甘蔗渣基生物质催化剂在挥发性有机化合物降解中的应用及协同催化机制研究

本研究针对挥发性有机化合物(VOCs)污染治理难题，创新性地将吸附重金属后的甘蔗渣(SCB)改性材料转化为高效催化剂，通过化学修饰（三甲酸酐/琥珀酸酐）负载Co(II)/Ni(II)，实现了n-六烷/n-七烷等VOCs在≤150°C低温下的完全氧化（产物仅为CO2/H2O），揭示了双金属协同催化机制，为农业废弃物高值化利用和绿色催化技术开发提供新思路。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机化合物(VOCs)污染已成为威胁环境和人类健康的重大挑战。这类具有高蒸汽压的有机物不仅导致光化学烟雾和臭氧层破坏，其部分组分如苯系物更是强致癌物。传统贵金属催化剂虽能有效降解VOCs，但高昂成本制约其大规模应用。与此同时，全球每年产生数百万吨甘蔗渣(SCB)等农业废弃物，常规处理方式既浪费资源又可能造成二次污染。如何通过"变废为宝"的策略实现环境治理与资源循环的双赢，成为摆在科学家面前的重要课题。

针对这一系列问题，巴西米纳斯吉拉斯联邦大学（Universidade Federal de Ouro Preto，UFOP）的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表创新性研究。他们巧妙地将重金属废水处理与VOCs催化氧化两个环境问题耦合，开发出基于改性甘蔗渣的双功能材料。研究人员首先通过三甲酸酐和琥珀酸酐对SCB进行化学修饰，制备出羧基功能化生物吸附剂(SBTS-0)，其羧基含量达4.97±0.14 mmol g^-1。随后利用该材料吸附Co(II)/Ni(II)制备单双金属催化剂，系统考察其对C6-C7烷烃及苯系物的催化性能。

研究采用多尺度表征技术体系：通过N₂吸附-脱附分析材料比表面积，TG-DSC研究热稳定性，XRD和XPS解析金属物种形态，FT-IR追踪表面官能团变化。催化性能测试在固定床反应器中进行，采用在线GC监测反应产物。特别设计25小时持续实验评估催化剂稳定性，并通过对比单/双金属体系揭示协同机制。

材料特性与吸附性能
SBTS-0经酸酐改性后增重74.7%，单金属吸附量达Co(II)1.59±0.04 mmol g^-1、Ni(II)1.36±0.01 mmol g^-1。双金属体系(Co:Ni=1:1,2:1,1:2)总吸附量提升至1.6-2.6 mmol g^-1，XPS证实金属与羧基形成配位键。

催化氧化效能
所有催化剂在≤150°C即可实现n-六烷/n-七烷完全转化，苯系物需较高温度。值得注意的是：

1. Ni(II)单金属催化剂(SBTS-2)表现最优，150°C时n-六烷转化率达98%
2. 双金属体系呈现显著协同效应，Co/Ni=1:2(SBTS-5)对甲苯氧化活性较单金属提升40%
3. 25小时长周期测试显示SBTS-2保持90%以上初始活性，仅检测到CO₂和H₂O产物

机理探讨
XRD与XPS数据表明Ni(II)更易形成高分散活性物种，其与Co(II)共存时产生电子转移效应，促进晶格氧流动性。FT-IR显示反应后催化剂表面羧基峰强度稳定，证实材料结构完整性。

这项研究开创性地构建了"废水处理-固废再生-废气净化"的全链条治理模式，其科学价值体现在三方面：

1. 证实生物质负载过渡金属可替代贵金属催化剂，将VOCs氧化温度降低至150°C以下
2. 首次阐明Co/Ni双金属在生物质载体上的协同催化机制
3. 为农业废弃物高值化利用提供可推广的技术路径

Megg Madonyk Cota Elias等研究者通过巧妙的材料设计，不仅解决了吸附剂后续处置难题，更开发出高效廉价的VOCs治理技术。该成果对发展循环经济、实现"双碳"目标具有重要启示，相关技术路线有望在石化、印刷等行业废气处理中实现应用突破。