我國目前處於經濟高速發展階段，經濟體量大，在能源的快速消耗下，隨之而來的大氣污染問題也愈發突出。揮發性有機物（VOCs）是重要的大氣污染物，其來源豐富，種類繁雜，且多為有毒有害物質，對人體健康產生了極大的威脅。此外，VOCs還會與大氣中的氮氧化物發生光化學反應，生成毒性更大的光化學煙霧。因此，VOCs的治理已經成為亟待解決的環境難題。
在眾多的VOCs控制技術中，催化燃燒和光催化氧化因其對VOCs的深度降解能力而被廣泛應用，但二者均存在一定的不足。VOCs催化燃燒雖然擁有較好的降解效率，但其需要大量的熱能作為驅動力，這導致了化石燃料的消耗，從而衍生了新的環境污染問題。
而傳統的光催化氧化VOCs方式，受限於光催化材料自身的能帶限制，只能利用太陽光中的紫外和部分可見光，而浪費了太陽光中的紅外光能（占太陽光能量48%），導致了太陽能量子效率低和偏低的VOCs降解效率。鑒於紅外光的強加熱作用，利用太陽光中的紅外光能來驅動催化反應，有望代替傳統的光、熱催化技術，實現光照下的高效率VOCs降解。
針對這一反應，面臨的科學問題主要是如何廣譜地吸收太陽能，並將太陽能高效轉化成熱能引入催化反應中，其關鍵在於擁有高效催化性能和光吸收能力的材料的研發。
甲苯在ACo2O4催化劑上的光熱降解過程及各催化劑活性示意圖
針對此問題，中國科學院城市環境研究所環境功能材料與氣態污染物控制研究組合成了一系列對VOCs光熱降解具有優異催化活性和穩定性的ACo2O4 (A = Ni, Cu, Fe, Mn) 尖晶石結構催化劑。其中，NiCo2O4 在 500 mW/cm2 的光強下展現出了較強的光熱轉換能力(表面溫度214oC)，對甲苯的高效轉化能力(甲苯轉化93%，礦化率80%)和較強的穩定性(至少20 h)。
通過系統的表徵發現，在鈷基尖晶石材料上添加第二金屬能夠有效地調變材料的光吸收能力及光熱轉化能力，同時還能夠改變材料的化學性質，促進光熱反應的高效進行。此外，研究組還發現，相比於單純的熱催化反應，光熱反應下的催化劑能夠展現出更高的反應活性，這是由於光照對材料表面活性氧物種的遷移有促進作用所導致的。該研究為高效光熱催化劑的開發應用提供了新方向。
相關研究成果以Photothermocatalytic performance of ACo2O4 type spinel with light-enhanced mobilizable active oxygen species for toluene oxidation 為題發表於Applied Surface Science 2019, 484, 479–488。城市環境所博士生陳希為第一作者，賈宏鵬為通訊作者。
文章來源：中國科學院城市環境研究所