科学通报 | VOCs污染催化净化控制及资源化研究进展

近日，北京工业大学戴洪兴和邓积光教授团队在《科学通报》发表题为“VOCs污染催化净化控制及资源化研究进展”的综述文章，系统梳理了挥发性有机物（VOCs）催化净化催化剂的结构设计、构效关系与反应机理，总结了VOCs资源化利用的新路径，概述了多外场耦合催化技术治理VOCs的最新进展，并对未来研究提出了展望。

VOCs是生成臭氧和二次有机气溶胶的关键前体物，其光化学过程会显著增强大气氧化性，破坏大气环境。多数VOCs具有毒性和刺激性，部分化合物甚至具有致癌、致畸、致突变作用。因此，加强VOCs治理是深入打好污染防治攻坚战、保障生态安全与公众健康的关键举措。目前，催化氧化技术凭借适用范围广、效率高和二次污染少等优势，已成为VOCs净化的有效技术之一。本文对典型VOCs及其控制技术进行综述（图1）。随着VOCs治理相关政策的持续出台与基础研究的不断深入，催化净化VOCs的前沿研究正从聚焦单一组分VOC（如烃类、含氧/氮/硫/卤素有机物等）的催化氧化效率与反应机理，转向复杂多组分VOCs净化及VOC和氮氧化物（NOx）协同控制等更具挑战性的方向。此外，将VOCs定向转化为高值化学品以资源化利用，提供了协同推进减污降碳的新路径，有望助力“双碳”目标的实现。

图1. 典型VOCs及其控制技术

在VOCs催化净化中，研究主要围绕催化剂的稳定性、低毒产物选择性和多组分污染物协同消除等关键问题展开。在稳定性方面，通过构建双金属/合金结构与限域载体（如核壳结构或分子筛孔道），利用金属间的电子效应及空间限域作用，可显著抑制活性组分在高温下的迁移与烧结。对于含氮、硫、氟、氯、溴等杂原子的VOCs，其净化关键在于实现低毒产物（如N2、SO42−、HCl、HF、HBr等）的高选择性，这需要催化剂具有适宜的氧化还原能力与可调的酸性位点，从而在高效断键的同时抑制高毒副产物的形成。图2呈现了催化降解含氯VOC和甲苯混合物的反应机制。在处理多组分污染物（如VOCs与NOx）时，需构建不同的活性位点以实现二者的高效协同消除（图3）。活性位点空间分离的独到策略可避免氧化反应与还原反应之间的干扰，为实现多污染物治理提供了有效方案。

图2. 催化氧化不同种类混合VOCs的反应机制

图3. 协同去除甲苯和NOx的反应机理和性能

在VOCs资源化利用中，精准调控反应路径是核心，需结合目标产物针对性设计催化剂的物理化学性质并优化反应环境。选择催化氧化VOCs制高值化学品时，催化剂需具有适宜的氧化性及反应中匹配合适的氧含量，避免过度氧化。图4是异丙醇高选择性转化制丙酮的催化剂的制备及反应机制研究。VOCs水蒸气重整制合成气等反应则对催化剂的耐高温、抗积炭性能提出了更高要求。

图4. 异丙醇选择催化氧化的催化剂制备与反应路径

除传统热催化外，一系列借助外场（光、电、磁和等离子体）耦合的催化技术正受到广泛关注。这些技术通过创新能量传递方式，旨在突破传统技术催化VOCs的能效与效率瓶颈。光热催化氧化技术兼具光催化与热催化优势，有望克服传统热催化能耗高和光催化量子效率低的局限。热催化和光热催化VOCs氧化的性能对比和机理研究如图5所示。电热催化氧化技术是利用电流通过催化剂产生的焦耳热效应，实现快速、均匀的加热，提升VOCs反应效率。电磁催化氧化技术是在电磁场作用下，在催化剂表面产生热能，避免了传统加热中的能量损耗以及局部过热等问题，可实现VOCs高效净化。等离子体催化技术将高能等离子体产生的活性物种与催化剂结合，可提高VOCs矿化率。

图5. 光热催化VOCs氧化的性能和反应机制

在VOCs污染催化净化控制及资源化过程中，研究主要采用负载型贵金属催化剂和过渡金属氧化物催化剂体系。通过提高贵金属的分散度、强化金属与载体间的相互作用、进行元素掺杂以及构建复合结构等策略，可有效调控催化剂表面氧物种的迁移能力与反应活性，增强对VOCs分子的吸附与活化能力，提升其在复杂反应条件下的催化性能。研发兼具高活性、高选择性且对水（H2O）和二氧化硫（SO2）等杂质具有优异耐受性的催化剂是核心关键。值得关注的是，在特定反应条件下，H2O和SO2分子不仅不会毒化催化剂，反而能生成高活性物种或新的活性中心，从而增强催化性能。未来，研究应致力于多学科交叉创新，推动多种技术耦合联用。借助人工智能实现催化材料智能筛选，通过原位表征技术精准揭示反应机理，为构建高效的VOCs污染防治体系奠定坚实基础。

北京工业大学邓积光教授为论文通讯作者，在读博士生张红红为论文第一作者。相关研究得到国家自然科学基金（22425601）资助。

文章信息

张红红, 王治伟, 隗陆, 侯志全, 刘雨溪, 戴洪兴, 邓积光. VOCs催化净化及资源化研究进展. 科学通报, 2026, 71(24): 5803–5824

Zhang H, Wang Z, Wei L, Hou Z, Liu Y, Dai H, Deng J. Advances in catalytic purification and resource utilization for VOCs pollution control (in Chinese). Chin Sci Bull, 2026, 71(24): 5803–5824, doi: 10.1360/CSB-2025-5472

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5472

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