中科院地球环境研究所碳封装钴纳米材料净化甲醛技术取得进展
【发布时间：2021年06月11日
】【来源：中科院地球环境研究所】
甲醛是一种典型的室内空气污染物，长期暴露在低浓度甲醛环境中，会对人体有致畸、致癌作用。因此，去除空气中的甲醛对改善室内空气质量具有十分重要的意义。常温催化氧化技术利用催化剂表面的活性氧物种（ROS）将甲醛有效转化为CO2，且无需额外的热源和光源。低价态的贵金属纳米颗粒（如Pt0和Ir0）具有较强的活化O–O键的能力，可实现室温下甲醛的完全矿化，但贵金属的稀有性及高成本极大限制了其应用。而廉价的过渡金属氧化物活化氧的能力较差，在室温下一般表现出较低的催化活性。
针对上述问题，中科院地球环境研究所黄宇研究员团队联合西安交通大学等单位曾报道了一种氮掺杂石墨碳封装的金属钴纳米颗粒（Co@NC），在室温下的甲醛去除率达85%。然而，这种封装于石墨碳的钴纳米颗粒在甲醛氧化反应中的尺寸效应及电荷转移机制尚不明确，限制了新材料的实际应用。近期，该团队精确调控了催化剂中金属钴的颗粒尺寸，并考察了其对甲醛氧化反应的影响机制。系列表征结果显示，Co@NC-0.25催化剂中的钴颗粒尺寸较小、分散度高（图1），室温下甲醛去除率大于90%，且单位质量金属钴表现出最高的催化能力（图2）。表明封装在石墨碳内部的钴颗粒尺寸对其反应活性至关重要，即较小的钴颗粒可提高其效率，促进电子从金属核向外层碳渗透，进而有效调控石墨碳表面的电子结构及其对氧的活化能力。密度泛函理论计算结果证明，金属钴上的电子可以渗透至石墨碳表面，有效促进O2的吸附，并使O–O键变长。研究最终提出了一种新型的甲醛转化机制（图2），特殊的Co@NC结构有利于形成富电子的碳表面，从而促进氧的活化及甲醛转化。
本研究报道了一种室温下具有类似贵金属催化效率的过渡金属纳米催化剂，其最佳的钴颗粒尺寸及特殊的Co@NC结构有助于提高金属钴的利用效率及氧活化能力，为室温高效净化甲醛提供了新的思路。
图1. Co@NC-0.25催化剂的微观形貌结构
图2. Co@NC系列催化剂催化甲醛氧化的尺寸效应（上）和反应路径（下）
该成果已发表在国际期刊ACS ES&T Engineering （Zhu et al., 2021, 1, 5, 917–927）。本项工作得到了国家重点研发计划“纳米专项”、中国科学院战略性先导科技专项以及国家自然科学基金等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00080
Zhu, D., Huang, Y.*, Li R., Huang T., Cao, J-j., Shen, Z.*, Lee, S.C.. Formaldehyde Oxidation over Co@N-Doped Carbon at Room Temperature: Tunable Co Size and Intensified Surface Electron Density. ACS EST Engg. 2021, 1, 5, 917–927. https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00080.
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