非均相催化剂催化臭氧氧化含酚废水的研究进展

夏龙祥，何昊东，吴登峰

（北京化工大学化学工程学院，北京 100029）

酚类化合物及其衍生物是工业废水中最常见的难降解污染物种类之一。含酚废水主要来自焦化、炼油、煤气等产业以及以苯酚或酚醛为原料的工业生产过程，对人类健康、生态环境和生物个体均有严重危害〔1-3〕。传统处理方法（如物理吸附法、生物分解法、化学氧化法等）可去除大部分酚类污染物，但对少部分残留物很难彻底去除，因此仍需进行深度处理。高级氧化技术已被证明对难降解有机物具有深度处理效果〔4-5〕。常见的高级氧化技术包括湿式氧化法、类Fenton氧化法、光催化氧化法、电化学氧化法、臭氧氧化法及催化臭氧氧化法等〔6〕。其中，催化臭氧氧化法通过在常温下将臭氧催化分解为活性氧物种（ROS），进而将难降解有机污染物氧化为低碳小分子及水，从而实现有机污染物的深度去除〔7-8〕。该技术具有处理效果好、反应条件易实现、二次污染小等优点，且降解有机污染物的效果明显优于传统的臭氧氧化法〔9-10〕。然而，由于ROS一般寿命非常短暂，快速且稳定地生成ROS非常关键。因此，研发高活性和稳定性的催化剂对催化臭氧氧化技术的推广与应用至关重要。

用于酚类有机污染物去除的催化臭氧氧化催化剂分为均相催化剂和非均相催化剂。均相催化剂通常 为 金 属 离 子 催 化 剂，如Mn2+、Fe3+、Ce3+、Cu2+等〔11-12〕。均相催化剂以离子的形式存在于溶液中，具有传质效果好、原子利用率高的优点，但反应后催化剂和溶液分离比较困难，会造成二次污染。非均相催化剂主要包括金属及金属氧化物、负载型金属及金属氧化物和碳基材料等〔13-14〕，具有催化活性好、可回收利用、使用周期长等优点。因此，研发高效非均相催化剂对催化臭氧氧化降解酚类污染物具有重要意义。

笔者首先讨论了在非均相催化体系下催化臭氧氧化降解酚类化合物的反应机理，然后从非负载型催化剂和负载型催化剂两方面，介绍了当前处理含酚废水用非均相催化剂的研究进展，最后从催化剂电子结构、催化剂几何结构等角度，讨论了催化剂性能优化策略。

1 非均相催化臭氧氧化机理

有机污染物的非均相催化臭氧氧化过程涉及气、液、固三相反应，其中ROS的生成和有机污染物的氧化分解是两大关键步骤。ROS的种类包含羟基自由基（·OH）、单线态氧（1O2）和超氧阴离子自由基（O2·-）等多种形式。一般认为，由于·OH的标准氧化电势最高，其作为氧化性最强的一类ROS，是氧化分解酚类有机污染物的主要活性物种；同时，也存在1O2与O2·-占据催化分解主导作用的情况〔15-17〕。而且，酚类有机污染物氧化分解过程反应路径复杂，可能产生大量氧化反应不彻底的中间态产物（如羧酸、醛和乙酸盐等），这些有机酸被吸附在催化剂表面可能造成催化剂失活〔18-19〕。此外，所用催化剂种类、用量，污染物种类以及催化反应条件（如臭氧浓度、pH等）都会对催化臭氧氧化过程及机制产生重要影响。

有机污染物的氧化分解过程既可能发生在液相，也可能发生在催化剂表面，这取决于ROS产生的种类及位置。Jianlong WANG等〔13〕提出了3种可能的反应机理：1）臭氧吸附到催化剂表面，催化分解为·OH，·OH扩散到溶液中与有机化合物反应；2）有机化合物吸附到催化剂表面，然后被液相中的臭氧或其他氧化物种在催化剂表面上氧化；3）有机化合物和臭氧同时吸附在催化剂表面，二者一起在催化剂表面发生反应。以金属氧化物为例，其表面发生的催化臭氧产生ROS并氧化分解有机污染物的过程为：首先，臭氧及有机污染物从液相主体扩散到金属氧化物表面，完成吸附；其次，臭氧与金属氧化物表面羟基官能团结合，在金属氧化物表面活性位点的作用下产生ROS；最后，一部分生成的ROS直接氧化有机污染物，另一部分ROS与臭氧进一步反应生成更多的·OH，用于有机污染物的氧化分解。由此可见，在非均相催化臭氧氧化中，催化剂表面的吸附位点和催化活性位点对有机物去除起着关键作用。其中，非均相催化剂表面的特征官能团或酸位点是主要的吸附中心或反应活性中心。Ye WANG等〔20〕的研究结果表明，金属氧化物吸附水分子形成表面羟基官能团，作为催化臭氧分解产生·OH的Brönsted酸位点，同时是催化臭氧氧化苯酚分解的活性中心。Hui ZHAO等〔21〕通过研究NiFe2O4对苯酚的催化臭氧氧化的性能，发现催化剂表面的Lewis酸位点既是臭氧的吸附中心，也是催化反应中心。

