中科院城市所李建荣EST综述｜水对催化剂上VOC氧化的作用：影响因素、抑制/促进机制和抗水性策略

生态环境科学 · 公众号 · · 2025-02-05 08:51

正文

文章信息

第一作者： 李莹莹

通讯作者：李建荣，何俊

通讯单位：中国科学院城市环境研究所，宁波诺丁汉大学

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c08745

亮点

• 概述了 VOC 催化氧化中水作用的影响因素。

• 总结了 VOC 催化氧化中水的抑制和促进机制。

• 汇总了 VOC 催化氧化中各种抗水性策略。

研究进展

水汽是VOC废气中普遍存在的组分之一，往往对催化氧化反应产生抑制作用，因而具有抗水性功能的催化剂的研制一直受到关注和重视。本文总结了从2013年到2024年之间关于VOC催化氧化中水作用的代表性论文（超过390篇）。如图1所示，概述了水作用的主要影响因素、抑制/促进机制和抗水性策略。了解水的抑制/促进机制和影响因素可以指导抗水性催化剂的设计，而抗水策略的制定也可以进一步阐明水的反应机理和影响因素。最后，对VOC催化氧化中水作用的发展前景和挑战进行了展望。

图1 本文概要

1 影响因素

水对VOC催化活性有促进和抑制作用，主要取决于反应温度、含水量、共存组分、催化剂的理化性质和VOCs种类。高含水量以及诸如二氧化硫等共存成分，往往会加剧水对VOC氧化的抑制作用。反应温度、催化剂的物化性质以及VOC类型对水在VOC氧化过程中的作用可能起正面影响，也可能产生负面影响，这主要取决于它们自身的固有属性以及反应体系中的其他影响因素。在实际应用中，影响因素的综合结果决定了水最终是促进还是抑制VOC的催化降解。

2 促进和抑制机制

如图2a，b所示，水汽通常会对各种催化剂的催化性能产生负面影响，其原因可能是水抑制或减少了反应物与催化剂活性位点之间的相互作用：水占据活性位点、水分子可以与一些特殊的活性位点相互作用，改变其化学性质。

如图2c-e所示，水也能促进了VOC的催化氧化，这主要是由于水的解离及其进一步反应，从而形成了高活性物质（H*，*OH，*OOH）参与反应。

图2 抑制和促进机制

3 抗水性策略

如图3所示，为了提高催化剂的抗水性，采用了多种策略，包括制备疏水材料、设计特定的结构和形态以及加入额外的元素。这些方法可以应用于各种材料，如非负载型催化剂、载体、活性成分和负载型催化剂的改性。这些策略的主要目标是尽量减少水的吸附，促进水的解离和进一步反应。

图3 抗水性策略

4 研究展望

（1）尽管一些研究已表明*OH能促进VOC氧化，但在不同VOC氧化过程中，*OH与中间产物之间的反应机制仍不清楚，需要进一步阐明*OH在电子传输和反应路径中的作用。此外，一些研究表明*OH对某些VOC氧化具有抑制作用，但其潜在机制仍需进一步探索。

（2）虽然疏水材料能有效减少催化剂表面的水吸附，但也能阻碍VOC吸附，导致其转化率降低。选择合适的疏水材料以及开发高效的制备方法仍具挑战性。

（3）大多数现有研究集中在水对单一VOC氧化的影响。然而，实际工业VOC废气通常包含多种VOC以及二氧化硫和氮氧化物等其他成分。需要进一步研究水对混合VOC氧化的影响及其反应机制。

（4）水影响的测试通常持续不到200小时，这不足以准确评估水对催化活性的影响。对于整体式催化剂而言，延长测试周期至关重要，了解其在长期接触水的情况下物理化学性质和催化性能的变化。

（5）大多数相关研究都集中在粉末材料上。然而，实际VOC处理需要整体式催化剂。从粉末到整体式催化剂的转变可能会改变其物理化学性质，从而引发对其能否保持抗水性的担忧。因此，必须认真考虑整体式催化剂的抗水性。

作者介绍

李建荣 ，博士，中国科学院城市环境研究所，副研究员，硕士生导师。主持过国家自然科学基金、省重点工业引导、市公益性等项目。以第一或者通讯作者在 Environ. Sci. Technol. ， ACS EST Engg ， ACS Appl. Mater. Interfaces 等期刊发表论文20余篇，授权发明专利3项。分别获得过省、市、区级科技奖。主要研究方向为VOCs高效催化剂的研制和应用。

通讯邮箱 ：[email protected]

投稿、转载、合作可在后台留言（备注：微信号）或发邮件至[email protected]

【点击下方超链接阅读16个栏目推文】

1.【直播】	9 .【院士】
2 .【视频】	10 .

中科院城市所李建荣EST综述｜水对催化剂上VOC氧化的作用：影响因素、抑制/促进机制和抗水性策略

正文

请到「今天看啥」查看全文