室内空气净化贵金属催化剂的替代品

译海撷英

室内空气净化贵金属催化剂的替代品

每到秋天，随着气温的下降以及树叶颜色的变化，汽车展厅里摆满了最新的车型，与这些闪亮的新车相伴随的是诱人的香味，简称为“新车味”。

这些奢侈品中的香味主要是挥发性有机化合物（VOCs），其中包括苯、苯乙烯、醛、酮等，如果打开车窗和车门并开启空气循环系统，汽车舱室内的VOCs会很快消散在空气中。这种从汽车塑料表面和地毯中散发出的VOCs不会对人类健康造成太大的危害，因而不会对它们进行特别处理。

而存在于更多空气不流通的空间——住宅、写字楼，甚至是航天器中的挥发性混合物具有严重影响一个人健康的潜在危害。这种风险促使研究人员开发通过将VOCs催化转化为无害化合物以摆脱室内空气污染的方法。

传统上，具有催化活性的贵金属如铂和钯已经用于清洁空气，将VOCs和其他有害气体氧化为无害产物。但是由于成本较高以及铂族金属的供应有限，科学家们正在寻找低成本的替代品。研究人员正在开发主要基于过渡金属氧化物的替代品，他们正在探索“通过控制颗粒的微观结构和将颗粒分散在高性能载体上来增强材料催化活性并延长使用寿命”的方法。

“即使为痕量水平，长期暴露于持久性的有机化合物中也会对人体健康产生不利影响。”中国科学院广州地球化学研究所教授及VOCs催化专家安太成说。

VOCs对人体产生的不利影响，包括呼吸困难、流感样症状、眼睛和咽喉发痒等，有时统称为“病态建筑综合症”。公众对这种状况的关注在卡特里娜飓风过后急剧攀升。2005年卡特里娜飓风肆虐美国南部之后，成千上万的民众居住在由美国联邦紧急事务管理署（FEMA）提供的临时建筑中，但是据民众反映，这些建筑材料长期释放甲醛，由此造成的民众健康问题受到官方的指责。

诸如此类的事件促使研究人员对气体污染物拉起了警戒线，即便当它们的影响很细微或未知时。例如，美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家2012年的一项研究表明，不只低含量的VOCs对人体有害，CO2的浓度增加也会造成不利影响。当CO2浓度达到1 g/m3时（这在拥挤的教室和会议室很容易达到），人们的思维敏锐度和决策能力就会受到影响。

最近，路德教会总医院（岭公园，伊利诺伊州）的研究人员决定将用于早产婴儿保育箱的塑料医疗器械标准化，这是因为虚弱的小患者特别容易出现呼吸困难，而保育箱内环己酮含量较高时，患者出现呼吸困难的几率大幅上升。

有时，可简单地通过开窗或风扇使室内空气中的VOCs含量降低，这种方法也适用于早产婴儿保育箱，但是，它并不总是一个备用选项。“例如，在不能获得新鲜空气的空间中。”康涅狄格州北黑文市Precision Combustion公司的催化剂开发负责人Jeffrey G.Weissman说。Weissman认为太空是最佳的试验场所，他和他的团队已经开发出用于国际空间站的舱室空气净化设备。

这些设备的核心位置是被称为微晶的催化剂载体，该微晶是由多层类似于纱窗的金属丝网组成的。与此相反，传统的催化剂载体如汽车催化器中的催化剂载体，通常为大块的陶瓷砖（整料），内有许多狭长的孔道，催化反应就在这些孔道中发生。

微晶中金属的性质和蜂窝状结构使其具有更大的表面积而且不受一般热质传输的限制。气体，包括污染物，能更自由地流动穿过金属微晶，与陶瓷载体相比，加热微晶引发催化氧化作用所需的能量相对较少。对于VOC处理来讲，无论负载何种催化剂，微晶氧化剂更加紧凑、轻质且作用迅速。

Weissman指出，Precision Combustion生产的微晶氧化器在痕量水平的VOC（醇类、丙酮、甲苯及其他化合物）氧化测试中表现优异，并且在经过持续16 000 h的耐久性测试后，继续利用该设备氧化甲烷，其活性丝毫没有下降。