催化剂种类不同导致催化活性位点的性质差异，可能会产生不同类型及比例的ROS，导致对有机物的氧化分解效果会有所不同。Zhengjun QU等〔22〕用Ce/海泡石催化臭氧氧化降解对硝基苯酚，研究发现Ce/海泡石催化臭氧氧化体系的活性位点为催化剂表面的—OH基团，臭氧主要被分解成·OH，·OH是Ce/海泡石降解对硝基苯酚能力的主要ROS。Xiuqin TAN等〔23〕考察了三维MnO2多孔空心微球催化臭氧氧化降解双酚A的催化活性，探针测试表明，其ROS主要以O2·-和·OH为主。Hua CHEN等〔24〕研究了CuOx/Al2O3催化臭氧氧化苯酚的高性能及其构效关系，CuOx/Al2O3催化臭氧分解生成多种ROS（包括·OH、O2·-和1O2）；研究发现，·OH是降解苯酚主要的ROS，而O2·-和1O2对部分氧化起作用。因此，臭氧分解产生的ROS的种类对催化臭氧氧化降解有机污染物的实际效果有重要影响。

2 非负载型催化剂

酚类等有机污染物催化臭氧氧化过程主要采用非贵金属催化剂，包括Mn、Fe、Ce、Mg和Al等。此外，部分非金属（如C基材料）催化剂也表现出了不错的性能。

2.1 Mn催化剂

Mn催化剂以含Mn的氧化物形式为主。其中，MnO2是分解臭氧产生ROS的高效催化剂之一〔25-26〕，被广泛应用于各种有机污染物的催化臭氧氧化处理中。过去的研究表明，金属氧化物的催化性能与其晶体结构密切相关。F.NAWAZ等〔27〕通过合成6种不同晶型（α-、β-、δ-、γ-、λ-和∊-）的MnO2，分别考察了它们对4-硝基苯酚臭氧氧化反应的催化分解活性；相比于其他晶型的MnO2，在中性反应条件下，α-MnO2的平均氧化态最低，在循环伏安中会表现出较强的氧化/还原峰，有利于臭氧催化分解产生ROS，因此催化活性最佳。Xiaoqiao HUANG等〔28〕合成了具有介孔结构但晶相不同的MnO2（α-、δ-和γ-），研究了它们在含盐废水中对苯酚的催化降解能力；γ-MnO2相比于另外2种晶相的MnO2具有更大的比表面积和更多的活性位点；催化剂的供氧中心和活化氧活性大小的顺序为γ-MnO2＞α-MnO2＞δ-MnO2，比表面积大小顺序为γ-MnO2＞α-MnO2＞δ-MnO2，且γ-MnO2具有最高的晶格氧与表面氧的比值，因此表现出了最佳催化活性。

2.2 Fe催化剂

Fe基催化剂的种类较多，主要包括Fe0，FeO、Fe2O3、Fe3O4和FeOOH等〔29〕，如FeOOH表面存在大量的羟基官能团，Fe3O4具有超顺磁性，Fe2O3的表面酸性活性中心位点丰富等。Zhaokun XIONG等〔30〕通过建立Fe0/O3耦合反应流程对4-硝基苯酚进行处理，在优化的反应条件下，COD去除率可达89.5%，是Fe0催化臭氧氧化去除率的2倍（44.8%）；其性能增强的主要原因是该体系实现了均相或多相催化臭氧氧化、类Fenton反应及吸附与沉淀多过程的结合。王勇等〔31〕探究了α-Fe2O3催化臭氧氧化处理含苯酚废水，在合适反应条件下，反应30 min后COD去除率可达97.67%；重复实验6次后COD去除率可达93.07%，表明α-Fe2O3在降解苯酚体系中保持着较高的催化活性和稳定性。

