-CC的FE-SEM图像和(j) C, (k) O, (l) Mn的能量色散X射线映像图。

图3：(a) HCHO的浓度变化和(b)不同样品对HCHO对的去除效率(静态效率)随反应时间的变化关系; (c)不同输入电压下制备的MnO_x-CC的HCHO去除率(动态测试); (d)循环试验中MnO_x-CC-15V的HCHO浓度(动态测试)与反应时间的关系。(C₀: 7ppm，温度:~25℃, RH: 45%， WHSV: 120,000 mL/(g_MnOxh))

图4：本文提出的锰氧化物纳米催化剂催化氧化HCHO的途径。

总结和展望

本文通过电辅助增强水热合成工艺成功制备了一种具有典型同轴电缆结构的碳布负载MnO_x催化剂 (MnO_x-CC)。MnO_x-CC是由纳米薄片的花朵状MnO_x纳米颗粒组装而成的，与无电增强制备得到的样品相比，其具有更大的比表面积。考虑到这可能是因为水热过程中的电场可以加快反应速率，使载体的负载量提高10倍左右。15 V的输入电压下制备得到的MnO_x-CC在催化氧化HCHO的过程中显示出最佳性能，可以将HCHO浓度从7 ppm降低至0.074 ppm（低于国际甲醛标准指导值0.08 ppm）,并且在动态测试过程中可达到97%的去除效率 (WHSV ~ 120000 mL/ (g_MnOxh))。此外，根据近些年的相关报道及实验结果，本团队提出了HCHO催化氧化的反应路径及MnO_x的变化过程，以揭示MnO₂、Mn₂O₃和MnO等不同价态锰氧化物间的相互转化过程对活性氧生成和中间体分解的重要作用。该工作不仅在工艺上实现MnO_x甲醛催化剂的高效合成，而且对催化机理提出新的见解，有助于深入理解室温条件下HCHO等有机污染物的催化氧化降解机制，为解决实际生活中普遍存在的室内甲醛污染问题、实现除醛催化剂的大规模商业应用提供了新的思路。

本文由北京工业大学的韩昌报教授团队供稿。