納米科技已成為許（xǔ）多國家提升核心競爭力的戰略選擇（zé），也是我國有望實現跨越（yuè）式發展的領域之一。納米/微結構材料（liào）具有獨特的物（wù）理和化學特性，能夠為防治環境汙染和開發清潔、可持續能源提供（gòng）機遇（yù）。近年來（lái），隨著納米科學和合成技術的發展（zhǎn），各國在具有多級孔結構微納催化劑與反應器的創（chuàng）製和應用（yòng）等方麵也取（qǔ）得了（le）飛（fēi）速發展。本章將從空氣淨化、水處理和自清潔等領（lǐng）域（yù）分別介紹具有多級孔結構微納催化（huà）劑與反應器在環境催化應用中的新進展。

排入大氣中的揮發性有機物 ( volatile organic compounds，VOCs)是重要的細顆粒物形成（chéng）的前體物，在太陽光(主要是紫外光)的照（zhào）射下，發生光化學反應，形成光化學（xué）煙霧。普遍認為高碳（tàn）的 VOCs 對氣溶膠的（de）生成作用較大（dà），其中芳香烴（tīng）類化合物是生成二次（cì）氣溶膠（jiāo）的主要物種。此外，一些含（hán）鹵素（sù）的 VOCs 在進入大氣平流層後，在紫外（wài）線的作用下發生一係（xì）列化學反應，消耗大氣層中的臭氧，從而引起臭氧空洞（dòng）。需要指出的是，作為天然（rán）氣的主要成分，甲（jiǎ）烷是溫室效應高（gāo）於CO₂數十倍的溫室（shì）氣體。VOCs 對環境有重大的危害，威脅人們的日常生活和身體健康（kāng），此（cǐ）外，大多數 VOCs 有毒、有刺激性（xìng）氣味，從而直接危害（hài）人體健康。因（yīn）此（cǐ），嚴格控（kòng）製VOCs 的排放（fàng）將產生顯著的環境和經濟效益（yì）。其中，關鍵的科學問題是高效（xiào） VOCs 催（cuī）化淨化技術的研（yán）究和新型催化材料的開發。光催化技術是近年來（lái）迅速發展起（qǐ）來的一種多相高級氧化技術（shù），是一種淨化低濃（nóng）度（dù） VOCs 廢氣的有效手段，受到國內外的廣泛關注。光催化技術的（de）核心是高效光催（cuī）化材料的研發。VOCs 品種繁多，且大部分分子結構較大。為了 VOCs 分子在催化劑體（tǐ）係中的良好傳質、吸附和活化，要求催化材料具有較高（gāo）的比表麵積和發達的（de）孔隙（xì）結構。相對於微孔材料，介孔和大孔材料具有（yǒu）更大的孔徑和更強（qiáng）的表麵疏水性。多級孔材料兼具（jù）不同類型孔體係的特征，較單一孔材料具有更加發達的孔道結構和高的比表麵積，便於大分子VOCs 的高效傳質和吸附，因而對 VOCs 表現出優異的光催化淨化性能。

作（zuò）為（wéi）一類常見多（duō）級孔材料，活性炭 (activated carbon，AC)被認為（wéi）是擔載TiO₂活性組分的有效（xiào）載體。它（tā）對（duì）多種 VOCs 分子具有很強的鍵合力，能大大促進催化劑對 VOCs 分子的吸附，降低了水蒸氣和（hé）汙染物之間的競爭吸附，從而提高活性組分TiO₂周圍 VOCs 汙染物的濃度，有利於光催化反應的順利進行。研究發現（xiàn） AC 和P25 的複合能夠降低短接觸和高水汽對（duì） VOCs(苯、甲苯（běn）、二甲（jiǎ）苯和甲（jiǎ）醛)光催化淨化的抑製作用。比如，當相對濕度由 10% 增大（dà）到 60% 後，P25催化苯轉化率由 57.5% 降至 5.6%，而AC 擔載 P25 複合材料上由 74.3%降至60.5%。類似地，當接（jiē）觸時間由 3.7 min 降至0.6 min 後，P25 催化二甲苯轉化率（lǜ）降低了 42%，而 P25/AC 降低約35%。盡管（guǎn）AC 和P25 的複（fù）合能夠促進 VOCs的催化降解，但（dàn）由（yóu）於 AC 較（jiào）強（qiáng）的吸附能力，會（huì）抑製VOCs分子在催化（huà）劑表麵的擴散，從而導致 VOCs礦化率的下降。例如對乙炔的礦化率從 100% 下降至 59.6%。研究者認為較高的比表麵積和孔隙結構(特別是微孔結構（gòu）能抑製 VOCs分子（zǐ）的逸出(延（yán）長接（jiē）觸時間)，從而（ér）增（zēng）強反應（yīng）物（wù）的吸附和反應可能性;並且相互貫通的（de）孔隙結構可以（yǐ）促進反應物向活性部位的擴散並增強捕光能力。這（zhè）些（xiē）是 UV100 優（yōu）於 P25 在甲基-乙基（jī）-酮光（guāng）催化淨化的主要原因。除了活性炭以外，其它多孔載體同樣也表現出類似的強吸附性能。例如將蒙脫土與 TiO₂進行複合可得到（dào）多孔蒙脫土 -TiO₂納米複合材料，其具有兩倍於 P25 的比表麵積，吸附甲醛的能力（lì）提（tí）高 4.1 倍。    

