挥发性有机化合物（VOCs）是一类有机化合物，作为大气污染物，它们会加剧温室效应并危害人类健康。在 VOCs 减排技术中，催化氧化技术因其能够将 VOCs 催化转化为无害产物（如 CO₂、H₂O 等）而受到广泛关注。然而，传统的催化氧化技术需要较高的反应温度才能完全破坏 VOCs，而光催化氧化虽然可以在低温下氧化低浓度的 VOCs，但存在去除效率低和催化剂失活的问题。光热协同效应能够将热催化和光催化的优点结合起来，在较低温度下最大化催化活性，因此，光热催化技术被认为是处理 VOCs 的一种有前景的技术。

由北京工业大学环境科学与工程学院叶青博士带领的团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》期刊发布了关于“静电纺丝法制备的M/TiO₂纳米纤维催化剂在去除VOCs中的光热协同效应”的最新研究成果。该团队通过静电纺丝技术成功制备了不同金属掺杂的 TiO₂ 纳米纤维催化剂，并揭示了其在甲苯氧化中的光热协同机制。这一成果为 VOCs 的高效低温处理提供了新的技术思路，为开发新型高效催化剂奠定了理论基础。

通过静电纺丝技术制备了一系列 M/TiO₂ (M = Cu, Mn, Co, Ni) 纳米纤维催化剂。他们首先将四丁基钛酸酯（TBT）、乙醇、醋酸和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）混合，搅拌均匀后形成均匀透明的纺丝前驱体溶液。对于掺杂不同金属的催化剂，分别向溶液中加入相应的金属醋酸盐（如 Cu(CH₃COO)₂、Mn(CH₃COO)₂、Co(CH₃COO)₂ 和 Ni(CH₃COO)₂），搅拌至完全溶解后，通过静电纺丝设备将溶液纺制成纤维。纺丝过程中，控制电压为 15–18 kV，溶液流速为 2.0–2.5 mL/h，纤维在空气中以 2℃/min 的升温速率加热至 500℃并保持 1 小时进行焙烧，最终得到 M/TiO₂ 纳米纤维催化剂。这种制备方法实现了金属离子的均匀掺杂，且纳米纤维具有良好的分散性和高比表面积，显著提升了催化剂的活性和稳定性。

图 1. (A) TiO₂, (B) Cu/TiO₂, (C) Mn/TiO₂, (D) Co/TiO₂ 和 (E) Ni/TiO₂ 的扫描电子显微镜（SEM）图像和能量色散光谱（EDS）组成

通过热催化和光热催化实验测试了不同金属掺杂的 TiO₂ 催化剂对甲苯氧化的催化性能。实验结果显示，Cu/TiO₂ 催化剂在热催化和光热催化条件下均表现出最高的催化活性，其次是 Mn/TiO₂、TiO₂、Co/TiO₂ 和 Ni/TiO₂。具体而言，Cu/TiO₂ 在光热催化条件下达到 10%、50% 和 90% 的甲苯转化率所需的温度分别为 188℃、229℃ 和 267℃，显著低于其他催化剂。

图 2. (A) 催化剂的热催化性能和 (D) 光热催化性能；(B) 热催化和 (E) 光热催化所需的反应温度（T10, T50 和 T90），以实现甲苯转化率分别为 10%、50% 和 90%；(C) 热催化和 (F) 光热催化的阿伦尼乌斯图

通过 H₂-TPR 实验，Cu/TiO₂ 催化剂显示出最低的还原峰温度（241℃），表明其具有良好的低温还原性。这使得 Cu/TiO₂ 在低温条件下更容易激活反应物，从而提高催化活性（图4g）。而CO-TPR 实验结果显示，Cu/TiO₂ 的晶格氧迁移温度最低（100℃），表明其晶格氧具有较高的流动性。晶格氧的高流动性有助于在反应过程中快速补充氧空位，从而维持催化剂的高活性（图4h）。

图 3. (A) Ti 2p, (B) O 1s, (C) Cu 2p, (D) Mn 2p, (E) Co 2p 和 (F) Ni 2p XPS 谱图；(G) H₂-TPR 和 (H) CO-TPR 谱图

原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）揭示了 Cu/TiO₂ 上光热催化氧化甲苯的反应路径：甲苯和 O₂ 首先与光生空穴和电子反应生成苯甲基自由基和超氧自由基（•O₂⁻），这些苯甲基自由基和超氧自由基随后与质子结合形成过氧化氢中间体。过氧化氢中间体脱水生成苯甲醛，苯甲醛进一步被 O⁻ 离子氧化生成苯甲酸。最终，苯甲酸被完全氧化为 CO₂ 和 H₂O。在此过程中，吸附氧促进了苯甲醛的生成，而晶格氧主要促进了苯甲醛的进一步分解。

图 4. DRIFTS 谱图（A-C）反应阶段、（D-F）脱氧阶段和（G-I）再氧化阶段

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.116261