催化学报 ›› 2026, Vol. 82: 292-300.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)64956-X

• 论文 • 上一篇    下一篇

纯硅β沸石担载的Ag-Mn催化剂高效臭氧分解

李锋a,1, 马野b,1, 万明宇c,1, 吕雅婷d, 袁家敏e, 韩世超f, 马后逾b, 王亮d, 孟祥举a,*(), 郑安民c, 马延航b,*(), 肖丰收a,d,*()   

  1. a浙江大学化学系, 浙江杭州 310058
    b上海科技大学物质科学与技术学院, 上海市高分辨率电子显微镜重点实验室, 上海 201210
    c武汉科技大学化学化工学院核磁共振与分子科学交叉研究所, 湖北武汉 430081
    d浙江大学化学与生物工程学院生物质化学工程教育部重点实验室, 浙江杭州 310058
    e中国科学院精密测量科学技术创新研究院, 武汉物理与数学研究所, 磁共振与原子分子物理国家重点实验室武汉磁共振国家研究中心, 湖北武汉 430071
    f上海高等研究院, 上海 201210
  • 收稿日期:2025-06-27 接受日期:2025-11-01 出版日期:2026-03-18 发布日期:2026-03-05
  • 通讯作者: * 电子信箱: mengxj@zju.edu.cn (孟祥举),mayh2@shanghaitech.edu.cn (马延航),fsxiao@zju.edu.cn (肖丰收).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22125204);国家自然科学基金(22288101)

Pure silica Beta zeolite supported Ag-Mn catalyst for efficient ozone decomposition

Feng Lia,1, Ye Mab,1, Mingyu Wanc,1, Yating Lvd, Jiamin Yuane, Shichao Hanf, Houyu Mab, Liang Wangd, Xiangju Menga,*(), Anmin Zhengc, Yanhang Mab,*(), Feng-Shou Xiaoa,d,*()   

  1. aDepartment of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China
    bSchool of Physical Science and Technology & Shanghai Key Laboratory of High-resolution Electron Microscopy, Shanghai Tech University, Shanghai 201210, China
    cInterdisciplinary Institute of NMR and Molecular Sciences, School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei, China
    dKey Lab of Biomass Chemical Engineering of Ministry of Education, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China
    eState Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, National Center for Magnetic Resonance in Wuhan, Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, Hubei, China
    fShanghai Advanced Research Institute, Shanghai 201210, China
  • Received:2025-06-27 Accepted:2025-11-01 Online:2026-03-18 Published:2026-03-05
  • Contact: * E-mail: mengxj@zju.edu.cn (X. Meng),mayh2@shanghaitech.edu.cn (Y. Ma),fsxiao@zju.edu.cn (F.-S. Xiao).
  • About author:1 Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22125204);National Natural Science Foundation of China(22288101)

摘要:

在大气中臭氧污染日益加剧的背景下,开发高效、经济的臭氧去除技术对于人口密集地区的环境保护与公众健康具有重要意义. 其中, 催化臭氧分解技术被视为一项具有应用前景的减排途径. 在众多负载银的金属氧化物催化剂中, 氧化锰基材料作为载体表现出优异的催化活性, 但在潮湿环境下, 该催化材料的银物种易发生烧结以及水分子竞争吸附而导致性能显著下降. 因此, 发展兼具高疏水性与抗烧结性能的新型臭氧分解催化材料, 对改善环境和保护公众健康至关重要.

本文设计并构建了兼具高疏水性与抗烧结性能的催化材料, 以便提升在高湿条件下的臭氧分解效率, 其主要方法是采用具有相对较高疏水性的纯硅β沸石作为载体负载的银-锰催化剂(Ag-Mn/β-Si). 在臭氧催化分解反应中, 该催化剂展现出优异且稳定的催化性能: 在长达12 h的测试中, 臭氧转化率维持在99%; 即使反应延长至120 h, 其转化率仍能保持在80%以上. 催化剂性能提升归因于Ag-Mn/β-Si催化材料不仅具有很好的疏水性, 在潮湿环境下能有效抑制水分子在活性位点上的竞争吸附, 而且还具有优异的抗烧结性能, 其原因是在纯硅β沸石上原位生成了AgMnO2物相, 该物相有效阻止了银颗粒的形成. 进一步, 通过同步辐射的小波变换与高分辨透射电子显微镜技术以及理论计算与实验分析证实了AgMnO2的形成, 并发现AgMnO2的形成是催化性能增强的关键: 首先, AgMnO2作为新的高效活性位点, 能有效抑制银纳米颗粒的烧结; 其次, 理论计算表明, AgMnO2对臭氧及其反应中间体的吸附能力显著强于单质银(Ag0), 从而提升了反应效率. 值得提及的是, 在高湿(相对湿度85%)和高空速(1280000 h−1)的条件下, Ag-Mn/β-Si催化材料在反应4 h后, 通N2在250 °C吹扫1 h, 仍然很好保持了原来新鲜催化材料的活性, 表明它的优异循环性能. 这些特点对于该催化材料的潜在应用具有重要意义. 近年来, 臭氧分解的潜在应用场景越来越多, 除了日常生活中的臭氧消除, 在飞机或对流层中的臭氧消除也越来越重要.

综上, 本工作通过在疏水性的纯硅β沸石负载Ag-Mn物种上原位形成的AgMnO2相, 创制出一种具有卓越性能的臭氧分解催化剂, 可以在高湿度和高空速下显示出高活性和优异的循环性, 这对于环境保护与公众健康具有重要意义.

关键词: 臭氧分解, AgMnO2, 纯硅β沸石, 疏水性, 稳定性

Abstract:

Catalytic decomposition of ozone is considered as one of the most effective, economically viable, and promising strategies for ozone abatement. In a number of oxide-supported Ag catalysts, manganese oxide-based catalysts have been identified with superior activities, but there are still challenges for Ag sintering and competitive adsorption of water under humid conditions, which strongly hinder their catalytic performances. Herein, we prepared a pure silica Beta zeolite supported Ag-Mn catalysts (Ag-Mn/Beta-Si), exhibiting excellent catalytic properties in the decomposition of ozone, which is reasonably attributed to the in-situ formed AgMnO2 on the pure silica Beta zeolite, where the formed AgMnO2 as a new active site prevents the sintering of Ag NPs and the hydrophobicity of the pure silica Beta zeolite is favorable for hindering water adsorption on the active sites under humid conditions. These hypotheses have been evidenced by theoretical simulations of the mean square displacement and diffusion coefficient of water molecules and experimental results of sample transmission electron microscopy images.

Key words: Ozone decomposition, AgMnO2, Pure silica Beta zeolite, Hydrophobicity, Stability