(a) 基于Pt/TiO2催化剂制作的净化功能组件; (b) 基于净化功能组件研制的空气净化器
随着人们物质文化生活水平的提高, 室内装修已成为时尚, 随之而来的便是室内空气污染越来越严重. 甲醛是来自家具和装修材料中最严重的污染物, 它是一种具有较高毒性的物质, 在我国有毒化学品优先控制名单上高居第二位, 并且已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质. 长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病, 鼻咽癌、细胞核的基因突变、白血病等疾病. 近几年来, 随着各方面的宣传和人们科普知识的增加, 公众对室内装修引发的一系列污染问题越来越重视, 因此解决室内环境污染成为研究者所关注的热点问题之一.
传统用于室内甲醛净化的方法主要有吸附技术、光催化技术、低温等离子体技术以及催化氧化技术. 吸附技术主要采用活性炭和分子筛等高比表面材料来吸附甲醛, 以达到净化空气的目的, 但由于吸附材料吸附能力有限, 需定期再生或更换, 易产生二次污染. 光催化技术主要利用纳米TiO2作为光催化剂, 通过活性氢氧自由基和超氧自由基的作用, 在室温条件下就可以分解甲醛. 该技术对于净化室内空气具有良好的应用前景, 但目前光催化反应还主要需要紫外激发光源, 对可见光利用效率低, 另外还存在催化剂失活的问题. 常压下空气放电产生的低温等离子体中包含电子、离子、氧活性物种和激发态分子等有极高化学活性的物种, 可以打开污染气体分子的化学键, 使很多高活化能的化学反应得以发生, 从而达到处理室内空气中有机污染物的目的. 但是该技术在对空气放电过程中容易产生氮氧化物及臭氧等二次污染物, 所以目前在空气净化器内应用较少.
热催化氧化技术在较低的温度下就可以将甲醛完全分解为无害的H2O和CO2, 因而成为最有应用前景的净化甲醛的方法. 关于甲醛的催化氧化已有一定的研究报道. 早在1986年, Saleh和Hussian就发现甲醛在干净Ni, Pd和Al的氧化薄膜上分解时有CO2生成, 当温度高于423K时甲醛会在氧化膜上完全分解.Sekine等人使用活性炭颗粒和氧化锰研制出一种板状空气净化材料来去除甲醛, 实验发现通过这种材料甲醛在室温下就可以分解为H2O和CO2, 但是经过一段时间后该材料的甲醛去除效率会大大降低, 显示室温下氧化锰表现为甲醛的氧化剂而非催化剂.Álvarez-Galván等人考察了负载型Mn/Al2O3和Mn-Pd/Al2O3催化剂对甲醛和甲醇的氧化活性, 发现当反应温度高于363K时甲醛在Mn-Pd/Al2O3催化剂上可以完全转化为CO2和H2O.Tang等人研制了MnOx-CeO2及Ag/MnOx-CeO2复合金属催化剂用于催化分解甲醛, 发现在100℃时可将500ppm的甲醛完全分解. 最近,Li等人研究了FeOx负载Au催化剂催化氧化甲醛的性能, 发现7.1%Au/FeOx催化剂可使甲醛在80℃时实现完全转化. 尽管研究者在催化氧化甲醛方面做了许多工作, 但采用上述催化剂, 催化氧化甲醛的操作温度通常远高于室温, 难以满足室内空气净化所需的常温常压、能耗低的要求, 因此只有开发出室温、常压下能完全氧化甲醛为H2O和CO2的材料, 才有希望实现催化氧化技术在室内空气甲醛净化方面的实际应用.
基于上述原因, 中国科学院生态环境研究中心 张长斌等人比较了室温下负载型贵金属催化剂利用空气中的氧气完全氧化甲醛的性能, 阐述了Pt/TiO2催化剂的高效活性本质, 明确了贵金属催化剂上催化氧化甲醛的反应机理. 应用研究方面, 建立了成型催化剂和甲醛净化组件的制备生产工艺, 研发了新型空气净化器和通风管道内应用的净化机. 上述两种产品实现了高效、安全和经济的室内甲醛净化, 已经供应市场并应用于2008年北京奥运会部分室内空气质量的保障, 为绿色奥运、科技奥运、人文奥运做出了应有的贡献, 并将惠及千家万户百姓的生活.