室內空氣凈化貴金屬催化劑的替代品

譯海擷英

室內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性有機化合物（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系統，汽車艙室內的VOCs會很快消散在空氣中。這種從汽車塑料表面和地毯中散發出的VOCs不會對人類健康造成太大的危害，因而不會對它們進行特別處理。

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性混合物具有嚴重影響一個人健康的潛在危害。這種風險促使研究人員開發通過將VOCs催化轉化為無害化合物以擺脫室內空氣污染的方法。

傳統上，具有催化活性的貴金屬如鉑和鈀已經用于清潔空氣，將VOCs和其他有害氣體氧化為無害產物。但是由于成本較高以及鉑族金屬的供應有限，科學家們正在尋找低成本的替代品。研究人員正在開發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構和將顆粒分散在高性能載體上來增強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化合物中也會對人體健康產生不利影響。”中國科學院廣州地球化學研究所教授及VOCs催化專家安太成說。

VOCs對人體產生的不利影響，包括呼吸困難、流感樣癥狀、眼睛和咽喉發癢等，有時統稱為“病態建筑綜合癥”。公眾對這種狀況的關注在卡特里娜颶風過后急劇攀升。2005年卡特里娜颶風肆虐美國南部之后，成千上萬的民眾居住在由美國聯邦緊急事務管理署（FEMA）提供的臨時建筑中，但是據民眾反映，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。

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，即便當它們的影響很細微或未知時。例如，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家2012年的一項研究表明，不只低含量的VOCs對人體有害，CO2的濃度增加也會造成不利影響。當CO2濃度達到1 g/m3時（這在擁擠的教室和會議室很容易達到），人們的思維敏銳度和決策能力就會受到影響。

最近，路德教會總醫院（嶺公園，伊利諾伊州）的研究人員決定將用于早產嬰兒保育箱的塑料醫療器械標準化，這是因為虛弱的小患者特別容易出現呼吸困難，而保育箱內環己酮含量較高時，患者出現呼吸困難的幾率大幅上升。

有時，可簡單地通過開窗或風扇使室內空氣中的VOCs含量降低，這種方法也適用于早產嬰兒保育箱，但是，它并不總是一個備用選項。“例如，在不能獲得新鮮空氣的空間中。”康涅狄格州北黑文市Precision Combustion公司的催化劑開發負責人Jeffrey G.Weissman說。Weissman認為太空是最佳的試驗場所，他和他的團隊已經開發出用于國際空間站的艙室空氣凈化設備。

這些設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組成的。與此相反，傳統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），內有許多狹長的孔道，催化反應就在這些孔道中發生。

微晶中金屬的性質和蜂窩狀結構使其具有更大的表面積而且不受一般熱質傳輸的限制。氣體，包括污染物，能更自由地流動穿過金屬微晶，與陶瓷載體相比，加熱微晶引發催化氧化作用所需的能量相對較少。對于VOC處理來講，無論負載何種催化劑，微晶氧化劑更加緊湊、輕質且作用迅速。

Weissman指出，Precision Combustion生產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）氧化測試中表現優異，并且在經過持續16 000 h的耐久性測試后，繼續利用該設備氧化甲烷，其活性絲毫沒有下降。

目前，該公司正在利用其生產的微晶研究低溫光催化氧化反應。與熱驅動的催化反應相比，光催化需要的能量較少，并且可以避免熱量引起的副反應所產生的有害副產物。在利用紫外線和微晶負載TiO2氧化乙醇的實驗中，Weissman和同事發現乙醇及其部分氧化產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，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。研究人員最近開發了一種利用NH4F與鈦的前驅體反應合成TiO2晶體的方法，通過調整NH4F的量得到具有最佳催化活性的TiO2晶面。這種經過結構調整的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開始研究光催化與熱催化相結合的效果。研究人員使用了低成本的LaBO3（B代表過渡金屬）結構形式的鑭鈣鈦礦，發現在氧化苯乙烯實驗中，LaMnO3、LaNiO3和LaFeO3的催化活性高于其他復合物，且光催化與熱催化相結合的方法比任一種單獨的方法都更有效。

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廉價高效的核-殼結構催化劑，該催化劑可用于凈化面包房和其他室內工作場所的空氣。Long是俄亥俄州催化劑和燃料電池制造公司NexTech Materials的研發科學家，據他介紹，該核-殼結構的催化劑是過渡金屬氧化物組成的復合材料，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。

實驗結果表明，與鈀和鉑的催化劑相比，該核殼結構催化劑的作用溫度更低，而且將包括丙烷、丁烯和甲苯在內的VOCs氧化為CO2和水的程度更徹底。研究還表明該氧化物性質穩定，在實驗持續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、磷等雜質的耐受值較高。

中國大連理工大學的石川教授也認為對于凈化寫字樓、住宅等室內場所VOCs的低成本催化劑來說，兩種氧化物共同作用的效果優于一種氧化物。相較于將兩種不同尺寸的顆粒混合，她開發了具有存儲和氧化兩種功能的Co-Mn氧化物催化劑。

通過使用多孔硅KIT-6作為引導結構形成的模板，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-氧化循環實驗中，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優異。

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

另一種高效催化VOCs燃燒的材料是MnO2，其價格低廉且來源豐富。比利時魯汶天主教大學的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、三甲胺在內的VOCs時效率相當。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反應器中使用性能的影響。

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

（本欄目編輯：李麗平）