目前，该公司正在利用其生产的微晶研究低温光催化氧化反应。与热驱动的催化反应相比，光催化需要的能量较少，并且可以避免热量引起的副反应所产生的有害副产物。在利用紫外线和微晶负载TiO2氧化乙醇的实验中，Weissman和同事发现乙醇及其部分氧化产物乙醛的含量降低到该研究小组的检出限以下，约为15 mg/L。

同时，在广州，安太成教授和他的同事也在研究利用TiO2光催化降解VOC。研究人员最近开发了一种利用NH4F与钛的前驱体反应合成TiO2晶体的方法，通过调整NH4F的量得到具有最佳催化活性的TiO2晶面。这种经过结构调整的TiO2可将苯乙烯气体的氧化效果最大化。

苯乙烯是常见室内空气污染物，通常是由建筑材料和胶黏剂释放出来的，在住宅和写字楼中含量较低，而在空气流通性不好的塑料制品厂中含量很高。

广州的研究小组也已经开始研究光催化与热催化相结合的效果。研究人员使用了低成本的LaBO3（B代表过渡金属）结构形式的镧钙钛矿，发现在氧化苯乙烯实验中，LaMnO3、LaNiO3和LaFeO3的催化活性高于其他复合物，且光催化与热催化相结合的方法比任一种单独的方法都更有效。

Richard Q.Long不能分享他的催化剂的确切配方，但他和同事正在研发廉价高效的核-壳结构催化剂，该催化剂可用于净化面包房和其他室内工作场所的空气。Long是俄亥俄州催化剂和燃料电池制造公司NexTech Materials的研发科学家，据他介绍，该核-壳结构的催化剂是过渡金属氧化物组成的复合材料，微米尺寸的核心颗粒外包覆了一层多孔颗粒组成的泡沫状外壳，但是核与壳的组成截然不同。

实验结果表明，与钯和铂的催化剂相比，该核壳结构催化剂的作用温度更低，而且将包括丙烷、丁烯和甲苯在内的VOCs氧化为CO2和水的程度更彻底。研究还表明该氧化物性质稳定，在实验持续860 h后其活性扔保持不变。此外，与贵金属催化剂相比，该催化剂对VOCs中硅、磷等杂质的耐受值较高。

中国大连理工大学的石川教授也认为对于净化写字楼、住宅等室内场所VOCs的低成本催化剂来说，两种氧化物共同作用的效果优于一种氧化物。相较于将两种不同尺寸的颗粒混合，她开发了具有存储和氧化两种功能的Co-Mn氧化物催化剂。

通过使用多孔硅KIT-6作为引导结构形成的模板，石川和同事制备了三维有序Co-Mn氧化物材料，并且在甲醛存储-氧化循环实验中，模板法制备的氧化物催化剂比非模板法制备的催化剂性能表现优异。

在循环实验过程中，该催化剂在室温下将甲醛部分氧化并将其中间产物固定在催化剂表面的电子捕获陷阱中，随后当催化剂需要清洁时，研究人员只需简单地将其温度升高，表面的甲醛中间产物就被氧化为CO2和水。这些物质从表面脱附，从而使催化剂再生。这种存储-氧化催化剂室温下的长效作用增强了其捕集、存储VOCs的能力，进而延长了其生命周期。

另一种高效催化VOCs燃烧的材料是MnO2，其价格低廉且来源丰富。比利时鲁汶天主教大学的Eric M.Gaigneaux，Victor G.Baldovino-Medrano与同事的研究表明MnO2与贵金属催化剂在催化包括正己烷、甲硫醇、三甲胺在内的VOCs时效率相当。研究人员正在研究MnO2催化剂制造过程中各因素对其在商用化学反应器中使用性能的影响。

从最近的研究来看，有几种具有应用前景的非贵金属催化剂可用于去除密闭空间内的有害污染物质。随着研究的不断深入，部分催化剂有可能会商业化，用于火星探测航天器中空气的净化。

（本栏目编辑：李丽平）