催化降解甲醛用MnO2研究进展

章玲君　王敬蕊

摘 要 过渡金属氧化物催化氧化法是一种具有实用价值的甲醛去除方法，其中以MnO2催化剂性能最佳。本文介绍了MnO2催化剂的发展状况，包括反应机理及各种影响因素对研究思路的影响，提出了可行的研究方向和对实际应用的展望。

關键词 甲醛 催化氧化 MnO2

中图分类号：TQ426 文献标识码：A

甲醛是主要的室内空气污染物之一，长期接触甲醛会对人的身体健康造成严重的损害。在现有的去除室内甲醛的技术研究中，过渡金属氧化物催化氧化法可将甲醛通过催化剂氧化成H2O和CO2，其具有去除效率高、成本低、设备简单、无二次污染等优点，因而受到广泛关注。在现有的过渡金属氧化物催化剂中，以锰系氧化物的性能最佳。

在较早的研究中，研究者通过控制反应条件，制备了软锰矿、隐钾锰矿、水钠锰矿、斜方锰矿等各种晶型的锰氧化物，比较发现其中隐钾锰矿型氧化锰（K-OMS-2）的催化性能最好。隐钾锰矿型氧化锰具有纳米管状结构，研究者认为其良好的催化性能是源自于其孔径尺寸与甲醛分子大小相当。H. Tian等改进了制备方法，通过简单低温的条件制备出K-OMS-2，在100 ℃下达到了64%的甲醛降解率。之后M.A. Sidheswaran等人制备的复合晶型MnO2在室温及接近室内空气流速的测试下达到了80%的甲醛降解率。随着研究的深入和制备条件的优化，具有更高比表面积的水钠锰矿型MnO2表现出更好的性能。J.H. Zhang等人制备的水钠锰矿型氧化锰在80 ℃下可以将甲醛完全转换为CO2。而J.L. Wang等人通过KMnO4与草酸铵反应制备的水钠锰矿型氧化锰在室温下通过一段时间反应可以实现对甲醛的完全降解，并且探究了空气湿度和层间阳离子对催化性能的影响。

很显然，催化氧化法需要一定的反应温度才能发挥效果。而对于过渡金属催化剂本身，其性能受到多种方面的影响，其中比表面积和表面缺陷的影响最大。在目前比较公认的反应机理是：由催化剂表面产生的具有氧化性的活性基团将甲醛分子氧化为甲酸盐，而后进一步分解为H2O和CO2。因此，高的比表面积可以提供更多的与甲醛分子的接触机会，而表面缺陷可以促进产生活性基团，提供活性位点。近年来，研究者在此思路的基础上，采取了多种方法来提高MnO2催化剂的性能。K. Kai等人在室温下合成出超薄MnO2纳米片，具有超高的比表面积。在此基础上，S.P. Rong等人将MnO2纳米片负载于PET纤维上，还将MnO2纳米片与MnO2纳米线混合组合成3D结构，均获得了良好的室温催化性能。J.L. Wang等人探究了Mn空位对水钠锰矿型MnO2性能的影响，证实了Mn空位等缺陷对产生活性基团的重要性。L. Zhua与J.L. Wang等人通过在水钠锰矿MnO2中掺杂Ce，提高了缺陷含量，增强了与O2的结合能力，也提高了比表面积。J.L. Wang还借助TBAOH，合成了具有表面凹坑结构的层状水钠锰矿MnO2，提高了比表面积，并且在凹坑边缘制造了大量的缺陷，思路非常巧妙。

综上所述，近几年来随着对以水钠锰矿型为主的MnO2热催化材料的研究的开展，其制备工艺和材料结构的不断优化，热催化性能不断得到提高，已经具有在室温下应用的潜力。然而想要真正的投入实际应用中，还有一些问题需要解决。首先研究的催化材料多为纳米粉体，难以固定，飘撒后会造成二次污染。将MnO2 负载于PET纤维等材料表面，提供了一种可行的思路。另外想要将其投入工业生产，就需要尽可能简化工艺，节约成本。如今MnO2催化材料的反应机理不断完善，性能不断提高，相信具有低成本、高性能、可应用的降解甲醛的MnO2材料不久就可以应用于生活中。

基金项目：经费来源：王伟明助创基金（2017002）。

通信作者：王敬蕊（1979—），女，河南郑州人，工学博士，讲师，主要从事半导体材料与器件的制备与表征。

参考文献

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