惰性与半导体载体对α-MnO2 催化臭氧氧化VOCs性能影响的创新研究：机理探索与稳定性评估

本研究针对室内空气净化需求，系统比较了ZSM-5和SiO2 载体对α-MnO2 催化臭氧氧化VOCs性能的影响。通过TGA、BET、XPS等表征技术，发现ZSM-5载体通过稳定Mn3+ /Mn2+ 态和增加氧空位密度，使催化剂对丙酮/甲苯的去除率分别达93%/96%，且在湿度环境下保持优异稳定性，为低能耗空气净化技术开发提供了新思路。

　　

随着城市化进程加速，室内空气污染已成为重大公共卫生问题。研究表明现代人90%时间处于室内环境，而室内污染物浓度可达室外2-5倍，长期暴露可能引发从"病态建筑综合症"到癌症等多种健康问题。在众多污染物中，挥发性有机化合物(VOCs)因其普遍性和潜在危害备受关注。传统处理技术如生物降解、吸附、光催化等存在效率低或能耗高的局限，而臭氧辅助催化氧化技术因其高效、低能耗优势展现出巨大潜力。

在催化剂选择方面，锰氧化物因其丰富的隧道结构、低成本和高活性成为研究热点。其中α相二氧化锰(α-MnO₂
)因其稳定的四方晶体结构和丰富的表面活性氧物种被认为是最具前景的催化剂。然而现有研究存在三个关键瓶颈：载体影响机制不明确、反应选择性调控困难、臭氧残留问题未解决。特别是不同载体如何通过调控锰电子态和氧空位浓度来影响催化性能，尚缺乏系统研究。

针对这些问题，研究人员开展了载体类型对α-MnO₂
性能影响的创新研究。通过对比惰性载体SiO₂
与半导体载体ZSM-5的性能差异，揭示了载体性质与催化活性的构效关系。研究采用水热法合成催化剂，通过XRD、HRTEM确认α-MnO₂
的(310)晶面暴露特征，利用XPS分析证实ZSM-5可稳定Mn³⁺
/Mn²
+态。在25°C、1000ppm臭氧条件下测试催化剂对丙酮(150ppm)和甲苯(150ppm)的降解性能，并通过10次循环实验评估稳定性。

催化剂表征
XRD显示纯α-MnO₂
晶粒尺寸约23nm，载体引入后衍射峰强度减弱。TEM证实α-MnO₂
呈10-50nm直径的棒状结构，HRTEM显示(310)晶面间距0.24nm。BET测定α-MnO₂
/ZSM-5比表面积达230m²
/g，显著高于纯α-MnO₂
(46m²
/g)。XPS关键发现：ZSM-5载体使Mn³⁺
比例提升至47.6%，并产生更多吸附氧物种(O_ads
)，为反应提供活性位点。

催化活性评估
α-MnO₂
/ZSM-5对甲苯/丙酮的去除率分别达96%/93%，反应速率达9.81/9.51μmol·min^-1
·g^-1
，较纯α-MnO₂
提升31%。CO_x
产率分析显示ZSM-5组甲苯矿化率达421ppm，证实其完全氧化能力。对比文献数据，该催化剂在25°C低温下的性能优于需120°C运行的Cu掺杂催化剂。

稳定性研究
10次循环后α-MnO₂
/ZSM-5活性仅下降3-5%，XPS证实其Mn氧化态变化最小。ZSM-5的晶体骨架结构和酸性位点有效防止活性组分流失，而SiO₂
组活性下降达9%。

操作参数影响
温度升至120°C时所有催化剂活性提升并趋于稳定。相对湿度(RH)超过40%时，ZSM-5组因疏水性保持较高活性，而纯α-MnO₂
在65%RH下活性降低15%。

反应机理
提出三条丙酮氧化路径：经羟基丙酮→甲酸→CO₂
；经丙酮醇→乙酸→CO₂
；经异亚丙基丙酮→乙酸→CO₂
。甲苯则通过苯甲醇→苯甲醛→苯甲酸→CO₂
路径降解。ZSM-5的酸性位点促进臭氧分解为·OH等活性氧物种，加速中间产物矿化。

该研究创新性地揭示了载体性质与α-MnO₂
催化性能的构效关系，证实ZSM-5通过电子效应和几何效应协同提升催化剂性能。实际意义在于：① 开发出室温高效VOCs净化技术，能耗仅为传统热催化的1/5；② 阐明湿度环境下催化剂的失活机制，为工业应用提供设计依据；③ 全臭氧转化特性解决了尾气臭氧残留的二次污染问题。这些发现为发展"双碳"目标下的绿色空气净化技术提供了重要理论基础和技术支撑。