環境空氣中的臭氧（O3）是名副其實的「健康殺手」。儘管O3氧化性強、反應活性高，但其本身相對穩定，在環境空氣中通常的存在濃度（ppb級別）下，幾乎不會自發分解為氧氣。大量研究表明，長期暴露在含有即使微量O3的環境中，也可能會引發呼吸系統和心血管系統疾病。近年來，全球各地嚴重的O3污染發生頻率有上升態勢，因此，為保護生態環境和人類健康，O3污染防控相關研究具有重要意義。
圖1. 雙金屬MOF PCN-250(Fe2Co) 作為多孔催化劑用於O3和VOCs去除。
作為一類新興的材料，金屬有機框架（MOFs）因其可調的結構和多樣化的功能作為催化劑在眾多催化反應中備受關注，也包括O3分解反應。此外，與過渡金屬氧化物相比，MOFs具有多孔性，因此不僅可以在內孔表面提供更多的催化活性位點，也有可能成為先進的多功能材料，在分解O3的同時通過吸附去除空氣中的其他污染物分子。
圖2. PCN-250(Fe2Co) 與對比材料的O3去除效率。
本研究展示了一系列同構的雙金屬MOFs催化O3分解及吸附去除揮發性有機化合物（VOCs）的性能和應用潛力（圖1）。其中，PCN-250(Fe2Co) 在室溫0-80%相對濕度下，對含1 ppm O3的連續空氣流表現出100%的O3去除效率（圖2）。該MOF室溫下在水中浸泡30天，在環境空氣暴露4個月，或在接觸較高濃度O3（50 ppm）100小時後，孔隙率和晶體結構保持不變，且其對O3催化分解的能力不受影響。基於實驗結果和DFT計算，作者提出了PCN-250(Fe2Co) 在干、濕條件下催化分解O3的反應機理。
另一方面，VOCs不僅是一類有害的空氣污染物，也是大氣中生成O3的主要前驅物質。由於比表面大、孔尺寸適中，PCN-250(Fe2Co) 對各種VOCs都具有較強的吸附能力，有望在催化O3分解的同時吸附去除空氣中低濃度的VOCs，實現空氣的多重淨化。這種吸附性能是大多數其他O3分解催化劑不具備的。這項研究為開發用於空氣污染控制的新材料開闢了一條新的途徑。
此工作近期發表在Nature Communications，北京工業大學博士研究生董辰與北京師範大學博士研究生楊佳佳為本文的共同第一作者。北京工業大學謝林華、李建榮，北京師範大學崔剛龍為共同通訊作者。
Catalytic ozone decomposition and adsorptive VOCs removal in bimetallic metal-organic frameworksChen Dong, Jia-Jia Yang, Lin-Hua Xie, Ganglong Cui, Wei-Hai Fang, Jian-Rong LiNat. Commun., 2022, 13, 4991. DOI: 10.1038/s41467-022-32678-2https://www.x-mol.com/university/faculty/49832https://www.x-mol.com/university/faculty/37834
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