在工业制造、能源供应及农业生产等领域，CO₂、CH₄、N₂O、C₃F₈、SF₆等温室气体的排放，是推动全球气候变暖、破坏生态平衡的关键因素。CO₂、CH₄和N₂O为全球前三大温室气体，是导致气候变化的主要驱动因素。CO₂主要来源于化石燃料燃烧、工业生产过程及土地利用变化（森林砍伐），对全球气温上升起着主导作用；甲烷（CH₄）的全球增温潜势（GWP）约为CO₂的28倍，主要源自天然气开采、农业畜牧业和垃圾填埋场排放等，其在对流层中还能通过光化学反应促进臭氧生成，加剧空气污染；氧化亚氮（N₂O）则主要来自化肥使用、土壤微生物反应及工业排放，其GWP约为CO₂的265倍，并具有破坏平流层、臭氧层的双重危害。SF₆、C₃F₈ 等属于典型的电子特气（Electronic Specialty Gases），广泛应用于半导体制造、显示面板刻蚀、电力设备绝缘及制冷系统中。虽然这些气体在工业技术中具有不可替代的重要作用，但其对环境的影响极为严重。以SF₆为例，其GWP约为CO2的 23,500 倍 ，且在大气中的寿命可长达 3200 年；C₃F₈（全氟丙烷）的GWP约为CO₂的 7000 倍 ，同样具有极强的温室效应和极难分解的特性。这类氟化温室气体一旦逸散到大气中，将长期累积，对地球辐射平衡造成持续性破坏。
总体而言，这些温室气体共同构成了当前温室效应加剧的主要因素。两类气体的叠加效应不仅导致全球平均气温持续上升，也对生态系统稳定性、农业生产安全及能源利用效率造成深远影响。因此，加强温室气体减排、推进低碳替代气体的研发与循环利用，已成为实现“双碳”目标和应对气候变化的关键路径。
温室气体捕集与转化技术能够有效控制温室气体，降低其向大气的净排放量。因此，我们团队在现有研究基础上，致力于开发新型高效的温室气体控制材料与工艺，提升捕集效率与催化转化性能，推动捕集产物的资源化利用，实现技术路径闭环。这对于应对全球气候变化、推进碳中和目标具有重要战略意义。
图1. 温室气体来源与治理
代表性论文成果
（1）Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202313868.
（2）Nature Commnu. 2024, 15, 911.
（3）Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 126, 7351-7355.
（4）Environ. Sci. Technol., 2021, 55, 9243-9254.
（5）Appl. Catal., B: Environ., 2020, 265, 118469.
（6）Adv. Mater. Interfaces, 2018, 5, 1700730-1700741.
（4）Chem. Eng. J., 2023, 451, 138930.
（7） Chin. Chem. Lett., 2018, 29, 252-260.
挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）是形成细颗粒物（PM₂.₅）和臭氧（O₃）的关键前驱体之一，在大气光化学过程中扮演着核心角色。VOCs种类繁多，主要包括烷烃、烯烃、卤代烃、芳烃及含氧有机物等，广泛来源于石化生产、溶剂使用、交通尾气排放、油气储运及工业涂装等过程。由于其具有高活性和复杂的化学转化路径，VOCs不仅促进光化学烟雾的生成，而且对生态环境和人体健康构成严重威胁。
其中，烷烃类化合物化学反应活性相对较低，但在大气中含量丰富、排放量大，可通过与羟基自由基（·OH）反应生成过氧自由基，间接促进臭氧和二次有机气溶胶（SOA）的形成。长链或支链烷烃在氧化过程中还会生成有机过氧化物、醛酮类等二次污染物，对空气质量造成持续影响。烯烃类VOCs具有较高的不饱和度，反应活性远高于烷烃，是大气光化学反应的主要反应物之一。它们在阳光作用下极易与·OH、O₃或NO₃自由基反应，生成光化学烟雾及多种有机过氧化物。部分低碳烯烃（如乙烯、丙烯）在城市大气中具有较高浓度，对臭氧生成潜势（OFP, Ozone Formation Potential）贡献显著；而高碳烯烃或芳烯烃还可能通过二次反应生成气溶胶颗粒，增加PM₂.₅负荷。芳烃类VOCs（如苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）不仅具有高毒性和致癌性，而且在大气氧化过程中生成的多环芳香烃（PAHs）及二次有机气溶胶具有强吸附性和生物累积性。其中，苯被世界卫生组织（WHO）列为Ⅰ类致癌物，长期暴露可导致造血系统疾病及基因突变；甲苯和二甲苯等则会引起中枢神经系统损伤、呼吸刺激和内分泌紊乱。芳烃类化合物同时具有较强的吸光能力，参与大气褐碳的形成，加剧区域性灰霾污染。
总体而言，VOCs通过直接毒性作用和复杂的光化学转化过程，对人类健康和大气环境造成双重威胁。高效控制VOCs排放、优化源头替代工艺及强化末端治理技术，已成为当前VOCs污染防治与精细化管理的关键方向，也是实现区域臭氧与PM₂.₅协同减排的重要基础。
