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上海理工大学张晓东课题组Green Energy Environ.综述：光热催化去除VOCs的研究进展：催化剂设计及应用

已有 2936 次阅读 2022-9-23 10:40 |系统分类:论文交流

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背景介绍

挥发性有机化合物（VOCs）是PM_2.5、O₃的重要前驱体，对大气复合污染和人体健康有着严重的危害。随着工业化进程不断加快，单一的传统技术难以满足日益增长的VOCs控制需求。通过两种或多种技术之间的有效耦合能够提高对污染的处置效率。光热催化通过有效结合光催化和热催化技术，能够充分发挥协同作用进一步提高反应速率和优化选择性，并且可以同时解决热催化高能耗和光催化效率低的问题，是一种可持续发展的绿色催化技术。

全文概述

研究者基于目前的研究现状，首先从光热催化剂的设计原理出发，对其催化剂的设计和优化策略进行了总结。其次，分别评价和比较了基于不同光热催化反应器的VOCs的降解性能。此外，基于实验和理论研究结果总结了VOCs光热催化的机制。最后指出了该领域指出了今后潜在的研究方向和重点。

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图1. 光热催化去除VOCs的研究进展。

01. 光热催化剂的设计和构建

目前，众多学者研究的光热催化剂主要集中于贵金属催化剂，金属氧化物催化剂以及多组分杂化纳米材料等。贵金属催化剂性能优异，价格昂贵，易中毒。金属氧化物廉价易得，稳定，结构易于调控改性。多组分杂化纳米材料通过组分调变以及缺陷位点、异质结构等设计可以有效拓展其应用，同时利用不同组分和位点的互补和协同作用提高催化剂活性和选择性。总体而言，为获得更加优异的催化性能，光热催化剂可从以下几个方面进行优化：（1）增强催化剂在整个太阳光谱范围内的光吸收；（2）提高催化剂的光热转换能力；（3）提高催化剂的热催化活性和稳定性。

02. 光热催化反应器

目前实验室研究常用的光热催化反应器主要为间歇式反应器（图2a）和连续式反应器（图2b）。其中，间歇式反应器浓度低，风量小，可模拟室内空气净化场景。连续式反应器浓度高，风量相对较大，主要模拟工业尾气净化的场景。作者总结了基于不同类型的光热催化反应器VOCs氧化性能并进行了比较和总结。

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图2. (a) 间歇式光热催化反应器；(b) 连续式光热催化反应器。

03. 光热催化机理

目前所报道的光热催化机理可总结为以下几种类型：

（1）光热效应。即光热转换导致的光驱动热催化，其反应本质为热催化。催化剂吸收光并将其转化为热能导致催化剂表面升温，达到反应温度从而促使反应进行。

（2）光化学效应。催化剂本身不具备热催化活性，主要由光驱动进行化学反应。主要由光激发的催化剂的激发电子态或热载流子等促使反应进行。反应系统提供的热主要促使降低光催化的表观活化能，促进反应物的传质速率或光生载流子的转移。

（3）光热效应和光化学效应的耦合。不仅为前两种情况的简单叠加，产生的协同作用可能超过热化学或光化学过程的总和，从而实现催化反应活性或选择性的进一步提高。

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图3. 光热催化机理示意图。

总结与展望

通过对目前该领域相关工作的分析，作者针对光热催化在反应机理和实际应用方面提出了仍然存在的挑战和展望：

1. 光热催化反应机理的深入探索。光热催化的实际情况较为复杂，如何区分光催化和热催化在光热协同过程中的贡献和反应路径十分重要。

2. 抑制催化剂失活。催化剂性质变化、中间产物或副产物的毒害等影响皆会引起催化剂失活。此外，催化剂再生难度大、经济性差，抑制催化剂在反应过程中的失活依然是今后需要努力的方向和目标。

3. 实际工况下的性能参数的研究。目前VOCs光热催化的研究几乎都处于实验室小试阶段，VOCs的浓度较低且实验条件单一，与实际工况存在较大差距。针对杂原子VOCs，多组分VOCs，以及含水，含NOx等多种条件下的测试有助于更好地模拟工业条件。

4. 增强理论计算的准确性。由于计算方法精度的限制以及催化剂的种类或中间体很难用实验方法进行准确模拟。此外，催化过程中涉及到大量的中间产物，增加了理论计算的复杂性，都为催化过程的理论计算带来了额外的挑战。

文章信息

本文以“Recent advancement and future challenges of photothermal catalysis for VOCs elimination: From catalyst design to applications”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为崔立峰教授和张晓东副教授。