挥发性有机污染物控制-郭彦炳课题组

挥发性有机污染物（Volatile Organic Compounds, VOCs）是形成细颗粒物（PM₂.₅）和臭氧（O₃）的关键前体物之一，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，烷烃类化合物虽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驱动力之一。它们在阳光作用下极易与·OH、臭氧或NO₃自由基反应，生成光化学烟雾、臭氧及多种有机过氧化物。部分低分子烯烃（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。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，已成为当前大气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高效、低碳控制，为高效VOCs催化氧化设备的产业化开发提供明确的指导。