针对VOCs控制的难点（如效率低、能耗高、易失活等），我们发展了多种先进的催化与控制策略。通过构建单原子、氧空位、有序大孔等独特结构，开发了如贵金属Pt基催化剂、过渡金属Cu基催化剂等系列催化剂，深入探究催化活性位点和催化机制，揭示催化剂的构效关系，实现了VOCs在低温甚至室温下的高效催化氧化，显著降低了能耗。此外，创新性地利用石墨炔独特的电子结构和sp杂化碳，成功研制了如MoO₃/GDY、CuO/GDY等复合材料，提升了催化分解臭氧和氧化VOCs的活性与稳定性。我们的工作致力于挥发性有机污染物的低温去除，为高效VOCs催化氧化设备的产业化开发提供明确的指导。
图1. 高稳定性整体式催化剂制备
图2. CuO/TiO₂系列催化剂
图3. 金属氧化物/石墨炔复合材料
代表性论文成果
(1) Nat Commun., 2025, 16, 7847-7860.
(2) Environ. Sci. Technol., 2024, 58, 18020-18032.
(3) J. Hazard. Mater., 2024, 480, 135849-135859.
(4) Appl. Surf. Sci., 2023, 618, 156539-156548.
(5) Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, 9158-9166.
(6) Environ. Sci. Technol., 2022,56, 3245-3257.
(7) Nat. Commun., 2020, 11, 1062-1071.
(8) Environ. Sci. Technol., 2020, 54, 15476-15488.
(9) ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 7091-7101.
石墨炔（Graphdiyne, GDY）作为一种新兴的碳同素异形体，因其独特的sp-sp²杂化共轭结构而展现出区别于石墨烯、碳纳米管等传统碳材料的优异性能。GDY具有三个独特的结构特征：1) 1, 3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构；2)二维平面石墨炔通过范德华力和π–π相互作用堆叠；3) 18个C原子构成的大三角形孔结构。这种结构不仅赋予石墨炔可调的能带结构和优异的电子传输性能，还使其具备高比表面积和均匀分布的孔道，为原子、离子和分子的吸附与迁移提供了理想通道。
石墨炔中sp杂化碳原子具有高度未饱和性和较强的化学反应活性，能够与多种金属原子产生稳定的配位或电子相互作用，从而有效防止金属团聚和迁移。这一特性使得石墨炔成为构筑单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）的理想载体。其丰富的炔键位点不仅为金属原子的锚定提供了高密度的活性中心，同时可通过调控炔键电子结构实现对单原子电子态和配位结构的精准调节，从而显著提升催化活性与选择性。此外，石墨炔的规整孔状结构与高比表面积有助于实现高负载量单原子分散，同时促进反应物的高效传质与产物脱附；其良好的化学稳定性和导电性进一步保证了催化体系在复杂环境条件下的长期运行性能。
基于上述显著优势，我们团队近年来致力于新型石墨炔基催化剂的设计与构筑，系统研究其本征结构-性能关系，探索其在环境催化、能源转化及污染治理等领域的应用潜力。通过对石墨炔表面电子结构调控、金属-载体界面构筑及反应机理分析，我们旨在揭示其独特的催化作用机制，为高效、可持续的环境催化剂开发提供新的理论依据与研究思路。
此外，研究团队致力于高能量密度电极材料、液态有机储氢材料及高熵合金/氧化物纳米材料等前沿方向的研究，旨在推动先进储能、氢能利用与高效催化等领域的技术发展与应用。
图1. 纳米团簇CuO负载的GDY基催化剂
图2. HsGDY材料捕获空气中的Hg0
代表性论文成果
(1) Science 2025, 388, 514-519.
(2) Nature Commun. 2025, 16, 2439.
(3) PNAS. 2023, 120, e2221002120.
(4) Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202309158.
(5) J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 4942-4951.
(6) J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 8720-8730.
(7) Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202408894.
(8) Environ. Sci. Nano, 2021, 8, 1863-1885.
(9) ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 17167-17174.
(10) Chem. Sci., 2024, 15, 5061.
