Trans Tianjin Univ |低能耗高效锰基催化剂用于室内挥发性有机物降解

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文章信息

Yanbo Li, Shuhe Han, Liping Zhang, Yifu Yu. Manganese-Based Catalysts for Indoor Volatile Organic Compounds Degradation with Low Energy Consumption and High Efficiency. Trans Tianjin Univ, 2021: https://doi.org/10.1007/s12209-021-00308-5

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00308-5

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本文亮点

1. 综述了锰基催化剂的设计、合成及其在VOCs催化降解方面的最新进展。

2. 介绍了锰基催化剂对VOCs的热催化、光催化和光热催化降解。

3. 讨论了结构设计、装饰改性和缺陷工程等技术对锰基催化剂性能的调控。

4. 提出该领域的挑战和未来的研究方向。

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背景及意义

能源和环境问题是当今世界的两大问题。挥发性有机化合物（VOCs）的来源广泛，包括涂料、有机化学品、石化、制药和餐饮行业，室内VOCs严重危害人体健康。VOCs催化降解作为一种低能耗、高效率、易实现的方式，在相关领域得到了广泛的研究。锰基催化剂作为一种过渡金属催化剂，因其优异的催化性能、独特的结构、大的比表面积、优异的吸附能力、高效、低成本、稳定性好等独特优势，在VOCs的催化降解方面备受关注。

本文综述了用于降解VOCs的锰基催化剂的设计、合成和应用的最新进展。首先简要介绍了VOCs的降解机理，然后总结了锰基催化剂对VOCs降解的热催化、光催化和光热催化，讨论了锰基催化剂的结构设计、装饰改性和缺陷工程等方面的优化。研究表明：适当的结构设计可以提高比表面积，增加活性位点，提高催化性能；一定量的其他金属离子特别是贵金属的修饰，可以大大提高催化性能；缺陷工程被认为是调节材料电子结构最有效的策略之一，极大地提高了催化剂的催化性能。最后，就该领域的挑战和未来的研究方向提供了一些见解：

（1）尽管锰基催化剂在高效催化降解VOCs方面取得了重大进展，但仍存在一些挑战和可能的机遇。首先，氧化锰是一种窄带隙半导体，具有良好的光热转换性能。关于锰基催化剂用于光催化和光热催化反应的报道很少，应该在这个研究领域投入更多的研究。

（2）贵金属通常被掺杂到锰基催化剂中以提高其催化性能。然而，贵金属的成本高，大大限制了其广泛应用。因此，有必要开发掺杂较少量的贵金属或地球上储量丰富的元素的催化剂。

（3）虽然针对锰基催化剂对VOCs的催化降解进行了大量的研究，但对具体的反应途径仍缺乏有效的了解。因此，需要更多的实验和理论模拟来深入了解锰基催化剂分解VOCs的路径。

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图文导读

图1 甲苯的催化燃烧机理。经参考文献[50]许可转载，版权所有 2020 Elsevier

图2 （a）甲苯转化率曲线，（b）反应温度与α-、β-、γ-和δ-MnO₂ Arrhenius 拟合曲线。经参考文献[38]许可转载，版权所有2019 Elsevier。（c）甲苯催化氧化性能和（d）不同相结构的MnO₂催化甲苯氧化过程中的CO₂产率。经参考文献[65]许可转载，版权所有2019 Elsevier

图3 催化剂对乙烯、丙烯、甲苯和VOC（乙烯、丙烯和甲苯）总氧化催化结果与反应温度的关系。经参考文献[36]许可转载，版权所有 2014 Elsevier

图4 （a）催化剂Au/TOS、Mn/TOS、Au-Mn/TOS 和TOS对丙烷总氧化催化活性比较。经参考文献[59]许可转载，版权所有2014 Elsevier。（b）催化剂MnO₂ 和Pt 沉积的MnO₂对甲苯转化的温度关系。经参考文献[69]许可转载，版权所有2019Elsevier

图5   VOCs 的氧化：（a） 甲苯转化和 （b） γ-MnO₂/SMO、SMO 和γ-MnO₂ 催化甲苯氧化CO₂ 产率与反应温度的关系；（c）苯、乙苯和邻二甲苯转化率和（d） γ-MnO₂/SMO催化BEX 氧化的CO₂产率与反应温度的关系。经参考文献[40]许可转载，版权所有 2019 Elsevier

图6  发生在半导体粒子上的主要反应：电子-空穴对的产生、电荷转移、本体表面中的电子-空穴对复合，以及在表面的电子和空穴诱导化学反应。经参考文献[81]许可转载，版权所有 2019 WILEY-VCH

图7 （a）苯浓度与时间关系，（b）苯氧化产生的 CO₂，（c）在催化剂上苯氧化产生的 CO₂，（d） 在氙灯的全太阳光谱辐照下CM-120 对苯氧化的耐久性（每个循环的反应时间，20 分钟）。经参考文献[93]许可转载，版权所有2015 Royal Society of Chemistry

图8 （a）催化剂 Pt-TiO₂/Ce-MnOxTi40%-Pt1.0%光催化、热催化和光热催化性能的比较。经参考文献[61]许可转载，版权所有 2012 Elsevier。（b）MnOx/TNS-C 样品在黑暗中和在不同温度下 Xe 灯照射下苯氧化的CO₂生成率。经参考文献[102]许可转载，版权所有2016 Elsevier

通讯作者简介


张 丽 萍
2009和 2012 年分别获得西南交通大学（中国）学士学位和硕士学位。2018年在新加坡南洋理工大学获博士学位，师从霍峰蔚教授和刘斌教授。之后，在新加坡南洋理工大学Madhavi Srinivasan教授课题组从事博士后研究。现任韩国首尔国立大学 Taeghwan Hyeon 教授课题组研究员。她的研究兴趣集中在能源纳米材料的设计和合成。 于 一 夫
于一夫教授分别于2009年和2014年获得天津大学化工学院学士和博士学位，师从孟明教授。之后前往新加坡南洋理工大学张华教授课题组从事博士后研究。2017年入职天津大学理学院化学系，2019年调入天津大学分子+研究院担任教授。获得了“天津市杰青”、“国家高层次青年人才计划”、“北洋学者”等荣誉称号。目前，研究兴趣主要集中在“可持续人工氮循环”。

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