Mn-Co-Ce composite oxides for the low-temperature catalytic oxidation of formaldehyde
本研究表明，通过柠檬酸溶胶-凝胶法合成的 Mn3.5Co1Ce1 型 Mn-Co-Ce 复合氧化物催化剂，通过尖晶石固溶体形成、分级孔隙结构以及丰富的表面氧空位的协同作用，实现了高效的低温甲醛氧化与矿化。
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甲醛是一种许多人每天都会接触到却往往并未察觉的无色气体。它从家具、建筑材料和家用产品中渗入室内，在初始来源消失后仍会在空气中长期停留。尽管它是隐形的，但这种污染物对人体健康构成了严重威胁，能够损伤肝脏和神经系统，并被归类为已知的致癌物。几十年来，科学家们一直在寻找一种能高效去除室内空气中甲醛的方法。传统的物理过滤器通常只能暂时捕捉气体，而其他技术则需要消耗过多能量或产生自身的污染。最理想的解决方案涉及一种被称为“催化氧化”的过程，它就像一个化学过滤器，能将有害气体转化为无害的水和二氧化碳。然而，使这一过程在居家环境常见的低温下高效运作一直是一个棘手的挑战，这主要是因为性能最好的催化剂通常依赖于铂等稀有且昂贵的金属。
中国汽车技术研究中心与郑州大学的研究团队开发出一种利用常见且廉价金属解决此问题的新方法。他们通过混合锰、钴和铈这三种含量丰富且价格低廉的元素，创造了一系列催化剂。他们利用一种被称为“溶胶-凝胶法”（涉及将液体混合物转化为凝胶然后进行烘焙）的方法，设计出了一种具有独特内部结构的材料。其目标是观察结合这三种特定金属是否能创造出一种足够强大的催化剂，使其能够在室温或略高于室温的条件下分解甲醛，而无需依赖通常使此类反应发生的持续高温。
研究人员测试了多种不同的金属组合，以寻找完美的平衡点。他们发现，当他们按特定比例混合这些金属时，生成的材料形成了一种并非完全刚性而是略微紊乱的结构，事实证明这反而是一个关键优势。这种轻微的紊乱在材料表面创造了许多微小的间隙和缺陷，这些地方充当了甲醛分子可以抓取并发生反应的活性位点。在他们测试的各种混合物中，有一种特定的组合脱颖而出：一种含有锰、钴、铈且锰含量最为丰富的催化剂。该团队将这一特定样本命名为 Mn3.5Co1Ce1，它拥有复杂的、类似海绵状的孔隙网络，既能让空气轻松流过，又为化学反应提供了巨大的表面积。
当他们对这种新催化剂进行测试时，结果令人瞩目。在仅 60 摄氏度（温暖但不炎热）的温度下，该催化剂就能将空气中 60% 以上的甲醛转化为无害物质。随着温度升高到 120 摄氏度，催化剂的效果变得更加显著，能够去除 100% 的甲醛，除了洁净的空气外不留任何痕迹。这种表现明显优于仅由两种金属组成的催化剂或比例不同的三种金属组合。这种特定混合物的成功源于三种元素之间强大的“团队协作效应”。锰和钴协同工作以创建一个稳定的框架，而铈则有助于产生高数量的氧空位——即表面上微小的空白点，这对于从空气中抓取氧气并利用其分解甲醛分子至关重要。
为了确保这种新材料在现实世界中的实用性，研究人员检查了它是否会快速损耗或随时间推移而失去效能。他们让催化剂在高温下连续运行了五个循环，它几乎保留了所有的原始效能，几乎没有表现出降解迹象。他们还进行了长达十小时的长期测试，在此期间，催化剂保持了极高的性能水平，仅在接近结束时表现出极其轻微的效率下降。这种耐用性表明，该材料足够强健，能够应对居家环境中持续流动的空气，而无需频繁更换。研究结论指出，通过仔细调节这三种常见金属的比例，可以创造出一种高效且低成本的室内空气净化方案，为在不依赖昂贵贵金属的情况下去除甲醛提供了一条可行的路径。
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