室內(nèi)空氣凈化貴金屬催化劑的替代品

譯海擷英

室內(nèi)空氣凈化貴金屬催化劑的替代品

每到秋天，隨著氣溫的下降以及樹葉顏色的變化，汽車展廳里擺滿了最新的車型，與這些閃亮的新車相伴隨的是誘人的香味，簡稱為“新車味”。

這些奢侈品中的香味主要是揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），其中包括苯、苯乙烯、醛、酮等，如果打開車窗和車門并開啟空氣循環(huán)系統(tǒng)，汽車艙室內(nèi)的VOCs會(huì)很快消散在空氣中。這種從汽車塑料表面和地毯中散發(fā)出的VOCs不會(huì)對人類健康造成太大的危害，因而不會(huì)對它們進(jìn)行特別處理。

而存在于更多空氣不流通的空間——住宅、寫字樓，甚至是航天器中的揮發(fā)性混合物具有嚴(yán)重影響一個(gè)人健康的潛在危害。這種風(fēng)險(xiǎn)促使研究人員開發(fā)通過將VOCs催化轉(zhuǎn)化為無害化合物以擺脫室內(nèi)空氣污染的方法。

傳統(tǒng)上，具有催化活性的貴金屬如鉑和鈀已經(jīng)用于清潔空氣，將VOCs和其他有害氣體氧化為無害產(chǎn)物。但是由于成本較高以及鉑族金屬的供應(yīng)有限，科學(xué)家們正在尋找低成本的替代品。研究人員正在開發(fā)主要基于過渡金屬氧化物的替代品，他們正在探索“通過控制顆粒的微觀結(jié)構(gòu)和將顆粒分散在高性能載體上來增強(qiáng)材料催化活性并延長使用壽命”的方法。

“即使為痕量水平，長期暴露于持久性的有機(jī)化合物中也會(huì)對人體健康產(chǎn)生不利影響?！敝袊茖W(xué)院廣州地球化學(xué)研究所教授及VOCs催化專家安太成說。

VOCs對人體產(chǎn)生的不利影響，包括呼吸困難、流感樣癥狀、眼睛和咽喉發(fā)癢等，有時(shí)統(tǒng)稱為“病態(tài)建筑綜合癥”。公眾對這種狀況的關(guān)注在卡特里娜颶風(fēng)過后急劇攀升。2005年卡特里娜颶風(fēng)肆虐美國南部之后，成千上萬的民眾居住在由美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署（FEMA）提供的臨時(shí)建筑中，但是據(jù)民眾反映，這些建筑材料長期釋放甲醛，由此造成的民眾健康問題受到官方的指責(zé)。

諸如此類的事件促使研究人員對氣體污染物拉起了警戒線，即便當(dāng)它們的影響很細(xì)微或未知時(shí)。例如，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家2012年的一項(xiàng)研究表明，不只低含量的VOCs對人體有害，CO2的濃度增加也會(huì)造成不利影響。當(dāng)CO2濃度達(dá)到1 g/m3時(shí)（這在擁擠的教室和會(huì)議室很容易達(dá)到），人們的思維敏銳度和決策能力就會(huì)受到影響。

最近，路德教會(huì)總醫(yī)院（嶺公園，伊利諾伊州）的研究人員決定將用于早產(chǎn)嬰兒保育箱的塑料醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)化，這是因?yàn)樘撊醯男』颊咛貏e容易出現(xiàn)呼吸困難，而保育箱內(nèi)環(huán)己酮含量較高時(shí)，患者出現(xiàn)呼吸困難的幾率大幅上升。

有時(shí)，可簡單地通過開窗或風(fēng)扇使室內(nèi)空氣中的VOCs含量降低，這種方法也適用于早產(chǎn)嬰兒保育箱，但是，它并不總是一個(gè)備用選項(xiàng)?！袄纾诓荒塬@得新鮮空氣的空間中?！笨的腋裰荼焙谖氖蠵recision Combustion公司的催化劑開發(fā)負(fù)責(zé)人Jeffrey G.Weissman說。Weissman認(rèn)為太空是最佳的試驗(yàn)場所，他和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出用于國際空間站的艙室空氣凈化設(shè)備。

這些設(shè)備的核心位置是被稱為微晶的催化劑載體，該微晶是由多層類似于紗窗的金屬絲網(wǎng)組成的。與此相反，傳統(tǒng)的催化劑載體如汽車催化器中的催化劑載體，通常為大塊的陶瓷磚（整料），內(nèi)有許多狹長的孔道，催化反應(yīng)就在這些孔道中發(fā)生。

微晶中金屬的性質(zhì)和蜂窩狀結(jié)構(gòu)使其具有更大的表面積而且不受一般熱質(zhì)傳輸?shù)南拗?。氣體，包括污染物，能更自由地流動(dòng)穿過金屬微晶，與陶瓷載體相比，加熱微晶引發(fā)催化氧化作用所需的能量相對較少。對于VOC處理來講，無論負(fù)載何種催化劑，微晶氧化劑更加緊湊、輕質(zhì)且作用迅速。

