甲醛因具有致畸、致癌的危害，是室内环境中最受关注的气态污染物之一。我国新颁布的《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2020）已将室内甲醛浓度限值由此前的0.1 mg/m3（GB/T 18883-2002）降低至0.08 mg/m3，采取有效的措施净化室内甲醛，对改善室内空气质量、降低健康风险具有重大意义。相比目前市场主流的吸附、等离子体氧化和光催化氧化等除甲醛技术，常温催化氧化除甲醛的反应条件温和、无需额外能量，在室温下即可将甲醛氧化成二氧化碳，是最有前景的甲醛净化技术之一。过渡金属如铂（Pt）、铱（Ir）、钴（Co）和铁（Fe）等具有优异的低温活化氧气（O2）能力，但金属材料的尺寸效应、金属-载体相互作用及中间产物的毒化效应严重制约其活性，限制了其在常温催化氧化甲醛中的应用。
中国科学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，开发了新型碳封装FeCo合金纳米催化剂（FeCo@NC），室温下甲醛去除率达93%。实验与理论计算均证明，FeCo合金成为催化氧化甲醛的关键组分，d带中心位置从-0.93下移至-1.04 eV，促进了催化剂表面中间产物的脱附及进一步转化，有效提升了甲醛氧化反应的活性（图1）。团队并首次开发了碳八面体负载的Ir单原子催化剂，多路径实现了常温条件下甲醛催化氧化，其甲醛去除率和转化率均达到95%以上，比反应速率达到401.8 mmol gIr-1 h-1，远高于目前报道的Ir基纳米催化剂。机制分析显示，Ir-N4配位单元是催化反应的活性位点，Ir 5d轨道和O2 2p轨道之间形成强电子耦合，促进O2解离，提高了甲醛氧化速率（图2）。团队揭示了负载型Pt纳米催化剂界面增强甲醛催化氧化机制，即界面氧空位的生成有利于增强Pt颗粒与氧化锆载体之间的强相互作用，加速了甲醛氧化（图3）。上述成果在纳米催化材料的可控制备、高效O2活化及室内环境除甲醛应用方面等实现新突破，对改善室内空气质量、降低健康风险具有重要的科学意义和应用价值。
相关研究成果分别发表于国际知名期刊Journal of Hazardous Materials，Catalysis Science & Technology及Applied Surface Science，黄宇研究员为通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划“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联合资助。
论文信息：
[1] Zhu, D., Chen M., Huang, Y.*, Li R., Huang T., Cao, J-j., Shen, Z.*, Lee, S., FeCo alloy encased in nitrogen-doped carbon for efficient formaldehyde removal: Preparation, electronic structure, and d-band center tailoring. Journal of Hazardous Materials. 2022, 424, 127593.
[2] Peng, S., Rao, Y., Huang, Y.*, Li, T., Li, R., Cao, J.-j., Lee, S., N-coordinated Ir single atoms anchored on carbon octahedrons for catalytic oxidation of formaldehyde under ambient conditions. Catalysis Science & Technology, 2022, 12, (12), 4001-4011.
[3] Peng, S., Li, R., Huang, Y.*, Zhang, Y., Cao, J.-j., Lee, S., Interfacial dependent reactive oxygen species generation over Pt-ZrO2 nanoparticles for catalytic oxidation of formaldehyde at room temperature. Applied Surface Science, 2022, 600, 154056.
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127593
https://doi.org/10.1039/D2CY00743F
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154056
图1 碳封装FeCo合金纳米催化剂表面与吸附物之间的成键示意图
图2 碳八面体负载Ir单原子催化剂常温催化氧化甲醛
图3 负载型Pt纳米催化剂界面增强甲醛催化氧化机制