减排前沿丨消灭油烟中VOCs——高温催化氧化法（二）

本文改编自期刊《环境保护科学》2020年第9期

原文题目：餐饮油烟VOCs催化氧化技术研究进展

作者：李超仲，傅月，黄垒，于东麒

话接上文

小E上次给大家介绍了

餐饮油烟的治理方法——高温催化氧化法

今天就来介绍一下

高温催化氧化法中的重中之重——

各类催化剂！

贵金属催化剂

贵金属如铂、钯、铑、金、银、钌等，其 d 电子轨道都未填满，易吸附反应物，强度适中，有利于中间“活性化合物”的形成等，是净化油烟最有效的催化剂之一，其中应用较多的是 Pt 和 Pd。目前，研究人员从金属-载体相互作用、增加载体的储氧能力、调变表面疏水性等方面提升餐饮油烟 VOCs 净化的性能。

图 1 COFs 在蜂窝负载 Pt/CNT 

催化剂上催化氧化的反应途径

过渡金属氧化物催化剂

过渡金属氧化物是在 VOCs 催化氧化中备受关注的另一类重要催化剂，其具有成本廉价、易得、比表面积高、孔道结构丰富和热稳定性高等突出优势，其中在餐饮油烟 VOCs 净化中应用最多的是 Mn、Cu、Co、Fe 等氧化物催化剂。

在众多油烟净化催化剂中，锰基催化剂的开发与研究被广泛关注。如魏玉滨等以蜂窝活性炭负载MnOx为活性组分，并将活性组分搭载在蜂窝载体上，发现以高锰酸钾为原料、负载量为 2%的蜂窝载体催化剂的比表面积最大，具有最好的吸附性能，且活性组分在蜂窝载体上均匀分布，表面 Mn 含量最高，对油烟的代表物乙醇具有持续高效的去除率。Huang 等采用浸渍法制备了负载在堇青石上的不同过渡金属（Mn、Co、Fe、Cu、Ni、Cr）氧化物，并用于 COFs 中的 NMHC 氧化，其中，5% Mn/堇青石因其弱碱性位点多、孔隙结构最佳、分散性好等特点，具有最高的 NMHC 去除率，在 400℃的反应温度下，NMHC净化效率为 87.8%。

稀土元素催化剂

目前，研究最多的稀土元素为 Ce 和 La。其中，CeO₂的氧化还原特性和氧空位，使其具有非常强的储放氧能力，而 La₂O₃作为一种催化助剂，可以改善催化剂的氧化活性，促进表面氧的循环。

Li 等采用水热处理和分步煅烧相结合的方法合成了粉煤灰级 ZSM-5（HZ）分子筛，并将 La_1-xCe_xMn_0.8Ni_0.2O₃（x≤0.5）通过浸渍法负载在 HZ 分子筛上，铈在镧位的取代改变了所有元素之间的电子相互作用，不仅促进了镧、铈、镍、锰和铪之间的电子转移，促进了氧空位上表面吸附氧物种（O^2-和 O^-）的产生，其中La_0.8Ce_0.2Mn_0.8Ni_0.2O₃/HZ 具有比其他催化剂更多的 O，从而表现出很好的戊醛催化活性，在 240~270℃时戊醛净化效率可达到约 100%，其反应遵循（L-H）反应机理，见图2。

图 2 戊醛催化氧化机理示意图

分子筛催化剂

分子筛催化剂具有特定的空间结构、较高的催化活性、良好的选择性和稳定性以及优异的抗毒能力等优点，在餐饮油烟的净化中也得到了关注。

控制分子筛的疏水性也能够提高催化剂的催化氧化性能。Yu等人采用原位加料法将铁物种引入到预热的硅凝胶中，获得了具有 Fe-Si 组成的结晶良好的 MEL 骨架，铁取代铝不仅提高了沸石骨架的疏水性，而且赋予沸石适宜的酸性和良好的氧化性能，在净化餐饮油烟中的 VOCs 时，表现出优异的 NMHC 吸附能力和高的 NMHC 催化转化率，使铁硅沸石的优势得到了进一步的证明。此外，该课题组还采用晶种法（Mn-S2（Seed））、重结晶法（Mn-S2（RC））和直接合成法（Mn-S2（DH））3 种方法将锰引入沸石中，制备了具有双功能吸附-催化的锰硅沸石[50]，用 Mn 取代 Al 大大提高了沸石的疏水性及氧化能力。并发现晶种法有利于 Mn 在沸石中的良好结合和均匀分布，而重结晶法和直接合成法有利于获得更多的可还原的 Mn 物种和表面吸附的氧物种，见图 3。其中，重结晶法同时具有优异的吸附能力和催化氧化能力，表现出良好的疏水性和优异的可回收性，在富集-降解途径消除 VOCs 方面表现出了巨大潜力。

图 3 扫描电子显微镜 (a0-c0) 

和扫描透射电子显微镜 (a1-c2) 的照片：

(a) Mn-S2 (Seed), (b) Mn-S2 (RC) 

and (c) Mn-S2 (DH)

催化剂载体

催化剂载体对催化性能有着重要作用，不仅能使活性组分得到更好的分散，避免发生团聚现象，还可以增加催化剂的强度。常见的油烟净化催化剂载体有 3 类，见表 3。其中金属载体导热性能好，但是吸附容量小，金属与涂层氧化物易发生脱落，且制造成本较高；活性氧化铝和陶瓷材料由于具有多孔结构，比表面较大，易搭载催化剂，但是塑性极低、易发生断裂、导热性能差。

表格 1 催化剂载体优缺点