通過與其它材料複合，能夠調節TiO₂的物化性質，從而改善催化劑的催化性能。采用一步水熱合成可製備一係列多壁碳納米管 (multi-wall carbon nanotube，MWCNT) 與二氧化的複合多孔材（cái）料（liào）。研究發現 MWCNT 的引入改善了 TiO₂物化性質(結構、尺寸和晶麵)，對氣相和液相二甲苯光催化降解性能均表現出明（míng）顯的促進作用。研究者采用水熱法以及原位還原法可製備出一係列具有多級孔結構 TiO₂-graphene 複（fù）合（hé）材料（liào），發現石墨 (graphene)的引入能提（tí）高複合材（cái）料對空氣中丙酮（tóng）的光催化降解效率。在紫外光照下，當 TiO₂-graphene 複合材料中石墨烯質量分數為 0.05%時，對丙酮具有最（zuì）高的降解效率，並且 1.7 倍和（hé）1.6 倍於相應的 TiO₂和商（shāng）用P25材料。石墨烯可（kě）以高效地接收和（hé）轉移電子，降低催化劑上電荷的複合能力，是提（tí）高該催化劑光催化活性的關鍵因素。多孔0.1%Mn/TiO₂/ZSM5和Mn/meso-TiO₂納米材料在真空紫（zǐ）外（wài）(VUV)照射下通過（guò）O₃輔助，能有效地同時催化氧化去除苯和O₃副產物。研（yán）究發現 Mn/meso-TiO₂上（shàng）苯降解的效率為82%，明顯高於 meso-TiO₂上的70% 和商用P25的48%。

該催化劑優異的性能與O₃在氧化錳氧空位上解離生成的高活性氧物（wù）種有關。由（yóu）於傳（chuán）統 TiO₂僅受紫外（wài）光區響應的限製，製約了其在實際中的廣泛應用，因此拓寬（kuān）其光響應至可見光區具有重要意義，而與可見光響應材料複合是有效方法之一。比如，采用耦合法可製備得到多孔異質結 LaVO₄/TiO₂納米催化劑，在可見光或紫（zǐ）外光照射下，與不同TiO₂材料相比，該（gāi）類催化劑（jì）對苯的光（guāng）催化降解表現出優異的活性和穩定性。研究認為合適的帶隙能以及異質結結構是其優異性能的主要原因。

除了TiO₂基的多（duō）級孔光催化劑，其它一些多孔催化劑同樣對 VOCs 表現出優異的光催化淨化效率（lǜ）。例如，與商用TiO₂光催化劑相比，納米多孔In(OH)₃在紫外光照射下（xià）對氣相丙酮（tóng）、苯和甲（jiǎ）苯光催化降（jiàng）解表現出較高的催化活（huó）性和穩定性。對甲苯氧化來說，In(OH)₃的（de）淨化率達（dá） 25%，5倍於商用TiO₂，催（cuī）化劑上 CO₂的產率達 250 μL/L，遠高於TiO₂上（shàng）的 20 μL/L ; 同時（shí）該催化劑在 60 h 連續反應後（hòu）活性無明顯下降。獨特的電子結構和良好（hǎo）的表（biǎo）麵性質使得In(OH)₃具有強氧化能（néng）力，豐富的表麵羥基、高表麵積以及（jí）貫通的多孔結構，這些（xiē）特性使得納米多孔In(OH)₃催化劑具有優異的光催化（huà）淨化 VOCs 性能（néng）。研究表明，在紫外燈照射下，具有大比表麵積的多孔Ga2O3;較TiO2表現出更為優異的催化苯氧化的（de）活性和穩定性:多孔Ga2O3對苯的催化淨化率和礦化率高達 42% 和 95%，並且在 80 h連續反應後活性無明顯降低（dī）;而TiO₂對苯的淨化率由初始的 13% 經過 80 h 後速（sù）失活至（zhì）無轉（zhuǎn）化率。多孔 Ga2O3較大的比表麵積和發達孔結構有利於其對光的吸收，多孔結構以（yǐ）及較高的能帶(4.8 ev) 都是其具有高活性的重要因素。

由於（yú） VOCs 組分複雜，具（jù）有排放多樣性，單（dān）一的光催化（huà）淨化技術（shù）難（nán）以滿足實際應用的需求，近（jìn）年來（lái）利（lì）用多種技術耦合成為解決此問題的有效手段，其（qí）中（zhōng）光熱協同技術表現出優異的淨化 VOCs 性能。研究者發現鉀錳礦型八（bā）麵體（tǐ）分子篩 (OMS-2)納米棒催化（huà）劑具有可調的氧空位（wèi）濃度，從而在全光譜下表現出（chū）較強（qiáng）的吸收能力。OMS-2 催化（huà）劑能（néng）夠將太陽能有（yǒu）效地轉換（huàn）為熱能，使材料表麵溫度最高能升至 220°C。在全光譜照射下，OMS-2 催化劑對苯、甲苯和丙酮等有機汙染物表現出（chū）極高的催化活性和較好的穩定性（xìng）。在太陽光輻照下的 OMS-2 催（cuī）化劑氧化苯的初始CO₂生成速率較文獻中報道的近紅外光下 Bi2WO6/TiO2催化劑提高了 22 倍。同時，該催化劑在循環40 次後活性未出現明顯下降。研究表（biǎo）明較高的（de）氧（yǎng）空位濃度是OMS-2 納（nà）米棒（bàng）催化劑具有優異（yì）光熱協同催（cuī）化淨化性能的關鍵。此外，Fe 的摻（chān）雜也能進（jìn）一步促進 OMS-2 納米（mǐ）棒催化（huà）劑（jì）對 VOCS 淨化效率的提高。

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