2.3 Ce催化剂

由于Ce的4f轨道结构和Ce3+/Ce4+氧化还原对促进电子转移的能力〔32-33〕，因此Ce表现出了良好的催化 氧 化 活 性。S.AFZAL等〔34〕研 究 了 煅 烧 温 度 对CeO2纳米棒催化臭氧氧化降解4-硝基苯酚活性的影响，300 ℃煅烧合成的CeO2纳米棒对总有机碳（TOC）去除率达86%，而煅烧温度为500 ℃的催化剂对TOC去除率为60%；进一步探究其催化机理，其在催化氧化过程中生成羟基自由基、表面过氧化物和表面原子氧等活性氧物种，从而提高了CeO2的催化活性。I.C.GUZMÁN等〔35〕通过制备CeO2薄膜催化臭氧氧化处理4-氯苯酚，研究发现6层CeO2薄膜具有高的催化活性，TOC去除率达44%；经过5次重复使用后，CeO2薄膜的TOC去除效果几乎不变。

2.4 Mg催化剂

Mg催化剂主要以Mg氧化物为主，其表面具有Lewis酸碱中心〔36-37〕。Bing WANG等〔38〕制备了纳米MgO催化剂，催化反应10 min，苯酚的降解率达70.1%，是单一臭氧氧化的2倍。Jun CHEN等〔39〕研究不同晶面MgO催化臭氧氧化4-氯酚的降解效果，发现催化活性顺序为MgO（111）＞MgO（110）＞MgO（200）；反应15 min后，MgO（111）催化臭氧氧化4-氯酚去除率达89.8%；这是由于缺陷导致了更多和更强的羟基和孤立氧形式的表面基团，表面碱性基团较多的MgO能有效地提高臭氧向·OH的转化速率。

2.5 C催化剂

C催化剂主要包括活性炭、石墨烯、碳纳米管等，在催化臭氧氧化过程中表现出了良好的催化性能〔13〕。C基材料是具有高比表面积的多孔材料，也可被制备成催化剂或作为载体。S.Y.OH等〔40〕研究了各种C材料（包括生物质、锂离子电池阳极碳、石墨炭、颗粒活性炭等）催化臭氧氧化苯酚的降解效果，发现颗粒活性炭表现最佳，在180 min内可完全去除苯酚。

表1列举了近年来一些用于酚类污染物催化臭氧氧化的单组分催化剂的案例。相比单独的臭氧氧化法，单组分催化剂催化臭氧氧化降解酚类污染物的效果明显提高，且在催化臭氧氧化中产生的ROS种类主要为·OH。非负载型催化剂的最大优势在于催化剂构成简单，除C催化剂对制备的经济性要求较高之外，金属及其氧化物催化剂的制备工艺条件控制相对容易，有利于催化剂制备的中试放大。然而，非负载型催化剂的劣势主要在于其稳定性普遍不足，一方面，催化剂制备过程中活性位点团聚可导致活性大幅降低；另一方面，非负载型催化剂的机械稳定性差，容易在废水的冲击下发生破碎。

表1 不同活性组分催化剂用于酚类污染物催化臭氧氧化的处理效果Table 1 Treatment effect of iron-based catalyst for ozone oxidation of phenolic pollutants

3 负载型催化剂

负载型催化剂是当前催化臭氧氧化催化剂研究和开发的主流，受到了广泛关注。一方面，载体的加入能有效提高催化活性位点的分散性，进而提升了活性位点利用率和抗团聚稳定性；另一方面，载体和活性组分之间存在一定的强相互作用〔45〕，对提升催化剂活性和稳定性具有非常良好的促进作用。常见的用于酚类降解的催化臭氧氧化催化剂载体主要包括 金 属 氧 化 物〔46〕、多 孔 炭〔47〕、分 子 筛〔48〕和 陶 瓷膜〔49〕等。

3.1 单活性组分负载型催化剂

3.1.1 金属氧化物负载

最具代表性的金属氧化物载体是Al2O3，其具有表面酸性和碱性位点丰富、热稳定性好、比表面积大且价格低廉等优点。Al2O3在催化臭氧氧化处理酚类有机物过程中是一种被广泛研究的催化剂载体，同时也可单独作为催化剂起到催化作用〔46〕。不同晶型的Al2O3有不同的催化性质〔50〕。在催化臭氧氧化过程中，针对γ-Al2O3的研究较广泛。Ye WANG等〔20〕研究Mn/γ-Al2O3催化降解苯酚废水的能力，在Mn质量分数为4%以及溶液初始pH为3.45时，Mn/γ-Al2O3的催化活性最强，90 min内对苯酚的去除率达82.67%。除Al2O3之外，ZrO2、TiO2和CeO2也是催化臭氧氧化常见的金属氧化物载体〔51〕。

