摘要

随着VOCs排放管控日趋严格，吸附-催化氧化技术因其净化效率高、适用范围广，已成为当前VOCs治理领域的研究热点。金属-分子筛材料因其规整的孔道结构、可调的活性位点以及良好的热稳定性，在VOCs吸附富集与催化氧化方面展现出独特优势。本文系统综述了分子筛及其金属负载衍生材料在VOCs净化领域的研究进展，重点围绕吸附、催化氧化及吸附-催化原位耦合三种技术路径展开论述。文章总结了分子筛基功能材料在VOCs治理中的最新研究成果，分析了当前面临的技术瓶颈与关键挑战，并对未来发展方向进行了展望，以期为相关领域研究者提供参考与启示。

背景介绍

在当前大气污染防治与“双碳”目标协同推进的背景下，挥发性有机物（VOCs）的深度治理仍是环境领域的核心议题。相比于高浓度、可回收的有机废气，广泛存在于工业涂装、印刷、餐饮油烟等过程中的低浓度、大风量、高湿且组分复杂的VOCs排放，其治理面临更大的技术挑战。传统单一净化技术往往存在明显局限：单独吸附面临吸附剂易饱和穿透、需频繁再生的困境；直接催化氧化则因VOCs浓度低导致起燃能耗过高，运行经济性差。因此，将“吸附富集”与“催化氧化”分步耦合的协同净化技术，正逐渐成为实现低浓度VOCs深度减排的重要路径。

图文解读

图1. 各种挥发性有机化合物处理技术的比较。

分子筛兼具规整孔道结构与优异热稳定性的无机多孔材料，既能实现低浓度VOCs的高效选择性捕集，又可为活性金属组分的稳定分散提供理想载体。通过在孔道内耦合催化活性位点，有望在同一材料体系内打通“先吸附浓缩、后原位催化降解”的连续净化闭环，为破解低浓度VOCs治理瓶颈提供了关键材料基础。本文系统综述了金属-分子筛复合功能材料在VOCs净化领域的研究进展，重点围绕吸附、催化氧化及吸附-催化原位耦合三种功能路径展开论述，分析当前面临的技术挑战，并对未来发展方向进行展望。

图2. 常见的吸附材料以及基于沸石的催化氧化材料用于挥发性有机化合物的处理。

1. 要让分子筛“吸得住”，关键不只是比表面积，更是疏水性与扩散能力

对于VOCs吸附而言，决定材料性能的核心并非单纯的“孔多孔大”，而是孔道微环境是否真正适配目标分子的进入、停留与传质。传统铝硅分子筛虽具备规整的孔道结构，但骨架中铝物种的存在会引入强极性位点，显著增强材料对水分子的亲和力。在含湿工况下，水汽的竞争吸附将严重削弱其对VOCs的捕集效率。因此，提升材料疏水性，是分子筛走向实际VOCs治理应用必须跨越的第一道门槛。

围绕疏水化调控，现有研究主要沿两条路径展开：一是后处理改性，如脱铝处理或表面硅烷化接枝；二是源头结构设计，即直接构筑高硅乃至纯硅骨架，或在合成阶段引入Ti、Fe、Cu、Cr、W、Mo等非铝杂原子，在维系骨架完整性的同时赋予材料本征的疏水-亲有机特性。相比后处理手段，源头设计路线更有望同步兼顾结构稳定性、制备工艺简化与吸附性能优化。本文特别指出，将过渡金属引入纯硅分子筛骨架，不仅有助于减少亲水性缺陷、维持骨架完整，更可使材料在潮湿环境中保持对VOCs的优良吸附能力，这为面向复杂湿态废气的高效净化材料开发提供了新的设计维度。

此外，仅有疏水性还远远不够。面对组分复杂、分子尺寸跨度大的实际VOCs体系，扩散传质限制同样是决定净化效能的关键瓶颈。本文进一步梳理了分级孔构筑、晶粒尺寸调控以及碱/酸/水热后处理等策略，指出通过引入介孔结构、缩短扩散路径、修复骨架缺陷，可协同提升材料的吸附容量、分子扩散速率及活性位点可及性。由此可见，真正高效的吸附材料，绝非单纯追求“高比表面积”的数值指标，而是通过孔结构、表面性质与分子间相互作用的三维协同，实现VOCs分子的高效选择性富集。

