地球环境所在碳复合调控纳米常温催化材料净化室内甲醛研究中取得进展

甲醛（HCHO）是室内严重危害人体健康的气态污染物。传统的净化方法主要有活性碳材料为主的物理吸附以及胺类材料为主的化学吸附。常温催化氧化技术是一种新兴的甲醛控制技术，依靠材料表面的活性位点，在常温下将氧气活化为活性氧物种（ROS）完全矿化甲醛为H₂O和CO₂，具有不需要额外能量、绿色高效的优势。载体负载铂、金等活性成分的贵金属催化剂是室温下甲醛降解的最高效纳米材料，但高昂的成本限制了其应用。因此，改性廉价的过渡金属氧化物，提高其化学吸附和活化氧的能力，是取代贵金属催化剂的可行途径。在过渡金属氧化物中，尖晶石结构的四氧化三钴（Co₃O₄）具有可变的氧化态，易于调控改性，且本身也有一定的甲醛催化氧化性能，但在室温下活性较低。

中国科学院地球环境研究所研究员黄宇团队提出一种对Co3O4进行碳复合改性的策略，解决了纯Co₃O₄（P-Co₃O₄）在活化氧气能力不足的问题，实现了对低浓度甲醛的完全常温催化氧化。一系列的结构（图1）及形貌（图2）表征显示，碳的复合使Co₃O₄晶粒尺寸缩小（约7.7 nm）、活性位点（氧空位和Co³⁺）增多，这源于碳与Co₃O₄存在相互作用：与Co₃O₄纳米颗粒结合的碳以“纱状”的无定型结构存在，填充Co₃O₄纳米颗粒之间的间隙并覆盖了部分表面晶格，可防止Co₃O₄晶粒团聚。此外，无定型碳与Co₃O₄之间的界面显示碳原子可以被掺杂到Co₃O₄表面晶格的边缘的八面体中心，使连接到无定形碳的Co₃O₄晶格无序程度增加，形成了氧空位。

研究表明，微小晶粒尺寸与增多的氧空位有助于氧气的吸附活化。因此，碳复合调控的纳米常温催化材料C-Co₃O₄对1 ppm HCHO的去除效率长时间保持在90％以上，而未改性材料P-Co₃O₄则迅速失活。在静态测试中，C-Co₃O₄的CO₂选择性接近100％，远超过P-Co₃O₄（42％）。通过原位红外光谱揭示甲醛在C-Co₃O₄上的反应机理（图3），ROS的加速生产有助于将催化反应中间体（如二甲酰（DOM），甲酸盐和碳酸盐）迅速降解为CO₂。相反，碳酸盐堆积在含有较少ROS的P-Co₃O₄表面上可能导致P-Co₃O₄失活。该研究提出一种新的加速非贵金属催化剂ROS生成和HCHO分解的思路，有望实现Co₃O₄基催化剂在室内空气中常温除醛的应用。相关研究成果发表在Environmental Science & Technology上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划“纳米专项”等的资助。

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图1.C-Co₃O₄和P-Co₃O₄的基本结构表征

图2.C-Co₃O₄的微观形貌结构

图3.C-Co₃O₄复合表面上的HCHO催化氧化机理