三元氧化物催化剂莫来石YMn2O5首次实现无能耗超低温臭氧分解

南开团队在臭氧污染物的超低温治理领域取得新进展

     南开大学电子信息与光学工程学院王卫超教授课题组面向国家臭氧污染严峻形势以及“双碳”战略重大战略需求，首次在三元氧化物催化剂莫来石YMn2O5上实现无能耗超低温(-40 oC-室温)臭氧分解。该成果的推广应用将为目前新型大气污染物臭氧在超低温环境下的降解提供有力的技术支撑，并在商业航空等领域发挥积极作用。

     介绍该工作的论文日前发表于国际学术期刊Environmental Science & Technology上：“首次在三元氧化物催化剂莫来石YMn 2 O 5上实现无能耗超低温臭氧分解。YMn 2 O 5氧化物在-40 °C 的低温下催化臭氧分解，转化率为29%（反应速率：1534.2 μmol g^-1·h^-1）并迅速达到100%（5459.5 μmol g^-1·h^-1）当升温至 -5 °C 时。优于 YMn 2 O 5的低温性能可以超过已报道的臭氧分解催化剂。结构和元素价态表征证实了YMn 2 O 5室温反应 100 h 后保持不变，表明催化剂具有优异的耐久性。O 2 -TPD（O 2 -程序升温脱附）表明活性位点是Mn 3+位点与表面上的单配位氧键合。结合原位拉曼测量和密度泛函理论计算，我们发现YMn 2 O 5上的臭氧分解反应的势垒仅为0.29 eV，遵循Eley-Rideal（E-R）机制，限速步骤为中间体 O 2 2–解吸。低势垒很大限度地减少中间产物的积累，实现快速O 3即使在超低温下也会分解。从根本上说，低对称三元氧化物中适度的 Mn-O 键合强度对于在表面上产生单配位活性物质至关重要，这些活性物质负责在低温下有效地降解臭氧。”

　　随着我国“十四五”规划将大气污染控制的重点从PM2.5转向VOCs和O3，开发零能耗分解O3的催化剂至关重要。目前广泛研究的催化材料无法满足极低温环境下（-40oC——室温）的催化需求。因此，设计满足国家“双碳”要求的复杂环境下零能耗分解臭氧的催化剂具有重要的环境意义与科学价值。

       研究表明，得益于莫来石独特的对称结构和表面适宜的Mn-O键结合强度，YMn2O5可以在极低的过渡态势垒（0.29 eV）下将臭氧高效分解为氧气，并能在高浓度（120 ppm）、高空速（600,000 mL·g^-1·h^-1）、超低温（-40oC-室温）、高湿度（RH=90%）环境下长时间（100h）保持稳定。

　　图1.YMn2O5高效催化高浓度臭氧分解为氧气，并能在超低温（a）及高湿度（b,c）环境下长时间保持稳定。（120ppm O3/Air，质量空速WHSV=600,000mL·g-1·h-1，RH：相对湿度）

　　图2.（a）莫来石单胞，（b）合成粉末电镜图以及（c）基于莫来石催化材料的部分工业产品

　　从2019年开始，基于莫来石催化材料，王卫超教授课题组布局了臭氧的零能耗分解方向。目前，团队已经实现了该材料的宏量制备，可满足各类工业应用需求。期待在“双碳”背景下，莫来石催化剂能够对目前大气污染物臭氧的降解提供必要的技术支撑。

　　论文第一作者为南开大学电子信息与光学工程学院博士生万翔和王丽静，王卫超教授为通讯作者，南开大学为第一完成单位。

　　该研究得到了国家自然科学基金委，深圳市科技创新委员会，移动源排放控制技术国家工程实验室，国家环境保护恶臭污染控制重点实验室，天津市杰出青年学者基金的资助。