用于空气污染控制的环境催化技术

《ACS ES&T Engineering》：Environmental Catalysis for Air Pollution Control

空气污染控制中的环境催化技术创新与多污染物协同治理。

　　

特刊

作为《ACS ES&T Engineering》特刊“用于空气污染控制的环境催化”的一部分而发布。

由于空气污染对环境和健康的严重影响，解决这一问题的紧迫性达到了前所未有的高度。随着人们对空气质量以及其在气候变化、公共健康和生态健康方面的重要性的关注日益增加，开发有效的空气污染控制技术变得至关重要。此外，催化领域的最新突破，尤其是在环境催化方面，为应对空气污染带来了新的创新解决方案。催化技术可以根据特定的污染物和应用进行定制，使其成为改善空气质量的多功能工具。环境催化有助于实现法规合规性，促进更清洁的工业过程，并支持向低碳经济的转型。

这本《ACS ES&T Engineering》的特刊重点介绍了旨在从大气中去除有害污染物和气体的最新催化系统和材料进展，包括氮氧化物（NO_x）、挥发性有机化合物（VOCs）和颗粒物。这些污染物对人类健康、生态系统和气候构成了重大威胁。

甲烷（CH₄）氧化和一氧化碳（CO）氧化是清洁能源转换和空气污染物减排的核心。Lin等人调查了CH₄的转化途径和新兴催化剂概念，提炼出了关键的瓶颈（选择性和稳定性）以及目前指导针对性减排策略的分析/人工智能工具（10.1021/acsestengg.4c00700）。在此基础上，Li等人比较了Pd单原子催化剂（SACs）和负载在CeO₂上的Pd纳米簇在CH₄燃烧中的应用。研究结果表明，目前Pd纳米簇在CH₄燃烧方面比SACs更有效，需要进一步优化单原子位点以提高其催化性能（10.1021/acsestengg.5c00042）。Shan等人提出了一种简单的CH₄燃烧催化剂活化策略，通过在Pd–CoAlO_x界面诱导原位高温重构来实现。结果表明，热处理会导致界面结构改变和金属-载体相互作用增强，从而显著提高CH₄的催化活性（10.1021/acsestengg.5c00281）。除了贵金属之外，Liu等人将CeO₂引入CuO/MgO-Al₂O₃体系，在潮湿条件下仍能保持高CO转化率，并解决了废气处理中常见的水诱导失活问题（10.1021/acsestengg.5c00303）。H₂S和CH₄通常共存于天然气处理、沼气生产、垃圾填埋气体以及各种石油化工和废水处理过程中的排放物中，因此它们的联合去除对工业空气污染控制具有重要意义。Leu等人使用可见光金属卟啉水凝胶将H₂S氧化为元素硫，将这种有毒气体转化为资源（10.1021/acsestengg.5c00108）。Hao等人进一步利用富含缺陷的MoS₂将H₂S与CH₄转化为不含CO_x的H₂，同时消除了危害并生成了清洁燃料（10.1021/acsestengg.5c00265）。这些研究阐明了结构-活性关系，通过调控界面/缺陷来调整活性位点，并将研究范围从贵金属扩展到非贵金属体系及含硫系统，以实现污染控制与资源回收的结合。

氮氧化物（NO_x）是典型的空气污染物，会对人类健康和生态系统造成危害。为了解决这一问题，Dong等人表明，精细调控CeO₂/TiO₂上的铈分散度可以最大化NH₃–SCR的效率，适度的分散度能够实现最佳的氧化还原平衡和反应物活化（10.1021/acsestengg.5c00151）。基于操作灵活性，Shimizu等人仅使用0.3 wt%的Pt/mordenite通过切换富集-贫瘠循环实现了连续的NO_x减排，充分利用了催化剂的多功能性（10.1021/acsestengg.5c00113）。Xiong等人通过水热处理在Co₃O₄表面引入羟基基团，调节了其电子结构并增强了电子转移能力，从而显著提高了低温下N₂O的氧化性能（10.1021/acsestengg.4c00791）。然而，在实际的工业烟气处理中，碱性条件、重金属和其他复杂污染物仍然是需要解决的主要挑战。为了解决这个问题，Zhang等人设计了自保护型的Ce–Cu双位点催化剂，能够在这些有毒物质存在下保持高NO_x转化率（10.1021/acsestengg.5c00285）。当催化剂中毒时，他们提出了一种接力再生方案，通过顺序的液相和气相处理恢复V₂O₅–WO₃/TiO₂的活性并延长使用寿命，同时减少有害废物的产生（10.1021/acsestengg.5c00066）。在多污染物控制方面，Zhang等人使用负载CaO的催化剂，通过协同作用位点同时去除NO_x和CH₃SH，即使在硫中毒的情况下也能保持高效（10.1021/acsestengg.5c00221）。这些研究不仅优化了内在活性位点和操作模式，还确保了催化剂的抗毒性、可再生性和多污染物去除能力。

挥发性有机化合物（VOCs）会通过促进臭氧形成和光化学烟雾的发展显著影响大气环境，从而导致空气质量恶化。鉴于VOCs的复杂组成，修复策略已多样化，包括电化学高级氧化、光催化、自由基活化以及基于生物的方法等。Zhang等人设计了一种气-固电Fenton反应器，能够在?3 V下原位生成H₂O₂/•OH，并完全矿化10 ppm的甲苯（10.1021/acsestengg.5c00266）。光催化剂中的吸附和催化位点是影响芳香族VOCs降解效率的重要因素。Chen等人通过调节Fe–O位点的暴露程度和Fe-MOGs的Lewis酸度来增强o-二甲苯的降解能力（10.1021/acsestengg.4c00949）。对于含硫VOCs，Wang等人使用Ni@NCNTs激活过氧二硫酸盐，实现了低浓度CH₃SH的连续流氧化（10.1021/acsestengg.4c00910）。Sharifan等人将工程纳米颗粒与普通小球藻结合使用，同时降解2-硝基苯胺并捕获CO₂，其性能优于传统的微藻系统，并实现了污染物去除与碳捕获的结合（10.1021/acsestengg.5c00172）。Tian等人详细介绍了无机量子点（IQDs）的合成策略，并展示了它们在气体传感和污染物去除中的应用，明确说明了IQDs在环境污染控制中的潜力。因此，IQDs被视为多功能纳米平台，可以集成到VOC控制方案和更广泛的减排技术中（10.1021/acsestengg.5c00232）。此外，Dai等人研究了烹饪油雾，将排放特性与催化燃烧机制（Mars–van Krevelen、Langmuir–Hinshelwood和Eley–Rideal）联系起来，并确定了贵金属/非贵金属催化剂作为环保高效的解决方案（10.1021/acsestengg.4c00671）。

总体而言，这里描述的研究强调了跨学科、绿色和低碳方法在应对气体污染物控制多方面挑战中的重要性，以满足碳中和目标。通过整合化学、材料科学、环境工程、生物技术和数据驱动设计的原则，这些研究提供了从活性位点和界面调控到多样化的电/光催化、重整和生物纳米途径的创新解决方案，符合循环低碳经济的目标。此外，这些研究特别强调了实际操作条件、可扩展性以及对毒物和湿度的抗性，确保了研究成果能够转化为切实的环境和社会效益。我们希望这一系列研究能够吸引新兴研究人员的广泛关注，并促进这一关键领域的进一步合作，推动可持续技术和政策的开发，以实现更清洁的空气和更健康的氛围。我们感谢作者、审稿人和编辑团队的贡献。