光热催化氧化 VOCs 的研究进展

一、引言

VOCs 是指在常温下，沸点50 ～ 260 ℃的各种有机化合物，能参与大气环境中臭氧、光化学烟雾、二次气凝胶的形成，是加剧大气复合污染的重要因素，直接影响人类健康和经济社会可持续发展［1］。VOCs主要来源于工业生产、机动车排放等人类生产生活活动。目前，VOCs 的末端治理技术主要包括吸收、吸附、冷凝、膜分离、热催化、等离子体、光催化和生物降解等技术。其中，催化氧化法能够在催化剂的参与下，将VOCs 污染物在较低温度下较彻底转化为无毒的CO2 和H2O，被认为是最有效的VOCs 消除方法之一［2，3］。催化氧化技术主要包括热催化氧化技术和光催化氧化技术。针对VOCs 催化氧化，设计制备高效、经济的催化剂，并通过对催化作用机制、再生机理等科学问题的研究，有效保证VOCs 催化剂的长效和有效运行，不仅是关键科学问题，更是重要的实际应用问题。

热催化氧化VOCs热催化氧化技术是通过升温供能的方式依靠催化剂将VOCs 氧化分解，使得气体得到净化( 图1) ，其处理对象广、二次污染少、市场认可度高，核心是高性能催化材料的研发。

用于VOCs 催化燃烧的非贵金属催化剂主要包括Mn、Ce、Fe、Co、Cu、Ni 等金属氧化物，价格低廉，但往往遇到催化活性较低，起燃温度高、运行能耗高等问题。贵金属催化剂活性高，起燃温度低，有利于降低设备运行能耗和费用，但价格昂贵，大量负载将加大投资成本，易与含硫含氯化合物作用而导致催化剂失效，高温反应易烧结引起材料活性降低［4］。基于此，近年来国内外一直致力于开发能在温和条件下高效催化净化VOCs 的新型非贵金属及其低贵金属催化材料，相关策略包括:

1) 设计催化剂制备方法，构筑不同非贵金属间的界面效应或调控贵金属活性组分与催化剂载体之间的相互作用，改善贵金属有效负载和高度分散以及催化剂氧化还原性质、氧迁移性、反应物的吸附活化能力;

2) 调控催化剂表面功能团，调控增强催化材料抗硫、抗氯、抗水汽、抗烧结能力;

3) 通过设计催化剂载体的形貌、多级孔结构，促进贵金属/非贵金属活性组分的高度分散、VOCs 的扩散与限域富集［5，6］。表1 总结了近年来文献报道的贵金属和非贵金属型催化剂热催化氧化VOCs 性能。尽管热催化氧化技术在VOCs 控制治理中的应用最为广泛，但其催化反应能耗也较高。

2 光催化氧化VOCs

以半导体材料为催化剂的多相光催化氧化反应可室温条件反应，可直接利用太阳光作活化催化剂并驱动氧化还原反应，是一种低能耗的理想技术［16］。光催化氧化技术是指半导体催化剂在光的辐照下，电子从价带跃迁到导带位置，在导带形成光生电子，在价带形成光生空穴。光生电子空穴对的