3.1.2 多孔炭负载

该类载体主要以活性炭（AC）为代表。活性炭具有比表面积大、成本低、吸附能力强、化学性质稳定等优点〔47，52〕。Lilong ZHOU等〔53〕制备了MgO/AC催化剂，并将其用于催化臭氧氧化降解苯酚，MgO以纳米颗粒的形式包覆在AC表面，对COD的去除率达83.5%。Siyang LI等〔54〕以污泥基生物炭（SC）为载体，通过负载小尺寸MgO纳米团簇（粒径小于2.4 nm），形成了MgO/SC催化剂；经过组分优化，MgO/SC催化剂对头孢氨苄、氟苯尼考、磺胺甲唑的去除率相比于块体MgO催化剂的去除率分别提高了54.3%、45.5%、57.4%。

3.1.3 分子筛负载

相比于常规单金属氧化物载体，分子筛具有更规整的孔道结构和更稳定的比表面积，催化活性及热稳定性良好〔48〕。A.S.AMIN等〔55〕制备了HZSM-5分子筛负载不同过渡金属（Mn、Fe、Cu和Ti）氧化物的多种负载型催化剂，它们对苯酚和COD的去除效果顺序为Mn/HZSM-5＞Fe/HZSM-5＞Cu/HZSM-5＞Ti/HZSM-5＞HZSM-5。相 似 地，崔 福 旭 等〔56〕制 备 了ZSM-5分子筛负载不同活性组分（Ce、Mn、Ni和Cu）的多种负载型催化剂，考察其催化臭氧氧化苯酚的处理效果；结果表明，Ce-ZSM-5对苯酚的催化效果最好，COD去除率达85.74%，而且可节约80%的臭氧量。

3.1.4 陶瓷膜负载

陶瓷膜作为催化臭氧氧化催化剂载体是当前研究新热点，这主要归因于陶瓷膜无论是宏观机械结构还是微观原子排列都非常稳定，对于提升催化剂的机械稳定性具有显著优势〔49〕。王勇等〔57〕研究了α-Fe2O3催化臭氧氧化耦合陶瓷膜处理含酚废水，该催化剂运行6个周期后，COD去除率保持在85%以上。W.J.LEE等〔58〕探究了Mn/陶瓷膜和Ce/陶瓷膜催化臭氧氧化双酚A的处理效果，与Mn/陶瓷膜相比，Ce/陶瓷膜具有更强的双酚A矿化能力和更高的臭氧利用率，这主要是由于陶瓷膜孔隙中存在高度分散的表面活性位点和Ce（Ⅲ/Ⅳ）氧化还原对促进催化臭氧氧化中的电子转移。

表2中罗列了近年来采用不同种类载体单组分负载型催化剂处理酚类有机物的效果，相比于非负载型催化剂，单组分负载型催化剂，在催化性能上具有了更多优化空间。由于单金属活性组分与载体之间存在强相互作用力，可实现催化活性位点原子的电子结构优化，从而实现活性提升。然而，单组分负载型催化剂的稳定性与载体种类选择关系密切，相比较而言，为提升催化剂分散性和机械稳定性，陶瓷膜载体是一类不错的选择。

表2 负载型催化剂对酚类污染物的处理效果Table 2 Treatment effect of supported catalyst on phenolic pollutants

3.2 多组分负载型催化剂

通过向单活性组分体系中引入一种或多种过渡金属作为协同组分，可实现催化剂本征活性的有效提升。对催化臭氧氧化催化剂而言，选取合适的助剂，形成双金属或多金属负载型催化剂，有利于提升整体催化活性和稳定性。