2. 要让VOCs“烧得净”，关键在于金属物种的价态、尺寸与分散状态

在催化氧化阶段，分子筛的角色从“吸附介质”进一步转变为“限域反应平台”。本文指出，当贵金属或过渡金属被引入分子筛后，可呈现多种存在形态，包括骨架杂原子位、离子交换位、单原子位点、亚纳米团簇、纳米颗粒以及外表面聚集体等。不同构型不仅决定了金属中心的电子结构，更深刻影响其对氧的活化能力、对VOCs的吸附活化行为及中间体转化路径。

对于贵金属体系而言，决定催化性能的首要因素往往不在于“是什么金属”，而在于“金属以什么状态存在”。本文总结认为，贵金属的化学价态、颗粒尺寸及分散程度，比金属种类本身更能主导催化氧化表现。近年来，单原子与亚纳米团簇催化剂受到广泛关注，正是因其高度分散的位点可实现原子利用效率最大化，并显著强化金属与载体之间的电荷转移。进一步地，借助原位结晶、后合成限域等手段将高分散金属物种封装于分子筛孔道内，可有效提升其热稳定性和反应持久性。

此外，本文还探讨了贵金属-过渡金属双金属体系的研究进展。这类策略的核心价值并非仅限于“降低贵金属用量”，更在于通过电子金属-载体相互作用与金属间协同效应，同步优化氧物种迁移能力、活性氧生成效率、抗积碳与抗中毒性能以及界面反应活性，从而实现催化净化效能的整体提升。

3. 从协同到耦合：吸附-原位催化氧化一体化材料的构建思路

相较于单一吸附或单一催化，将吸附与催化功能集成于同一材料体系的“吸附-原位催化氧化”路线，近年来受到越来越多的关注。这一策略的基本思路是：先在室温或较低温度下将低浓度VOCs选择性富集于材料孔道或表面，随后通过程序升温等方式触发催化反应，在不更换材料的前提下将富集的污染物原位降解为CO₂和H₂O，从而简化操作流程、降低能耗。

该路线的核心难点之一，在于如何协调吸附与催化两个阶段对温度的不同需求。多数情况下，VOCs在分子筛上的吸附以物理吸附为主，脱附温度较低；而催化氧化则需要较高的起燃温度。若二者温差过大，富集的VOCs可能在达到催化起燃温度之前即已脱附逸出，导致净化过程失效。针对这一问题，已有研究提供了值得借鉴的思路。Shi团队在低硅铝比Beta分子筛上依次引入Ag⁺和Cu²⁺，利用金属离子与甲苯分子间的配位作用构建更强的化学吸附位点，使甲苯以甲氧基等形式实现“化学储存”；该体系中甲苯的原位氧化可在275℃完成，低于其454℃的脱附温度。Yu团队则通过在具有疏水吸附VOCs的过渡金属-SiMEL分子筛体系，微量贵金属掺杂来实现VOCs在低温下（<200℃）的催化氧化。上述两种思路均能在实验层面实现了“吸附富集-原位降解”的有序衔接。

由此可见，面向VOCs净化的一体化功能材料设计，不应仅着眼于单一性能指标（如更高吸附容量或更低起燃温度），而需综合考虑吸附强度、反应活化能、氧化路径与传质行为之间的匹配关系。如何在材料层面实现这些要素的有效耦合，仍是当前研究的重点方向之一，也是推动该类技术走向实际应用的关键所在。

图3. 于团队合成的过渡金属-Si MEL分子筛对油烟中NMHC的净化性能：（a）脱附曲线；（b）催化氧化曲线。石团队开发的Cu-Ag/Beta分子筛对甲苯吸附-原位催化氧化性能：（c）吸附容量；（d）催化氧化曲线；（e）脱附曲线。

总结与展望

从吸附浓缩到催化氧化，再到吸附-原位催化氧化一体化，金属-分子筛复合功能材料的开发为低浓度VOCs治理提供了从“单功能”到“多功能耦合”的可行路径。本文系统梳理了分子筛材料在VOCs净化中的结构优势、金属活性位点的构筑规律，以及吸附-催化功能一体化材料的研究进展，旨在为高效、稳定、低能耗VOCs净化材料的设计提供参考。

原文链接

相关成果以“Progress in catalytic metal-zeolite composites for VOCs abatement: A comprehensive review”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为北京科技大学于庆君副教授。https://doi.org/10.1016/j.gee.2026.03.012

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部