在南昌航空大學實驗室的一臺光催化反應器中，一種新型Bi?MoO?納米片正以驚人的效率分解甲苯。2025年發表于《環境科學與工程前沿》的研究顯示，通過精準調控催化劑氧空位（OVs），科學家首次實現甲苯降解全程無苯生成，并將礦化率提升至92.5%。這項技術突破為工業廢氣治理提供了全新的無毒化解決方案。

傳統技術的困境：治污過程暗藏“毒箭”
甲苯作為油漆、膠粘劑中的主要揮發性有機物（VOCs），其光催化降解長期面臨兩難困境：

二次污染風險：傳統TiO?等催化劑雖能分解甲苯，但會生成苯、苯甲醛等劇毒中間產物。全球38%的光催化研究曾檢測到苯生成，其致癌性遠超甲苯10倍。
能耗效率瓶頸：酒精化路徑需經歷苯甲醇→苯甲醛→苯甲酸等多步反應，全程耗時長達3小時，能耗較酚化路徑高45%。
“這就像用消毒劑殺滅病毒卻釋放出更致命的毒素。”論文通訊作者楊麗霞教授指出。研究團隊通過分析近十年Elsevier數據發現，苯在封閉反應器中雖可最終降解，但在開放環境應用中，其逃逸風險仍威脅人體健康。

氧空位革命：激活?OH自由基的“分子開關”
研究團隊設計的新型Bi?MoO?催化劑，通過電化學還原法植入氧空位，揭開高效無毒降解的奧秘：

吸附增強效應：OVs使H?O和O?吸附能分別提升至-1.262 eV和-2.389 eV，促進H?O解離生成?OH自由基。對比實驗顯示，富氧空位Bi?MoO?的?OH產率是普通樣品的2.3倍。
苯自由基攔截：甲苯脫甲基產生的C?H??自由基，在OVs位點被?OH即時捕獲，生成酚類物質。GC-MS檢測證實，反應5分鐘后苯濃度即歸零。
能帶工程突破：OVs在Bi?MoO?導帶下方形成中間能級，將光吸收范圍拓寬至550nm可見光區，太陽光利用率提升60%。
實驗數據顯示，該催化劑在120分鐘內實現甲苯100%降解，礦化率高達92.5%，較傳統Bi?WO?提升40%。原位紅外光譜顯示，苯環在20分鐘內完全開環，最終產物僅為CO?和H?O。

協同策略：從單兵作戰到“集團軍”效應
研究進一步探索OVs與其他改性技術的協同機制：

貴金屬負載：Pt/WO?復合催化劑中，Pt納米顆粒通過表面等離子體共振（SPR）效應，將電子遷移速率提升3倍，與OVs協同使?O??產率增加180%。
元素摻雜：Zn摻雜SnO?催化劑中，Zn2?誘導產生雙倍OVs，使甲苯吸附能從-0.11 eV強化至-0.41 eV，苯甲醛開環速度加快2.2倍。
異質結構建：BiOCl/Bi?WO?異質結形成內建電場，光生電子-空穴分離效率達78%，較單一催化劑提高35%。
“這相當于給催化劑裝上了分子級高速公路和加油站。”楊麗霞比喻道。在浙江某化工廠的中試中，OVs-Pt/TiO?催化劑連續運行500小時后，甲苯降解效率仍保持92%，苯檢測始終未檢出。

挑戰與未來：從實驗室到工業煙囪的最后一公里
盡管成果顯著，技術落地仍面臨三大挑戰：

氧空位穩定性：工業廢氣中H?O和O?易填充OVs位點，團隊正開發光誘導再生技術，通過紫外光照每4小時修復一次OVs活性。
復雜氣體干擾：多組分VOCs共存時，OVs對甲苯的選擇性吸附下降15%，需設計多級孔道結構增強抗干擾能力。
設備成本優化：目前催化劑制備成本較傳統材料高30%，團隊通過機械球磨法將Bi?MoO?生產成本降低至￥1200/kg，已達工業化臨界點。
研究團隊與日本東京大學合作，正開發基于OVs的動態監測系統。當傳感器檢測到苯濃度超過1ppb時，自動觸發OVs再生程序，確保長期運行安全。

生態愿景：讓每一口空氣都經得起分子檢測
站在光催化反應器前，楊麗霞展示了實時電子順磁共振（EPR）圖譜：“這些躍動的信號是?OH自由基的分子指紋。當技術成熟時，工廠煙囪排放的不再是模糊的‘達標氣體’，而是可追蹤每一個分子軌跡的清潔空氣。”隨著首條千噸級OVs催化劑生產線在江西投產，這項技術正從實驗室走向藍天保衛戰的最前線。

來源: FESE Message