3.2.1 双金属体系

Jie ZHANG等〔64〕研究了Mn-Ce/γ-Al2O3催化剂催化臭氧氧化苯酚的降解效果，由于Mn-Ce/γ-Al2O3的表面上产生了大量·OH，且其均匀的孔道结构促进了臭氧的传质和运输，苯酚去除率达97.5%，是单一臭氧氧化处理苯酚的1.44倍；且与Ce/γ-Al2O3催化剂处理效果相比，Mn-Ce/γ-Al2O3还显著提高了苯酚的降解速率。Yanfang LIU等〔65〕合成了Mn-Fe/Al2O3催化剂，探索了其催化臭氧氧化双酚A的降解速率，在反应30 min后，Mn-Fe/Al2O3催化剂对双酚A的去除率达71.8%，高于Mn/Al2O3（63.2%）、Fe/Al2O3（60.1%）及单一臭氧氧化（48.5%）对双酚A的处理效果；Mn-Fe/Al2O3催化剂降解双酚A遵循·OH自由基机理，比单一臭氧氧化或单金属催化体系产生了更多的·OH。

3.2.2 多金属体系

Manning ZHANG等〔66〕制 备 了Mn-Fe-Ce/Al2O3三元催化剂并探索了其对苯酚的处理效果，性能测试结果表明，Mn-Fe-Ce/Al2O3催化剂对苯酚的去除率为87.97%，明显优于二元催化剂Mn-Fe/Al2O3（65.82%）和Mn-Ce/Al2O3（55.91%）；Mn-Fe-Ce/Al2O3催化剂降解苯酚的机理为自由基机理，催化性能好的原因归因于表面羟基密度的增加和过渡金属元素对电子转移的加速作用。

表3列举了负载型双金属或三金属催化剂处理酚类有机污染物的效果。多组分负载型催化剂较其他类型催化剂而言，在处理高浓度含酚废水方面表现出了更优异的催化效能。不同金属及氧化物之间的电子转移，为优化活性位点电子结构提供了新路径。不同活性组分之间的协同催化，可以大大降低催化剂在分解有机物过程中由于中间产物吸附而被毒化的可能，因此同时表现出了相对更好的催化稳定性。然而，虽然多组分负载型催化剂具有优异的有机物降解能力，但是由于活性组分之间以及活性组分与载体之间的作用关系的复杂性，导致其催化氧化机理很不成熟，在工业放大应用方面具有较多不确定性。

表3 多组分负载型催化剂用于酚类污染物催化臭氧氧化处理效果Table 3 Effect of multi-component supported catalyst on catalytic ozonation of phenolic pollutants

综上，非负载型催化剂在催化剂构成及制备方法上相比于负载型催化剂更为简单，然而其稳定性不足，因此适合处理要求较低的含酚废水。单活性组分负载型催化剂利用活性组分和载体之间的相互作用，可有效提升催化剂的活性和稳定性，因此对含酚废水的处理效能有了明显提升，但在处理高浓度含酚废水方面依然略显不足。多组分负载型催化剂进一步利用了活性组分之间的协同催化作用，可进一步提升催化剂的催化性能和抗毒性，具有提升臭氧利用率、降低臭氧投放量以及性能可优化潜力大的优势，然而由于其体系的复杂性，催化机理相对复杂，对于成熟催化剂的开发难度更大。

4 催化剂性能优化策略

催化剂活性、稳定性和催化反应条件是影响有机污染物降解效率的主要因素，三者之间相互影响、相互制约。提升催化剂本征活性的有效策略主要是通过对电子结构和几何结构优化；提升催化剂活性位点数目的有效策略是构筑高比表面积纳微结构；提升催化剂稳定性的有效策略包括活性位点合金化和包覆等。

4.1 催化剂活性优化

4.1.1 活性位点电子结构优化

对非均相催化剂而言，活性位点电子结构决定了其对臭氧或有机污染物分子的吸附和催化性能，通过在原子级尺度形成多组分合金或者改变活性位点配位环境，均可以实现其电子结构的调变。不同助剂与活性组分之间的协同作用，可促进活性组分的电子转移，促进臭氧的分解，从而提高催化剂的活性。Shengjuan SHAO等〔72〕通过制备Ce-MnOx/γ-Al2O3催化剂，研究发现该催化剂中Ce和Mn存在协同作用；Ce和Mn之间的协同作用使Ce-MnOx/γ-Al2O3催化剂具有更多的氧空位和更高的电子转移容量，有利于臭氧分解成活性氧。相似地，R.C.MARTINS等〔73〕也证明了当Ce和Mn物质的量比为3∶7时，Ce和Mn之间存在协同作用，使其在酚类催化臭氧氧化中具有较高的催化活性和稳定性。此外，对于负载型催化剂而言，可以利用活性组分与载体之间强相互作用来调控活性组分的电子密度，从而影响催化剂催化活性〔74〕。金属-载体强相互作用可以增加活性中心数量，诱导金属和载体之间的电子转移，调节金属的电子结构，进而调控催化剂的催化活性〔74-75〕。Dingren MA等〔74〕利用SBA-15上丰富的Si—OH基团锚定Mn，形成了Si—O—Mn配位结构；研究表明，Si-O-Mn配位结构的强金属-载体作用显著地调节了Mn的电子结构，使得Si—O—Mn键上的富电子中心促进了臭氧的特定吸附。由此说明，利用金属-载体强相互作用优化活性位点本征活性，是提高催化剂催化活性的有效手段。

