真空紫外光耦合α-MnO2催化臭氧氧化技术实现室温高效VOCs降解

针对传统催化臭氧氧化技术存在低温活性不足、湿度敏感性及O3残留等问题，加拿大萨斯喀彻温大学团队创新性提出VUV光反应器-固定床耦合系统，通过α-MnO2/TiO2催化剂实现丙酮100%转化率与O3完全分解，突破湿度抑制瓶颈并实现原位再生，为室内空气净化提供可持续解决方案。

　　

随着现代人90%时间处于室内环境，挥发性有机化合物（VOCs）污染已成为重大公共卫生挑战。美国环保署数据显示，室内VOCs浓度可达室外2-5倍，长期暴露可能引发从头痛到癌症的系列健康问题。传统处理技术如吸附、光催化等存在效率低或二次污染缺陷，而臭氧催化氧化虽具潜力，却受限于催化剂低温失活、湿度敏感性及O₃残留等瓶颈。特别是α-MnO₂催化剂在室温应用中面临转化率不足（文献报道仅19%）、高温需求（如325℃才能完全降解甲苯）以及67%相对湿度（RH）下活性骤降30%等难题。

加拿大萨斯喀彻温大学Jafar Soltan团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，首次将真空紫外光（VUV）反应器与α-MnO₂固定床耦合，构建新型室温空气净化系统。通过VUV原位生成O₃并协同α-MnO₂/TiO₂催化，实现丙酮和O₃双100%转化，突破湿度抑制效应，且循环使用后活性衰减小于2%。

研究采用X射线衍射（XRD）、比表面积测试（BET）、电子顺磁共振（EPR）等技术表征催化剂结构，通过对比VUV-固定床耦合系统与单一反应器的性能差异，结合自由基捕获实验阐明机制。结果显示：

材料与催化剂表征
XRD证实成功合成具有(110)、(200)晶面的α-MnO₂（卡片#96-151-4117），γ-Al₂O₃载体呈现典型(400)、(440)衍射峰。

催化性能提升
耦合系统使α-MnO₂、α-MnO₂/TiO₂、α-MnO₂/γ-Al₂O₃的丙酮转化率从61-74%跃升至91-100%，O₃分解率从47-63%提升至100%。TiO₂负载的催化剂表现最优，EPR证实.O₂^-/.OH自由基协同作用机制。

湿度稳定性突破
传统固定床在RH升高时活性显著下降，而耦合系统在潮湿环境下仍保持100%转化率，VUV光生自由基有效维持催化剂表面活性位点。

结论与意义
该研究通过VUV-催化臭氧氧化耦合策略，首次实现室温、高湿条件下VOCs完全矿化，解决了α-MnO₂基材料在实际应用中的三大痛点：低温活性不足、湿度敏感性和再生困难。系统创新的原位再生能力将催化剂循环衰减控制在2%以内，TiO₂负载进一步优化电子传递路径。这项技术为发展零能耗、无二次污染的室内空气净化设备奠定基础，尤其适用于高湿度地区的可持续环境治理。