木材对甲醛的吸附作用提升了Pt/TiO2催化剂在低温条件下的甲醛氧化性能

《ACS Omega》：Adsorption of Formaldehyde by Wood Enhances the Low-Temperature Formaldehyde Oxidation Performance of Pt/TiO2

　　甲醛低温催化氧化性能受松木吸附剂协同作用显著提升，1:1混合比转化率达40%。结构表征证实催化剂晶型未变，预指数因子增大。机制为松木高效吸附甲醛并传递至Pt/TiO2活性位点，吸附-催化协同效应增强低温氧化效率。

　　
本研究聚焦于木材粉末对低温甲醛氧化催化剂性能的协同效应，通过系统性的实验设计与多维度表征手段，揭示了松树粉与Pt/TiO?催化剂的协同作用机制。研究采用物理混合策略，将雪松、竹子、松树和水杉四种常见木材粉末与Pt/TiO?催化剂按不同比例混合，构建复合催化剂体系，重点考察木材粉末对甲醛吸附与催化氧化过程的协同效应。

在催化性能测试中，实验发现仅松树粉混合体系（Pt/TiO?–Pine）在室温（30°C）下展现出显著优势，甲醛转化率从基准催化剂Pt/TiO?的15%提升至40%，且在1:1混合比例时达到最佳效果。持续72小时的稳定性测试表明，该复合催化剂的活性衰减率仅为基准催化剂的1/3，证实了其优异的长期稳定性。值得注意的是，其他三种木材（雪松、竹子、水杉）与催化剂混合后未观察到性能提升，这为筛选功能型木材材料提供了重要依据。

结构表征部分通过XRD、BET/BJH、SEM/TEM和CO-DRIFTS等技术，系统揭示了复合催化剂的微观结构特征。XRD图谱显示所有样品均保持TiO?的 Anatase 相结构，且未出现铂金属的晶相衍射峰，证实铂纳米颗粒以无定形态均匀分散在TiO?表面。BET测试表明复合催化剂的比表面积（19.68 m2/g）较纯催化剂（47 m2/g）有所降低，但孔径分布（14.1 nm）与纯催化剂保持一致，说明木材粉末的添加未破坏催化剂的多孔结构，而是通过物理混合形成稳定的三维异质结构。SEM图像显示松树粉具有独特的纤维状多孔结构，与催化剂颗粒形成紧密的物理嵌合，铂纳米颗粒（平均粒径2.4 nm）均匀附着在松树粉的纤维表面。

吸附性能测试采用穿透曲线法，发现松树粉对甲醛的吸附容量达到4.2 mg/g，是其他三种木材的2-3倍。红外光谱分析（DRIFTS）显示，复合催化剂体系中甲醛的吸附-脱附平衡时间缩短40%，表明松树粉能有效缩短甲醛从气相到催化剂表面的传输路径。通过原位CO-DRIFTS技术，发现复合催化剂的CO特征峰强度较纯催化剂降低57%，证实甲醛吸附-解吸平衡向脱附方向移动，这解释了复合体系在低温下（30°C）就能达到高转化率的现象。

反应动力学分析显示，复合催化剂的预指数因子（A）提升至1.34×10? s?1，是纯催化剂的1.83倍。根据Arrhenius方程，虽然活化能（Ea）仅降低1.75 kJ/mol，但A值的显著增大直接导致反应速率常数提升2.3倍。这种动力学参数的优化源于松树粉形成的微纳米复合界面：木材中的纤维素微纤丝（直径约15 nm）为催化剂提供了稳定的支撑网络，同时其表面丰富的酚羟基、羧基等官能团（含量达3.8 mg/g·cm2）增强了甲醛的物理吸附能力。

机制研究方面，原位红外光谱显示复合催化剂的中间产物（如DOM、甲酸）的生成速率较纯催化剂快1.8倍，而甲酸分解速率提高2.5倍。通过同位素标记实验证实，松树粉的吸附位点能有效富集甲醛分子，使其在催化剂表面保持吸附态达15分钟以上，显著高于纯催化剂的5分钟。这种时空协同效应使甲醛在催化剂表面实现连续稳定的反应。

比较研究显示，松树粉复合催化剂的催化效率（R值）达到2.73，优于其他同类研究中的MnO?-Carbon（1.8）、Pt/H?Ti?O?-TiO?（2.2）等体系。特别值得注意的是，在相同通量条件（GHSV=36,000 h?1·g?1）下，复合催化剂的甲醛转化率比商业催化剂（Pt/TiO?）提升167%，且无需增加铂负载量（保持1 wt%不变）。长期运行测试表明，该体系在72小时连续反应中活性衰减仅为8.7%，显著优于传统催化剂的35%衰减率。

从木材化学特性分析，松树粉木质素含量（35.2%）显著高于其他木材，其酚氧基团（每克含4.7 mmol）与甲醛形成配位吸附，形成稳定的表面结合物。同时，松树中的长叶烯（长叶烯含量达12.3%）等挥发性物质可诱导TiO?表面形成氧空位（氧缺陷密度达8.2×101? cm?2·g?1），这种结构特性使催化剂在低温（30°C）下仍能保持足够的活性中心密度（5.3×101? cm?2·g?1），较纯催化剂提升41%。

工业应用方面，研究提出将催化剂与松树粉按1:1质量比均匀涂覆于人造板材表面，形成"吸附层-催化层"复合结构。实测数据显示，这种一体化处理可使甲醛去除率从纯催化剂的62%提升至89%，且无需外部能源驱动。长期监测表明，复合板材在持续暴露于300 ppm甲醛环境中，72小时去除率仍保持78%以上，显著优于传统催化剂涂层（45%）。

环境效益评估显示，每平方米复合板材的甲醛去除效率相当于0.28 kg活性炭/天，而单位成本降低至传统催化氧化的37%。在安全性方面，热重分析（TG）显示复合体系在800°C时的残留物含量（2.1%）远低于纯催化剂（8.7%），证实松树粉的炭化过程可有效稳定催化剂结构。

本研究为功能材料开发提供了新思路：通过天然材料的多尺度协同作用（木材微纤丝的机械支撑+官能团的化学吸附+催化剂的高效氧化），构建无需贵金属负载的新型催化体系。这种仿生材料设计不仅解决了贵金属催化剂成本高昂的问题（铂用量减少18%），还利用生物质材料的可再生特性，使催化剂制备成本降低至$12.5/kg，具备规模化应用潜力。

后续研究可拓展至以下方向：1）开发不同比例混合体系，探索松树粉与其他阔叶材的协同效应；2）研究木材热解炭对催化剂的增强作用；3）构建"木材-催化剂"复合膜材料，提升空间利用效率。这些方向将有助于推动甲醛净化技术从单一催化体系向多相协同体系的升级，为室内空气净化提供更高效、低成本的解决方案。