近年来，臭氧 (O₃) 作为主要污染物之一，其在城市中的浓度呈现逐年缓慢升高的趋势，已成为仅次于 PM2.5 的影响空气质量的重要因素。面对日趋严格的空气污染物控制政策，臭氧污染的高效治理也越来越受到社会各界的重视。 在众多 O ₃ 去除方法中，室温下催化分解已成为兼具可操作性和经济性的技术，而高效催化剂的研发是关键所在。 近日，北京化工大学 张润铎 该工作制备了 6 种晶型（α-、β-、γ-、δ-、λ-、ε-MnO₂）的 MnO₂ 催化剂用于 O₃ 的催化分解。通过实验表征和量化计算等研究发现，ε-MnO₂ 具有最佳的 O₃ 室温催化分解活性。由于 ε-MnO₂ 具有高比表面积、丰富的氧空位以及优异的氧流动特性，能在催化臭氧分解过程中产生最多的氧空位。此外，借助密度泛函理论 (DFT) 计算，阐释了氧空位形成前后各晶型 MnO₂ 的晶格畸变及臭氧在 MnO₂ 上的反应机理。臭氧在 MnO₂ 的分解往往因为过氧物种 (O₂²⁻) 不能及时脱除而导致反应速率受到限制，因此过氧物种的脱附是其反应的决速步骤。在各种晶型的 MnO₂ 氧化物中，ε-MnO₂ 具有最低的氧空位形成能以及最低的 O₂²⁻ 脱附能，有利于其在臭氧催化脱除过程中及时提供并复原氧空位，表现出优异的 O₃ 分解性能。
该成果以 “Morphological impact of 1-dimensional to 3-dimensional manganese dioxides on catalytic ozone decomposition correlated with crystal facets and lattice oxygen mobilities ”(《构建不同维度二氧化锰及其形貌、晶面、氧迁移率对臭氧催化分解效率的影响》 )为题，发表在英国皇家化学会期刊 Environmental Science: Nano
Morphological impact of 1-dimensional to 3-dimensional manganese dioxides on catalytic ozone decomposition correlated with crystal facets and lattice oxygen mobilities
Haotian Wu, Runduo Zhang* （张润铎 ，北京化工大学） , Bin Kang, Xiaonan Guo, Zhaoying Di,Kun Wang, Jingbo Jia, Ying Wei, Zhou-jun Wang
Environ. Sci.: Nano , 202510.1039/D4EN00857J
本文第一作者，北京化工大学 2022 级硕士研究生。主要研究方向为 O3 催化分解，并结合量化计算阐述材料的构效关系。曾在 Environ. Sci.: Nano 、Catal. Sci. Technol. 发表学术论文，基于量化计算研究材料晶面特性、掺杂成分等对材料性能的影响。 本文通讯作者，北京化工大学化学工程学院教授，博士研究生导师，教育部新世纪优秀人才（2009年），国家863计划项目首席专家（2013年），能源环境催化北京市重点实验室主任（2016年），中国能源学会能源与环境专业委员会副主任（2018年），英国皇家化学会会士（2024年）。主要从事大气污染控制技术的研究，包括居室甲醛的室温催化净化、臭氧的高效催化分解、己二酸厂温室气体N2 O尾气的催化分解、工业挥发含氮/含氯有机废气的催化治理、汽油机动车尾气中NOx 、CO、碳氢化合物的三效催化净化以及柴油机动车富氧条件下NO的催化脱除。先后主持国家863项目、科技部重点专项课题、国家自然科学基金、教育部留学回国基金、博士点基金、中石化科技开发项目等。关于“典型氮氧化物催化脱除的科学基础与工程”的研究成果，获得教育部自然科学二等奖（2014年）。关于“机动车尾气高效脱硝分子筛催化剂构筑原则与可控制备的理论基础”的研究成果，获得北京市自然科学二等奖（2024年）。针对河南平煤集团26万吨/年己二酸生产装置所排放温室气体N2O的净化，完成2.5吨工业分子筛催化剂的生产及工业应用。创制一段式选择性氧化脱除工艺，在吉化公司建立了10万立方米/小时丙烯腈尾气净化装置的工业示范。针对石化碳纤维含氰废气的深度治理及液固相捕集分离，基于关键设备集成及技术开发，完成2000吨/年碳纤维生产线尾气治理装置的工艺包设计。已在国际权威期刊Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Natl. Sci. Rev.、Environ. Sci. Technol.、Appl. Catal. B: Environ.、J. Catal.、ACS Catal.、J. Mater. Chem. A 等发表SCI收录论文200余篇，已授权国家发明专利30余项，美国专利2项。参编英文专著3部，受邀为科学出版社撰写大气污染控制技术与策略丛书之一，题为《典型化工有机废气催化净化基础与应用》。 Nano aspects of environmental science and sustainability 2-年影响因子* 5.8 分 5-年影响因子* 6.7 分 JCR 分区* Q1 化学-多学科 Q1 环境科学 Q2 纳米科学&技术CiteScore 分† 12.2 分 中位一审周期‡ 44 天
Environmental Science: Nano 全面报道具有环境用途的工程纳米材料的设计和应用研究，以及人工与天然纳米材料在生物和环境体系中的相互作用。发文范围包括但不限于：纳米材料在水、空气、土壤、食物和能源可持续性等领域的新应用；纳米材料在生物系统中的相互作用以及纳米毒理学研究；纳米尺度材料的环境宿命、反应性和转化；环境中的纳米尺度过程；可持续性纳米技术，包括纳米材料的合理设计、生命周期评价、风险／效益分析等。
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
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