4.1.2 催化剂几何结构优化

催化剂的几何结构优化主要是通过改变催化剂的形貌、比表面积大小和孔结构及粒径大小，从而影响催化剂的活性大小。F.NAWAZ等〔76〕合成了不同形状的Mn基催化剂，包括多孔立方体MnO2、立方体Mn2O3和八面体Mn3O4。其中多孔立方体MnO2对苯酚的降解速率最高，一是因为MnO2具有多孔结构，使得MnO2有较大的比表面积和更小的粒径，从而形成较多的氧空位或表面羟基；二是因为MnO2具有较高的电子转移能力。Hua CHEN等〔24〕利用喷雾干燥辅助蒸发诱导的方法，合成了富含缺陷结构且活性组分高度分散的CuOx/Al2O3催化剂，该催化剂具有由介孔外层、堆叠的介孔纳米球和中空腔组成的特殊结构，由于这种特殊结构，使得Cu+/Cu2+的比例非常高，促进臭氧产生大量的ROS，进而加速降解苯酚污染物。在CuOx/Al2O3催化剂催化臭氧氧化下，60 min内苯酚降解率达100%，TOC去除率达53%。由此可见，特殊结构的催化剂对有机物的催化臭氧氧化降解具有重要作用。

4.2 催化剂稳定性优化策略

催化剂的稳定性是催化反应过程中的主要参数，对实际应用具有重大意义。催化剂的稳定性主要与金属离子浸出有关，减少重复使用过程中金属活性组分流失是提高催化剂稳定性的主要手段。通过改变催化剂的结构，形成配位结构，改变溶液pH范围等策略来减少金属离子的浸出。Wenwen YANG等〔77〕研究表明，利用原子层沉积（ALD）在催化剂上覆盖一层薄的抗浸出保护层可合成稳定的催化剂。原子层沉积是一种薄膜涂层技术，它所形成的理想保护薄膜应有三个优势：1）防止催化剂在重复使用中浸出；2）保护薄膜不会影响催化剂的催化性能；3）本身具有防浸出的能力。通过对催化剂载体进行改变，相应的改变策略有：对载体进行炭包裹、用复合材料作载体等。楚天成等〔78〕将炭包裹在氧化铝的外侧，合成了新型的Mn-Ce/C-Al2O3催化剂，考察了该催化剂催化臭氧氧化降解苯酚的稳定性。研究发现，在10次降解实验中Mn-Ce/C-Al2O3催化剂对COD的去除率比较稳定，均值为77.5%。可见，对载体进行优化、改变，可显著提高催化剂的稳定性。

5 总结与展望

催化臭氧氧化技术具有反应效率高、氧化能力强、反应条件易实现等优点。催化臭氧氧化技术对含酚废水的处理具有很大应用前景。当前，非均相催化剂对酚类污染物催化降解具有良好的效果，尤其是负载型催化剂表现出了优异的催化效能。然而，由于催化剂在连续废水处理过程中活性组分流失、抗毒稳定性不足导致的催化剂活性下降、运行使用周期短的问题，以及由于复杂催化剂体系反应机理复杂，导致性能优化困难的问题，都将是领域研发中今后亟需解决的关键问题。

针对催化剂活性和稳定性进一步优化问题，未来可进一步考虑从以下三方面开展研究：1）从调控优化活性位点几何结构或电子结构入手，进行催化剂组分、尺寸和缺陷位调控，加强促进活性位点与助剂之间的电荷迁移，利用界面效应加强载体与金属之间的强相互作用；2）从催化剂结构设计角度，构筑具有高比表面积的结构，暴露数量更多活性位点；3）开发新催化剂制备技术手段，例如采用原子沉积与活性位点包覆策略提升催化剂稳定性，有效解决金属离子浸出的问题。针对复杂催化体系，未来可结合更加精准的原位测试手段进行构效关系研究，进而实现体系筛选和优化。