近地面臭氧（O₃）和挥发性有机物（VOC）是当前大气污染治理的两大难点。工业排放、机动车尾气、溶剂使用等人为源持续向大气释放VOC和氮氧化物，在阳光照射下发生光化学反应，导致近地面臭氧浓度攀升。臭氧会刺激呼吸系统、加剧心血管疾病，并损害农作物与生态系统；VOC多为有毒致癌物，是光化学烟雾、二次有机气溶胶和臭氧层破坏的重要前体物。催化臭氧分解与催化臭氧氧化VOC作为两类主流降解技术，长期被分而治之，但二者在反应机理与催化剂体系上存在深刻的内在关联。将两类过程放在同一框架下审视，有助于打通催化剂设计的知识壁垒，实现“以一驭二”的协同创新。

天津大学环境科学与工程学院林法伟教授团队在中国工程院Engineering集群子刊ENGINEERING Environment发表题为“A critical review comparing catalytic ozone decomposition with catalytic ozonation of VOCs”的综述文章，系统梳理了两种催化过程的机制共性、催化剂开发进展及抗水抗硫抗氯等关键挑战，为协同设计高效稳定催化剂提供了新视角。

殊途同归的分解方式

臭氧分解与VOC臭氧氧化并非相互独立。二者都依赖臭氧在催化剂表面氧空位上的活化，生成原子氧和活性氧物种，进而实现氧化或分解。具体而言，臭氧分子在氧空位处分解产生原子氧和O₂；原子氧可与另一个臭氧分子进一步反应，生成过氧或超氧物种。这些活性氧物种是两类反应的共同关键中间体，既能促进O₃分解为O₂，也能攻击VOC分子实现其矿化。

由于反应路径上的同源性，适用于臭氧分解的催化剂往往也能用于VOC臭氧氧化，尤以锰基氧化物最为典型。锰氧化物的优势在于其丰富的氧空位、可调控的晶型结构以及优异的电子转移能力。通过调控比表面积、形貌、金属掺杂和氧空位浓度等策略，可进一步提升其催化活性和稳定性。理解上述共同机理，是推动两类技术协同发展的基础。

图1. 锰氧化物催化臭氧高效转化的性能与机理示意

催化剂开发的两大主线

在臭氧分解催化剂开发中，过渡金属氧化物是研究热点。锰基氧化物可通过碱处理、缺陷工程、碳复合和金属掺杂等手段增加氧空位密度；铜基氧化物对电子转移调控敏感，适宜通过价态调控提升活性；铁基氧化物虽然单独研究较少，但在复合金属体系中表现出良好活性。复合载体与疏水化改性则能显著改善催化剂的抗水性能，延长使用寿命。

在VOC臭氧氧化中，催化剂除了需要活化臭氧，还必须对目标VOC具有选择性吸附能力。二氯甲烷、甲醛、甲硫醇等典型VOC的臭氧氧化研究表明，锰基复合催化剂同样表现优异，但反应条件更复杂，需特别关注烟气中的水蒸气、硫、氯等毒物对稳定性的影响。疏水载体的引入和表面微环境的调控，是提升VOC臭氧氧化催化剂工程适应性的关键方向。

图2. 复合材料对臭氧的催化转化性能

机理关联与协同前景

催化臭氧分解与VOC臭氧氧化在机理上具有协同性，在催化剂选择上高度重叠，这为“一套催化剂、两类应用”的协同开发提供了理论依据。抗水性被认为是制约两类技术工程应用的核心瓶颈之一。通过疏水载体复合、表面结构调控和氧空位浓度优化，可在提升活性的同时增强抗水能力。

未来研究可从臭氧分解催化剂的活性氧物种出发，筛选能高效产生活性氧的催化剂并用于VOC臭氧氧化；同时加强催化剂在实际复杂烟气中的长期稳定性评价，建立抗水、抗硫、抗氯性能的量化指标，推动两类技术从实验室走向工程化落地。

图3. 锰基氧化物催化VOC臭氧化的性能表现

（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s11783-026-2233-6