Weissman指出，Precision Combustion生產(chǎn)的微晶氧化器在痕量水平的VOC（醇類、丙酮、甲苯及其他化合物）氧化測試中表現(xiàn)優(yōu)異，并且在經(jīng)過持續(xù)16 000 h的耐久性測試后，繼續(xù)利用該設(shè)備氧化甲烷，其活性絲毫沒有下降。

目前，該公司正在利用其生產(chǎn)的微晶研究低溫光催化氧化反應(yīng)。與熱驅(qū)動(dòng)的催化反應(yīng)相比，光催化需要的能量較少，并且可以避免熱量引起的副反應(yīng)所產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物。在利用紫外線和微晶負(fù)載TiO2氧化乙醇的實(shí)驗(yàn)中，Weissman和同事發(fā)現(xiàn)乙醇及其部分氧化產(chǎn)物乙醛的含量降低到該研究小組的檢出限以下，約為15 mg/L。

同時(shí)，在廣州，安太成教授和他的同事也在研究利用TiO2光催化降解VOC。研究人員最近開發(fā)了一種利用NH4F與鈦的前驅(qū)體反應(yīng)合成TiO2晶體的方法，通過調(diào)整NH4F的量得到具有最佳催化活性的TiO2晶面。這種經(jīng)過結(jié)構(gòu)調(diào)整的TiO2可將苯乙烯氣體的氧化效果最大化。

苯乙烯是常見室內(nèi)空氣污染物，通常是由建筑材料和膠黏劑釋放出來的，在住宅和寫字樓中含量較低，而在空氣流通性不好的塑料制品廠中含量很高。

廣州的研究小組也已經(jīng)開始研究光催化與熱催化相結(jié)合的效果。研究人員使用了低成本的LaBO3（B代表過渡金屬）結(jié)構(gòu)形式的鑭鈣鈦礦，發(fā)現(xiàn)在氧化苯乙烯實(shí)驗(yàn)中，LaMnO3、LaNiO3和LaFeO3的催化活性高于其他復(fù)合物，且光催化與熱催化相結(jié)合的方法比任一種單獨(dú)的方法都更有效。

Richard Q.Long不能分享他的催化劑的確切配方，但他和同事正在研發(fā)廉價(jià)高效的核-殼結(jié)構(gòu)催化劑，該催化劑可用于凈化面包房和其他室內(nèi)工作場所的空氣。Long是俄亥俄州催化劑和燃料電池制造公司NexTech Materials的研發(fā)科學(xué)家，據(jù)他介紹，該核-殼結(jié)構(gòu)的催化劑是過渡金屬氧化物組成的復(fù)合材料，微米尺寸的核心顆粒外包覆了一層多孔顆粒組成的泡沫狀外殼，但是核與殼的組成截然不同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與鈀和鉑的催化劑相比，該核殼結(jié)構(gòu)催化劑的作用溫度更低，而且將包括丙烷、丁烯和甲苯在內(nèi)的VOCs氧化為CO2和水的程度更徹底。研究還表明該氧化物性質(zhì)穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)持續(xù)860 h后其活性扔保持不變。此外，與貴金屬催化劑相比，該催化劑對VOCs中硅、磷等雜質(zhì)的耐受值較高。

中國大連理工大學(xué)的石川教授也認(rèn)為對于凈化寫字樓、住宅等室內(nèi)場所VOCs的低成本催化劑來說，兩種氧化物共同作用的效果優(yōu)于一種氧化物。相較于將兩種不同尺寸的顆?；旌?，她開發(fā)了具有存儲(chǔ)和氧化兩種功能的Co-Mn氧化物催化劑。

通過使用多孔硅KIT-6作為引導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成的模板，石川和同事制備了三維有序Co-Mn氧化物材料，并且在甲醛存儲(chǔ)-氧化循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，模板法制備的氧化物催化劑比非模板法制備的催化劑性能表現(xiàn)優(yōu)異。

在循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中，該催化劑在室溫下將甲醛部分氧化并將其中間產(chǎn)物固定在催化劑表面的電子捕獲陷阱中，隨后當(dāng)催化劑需要清潔時(shí)，研究人員只需簡單地將其溫度升高，表面的甲醛中間產(chǎn)物就被氧化為CO2和水。這些物質(zhì)從表面脫附，從而使催化劑再生。這種存儲(chǔ)-氧化催化劑室溫下的長效作用增強(qiáng)了其捕集、存儲(chǔ)VOCs的能力，進(jìn)而延長了其生命周期。

另一種高效催化VOCs燃燒的材料是MnO2，其價(jià)格低廉且來源豐富。比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)的Eric M.Gaigneaux，Victor G.Baldovino-Medrano與同事的研究表明MnO2與貴金屬催化劑在催化包括正己烷、甲硫醇、三甲胺在內(nèi)的VOCs時(shí)效率相當(dāng)。研究人員正在研究MnO2催化劑制造過程中各因素對其在商用化學(xué)反應(yīng)器中使用性能的影響。

從最近的研究來看，有幾種具有應(yīng)用前景的非貴金屬催化劑可用于去除密閉空間內(nèi)的有害污染物質(zhì)。隨著研究的不斷深入，部分催化劑有可能會(huì)商業(yè)化，用于火星探測航天器中空氣的凈化。

（本欄目編輯：李麗平）