《Journal of Environmental Sciences》：Research advances on preparation of monolithic catalysts and catalytic purification of atmospheric pollutants
杨柳|陈思远|张欣宇|陈欣宇|张春雷|高思宇|于迪|王兰怡|范晓强|于雪华|赵珍
中国沈阳师范大学化学与化学工程学院能源与环境催化研究所，沈阳 110034
摘要
随着科学技术的快速发展，大气污染物已成为一个日益紧迫的问题。污染物不仅对大气环境造成严重危害，也对人类健康构成重大风险。催化净化技术是目前控制大气污染最有效的方法之一，高效催化剂的设计与开发已成为主要的研究焦点。研究表明，传统粉末催化剂存在诸多局限性，包括高压降、催化剂损失、回收性差以及工艺复杂等问题。相比之下，整体式催化剂有效解决了这些局限性，因此其发展受到了广泛关注。本文首先介绍了整体式催化剂的制备方法，然后重点介绍了其在氮氧化物、挥发性有机化合物、一氧化碳和颗粒物催化净化方面的最新应用进展。系统比较了陶瓷、金属和碳基载体的制备过程差异及其对污染物净化性能的控制机制。最后，讨论了整体式催化剂在空气污染控制中的前景。
引言
随着工业化的加速和化石能源的大规模应用，石油化工、煤炭加工、化工、制药和染料制造等行业在生产过程中释放了大量污染物，导致了严重的生态破坏（Liu等人，2024b）。光化学烟雾（Jia等人，2025）、酸雨（Zhang等人，2016a）、一氧化碳（CO）（Roderique等人，2015）、挥发性有机化合物（VOCs）（Guo等人，2026）等污染物对人类健康构成了严重威胁。因此，大气污染已成为一个亟待解决的环境问题。主要的气体污染物包括氮氧化物（NOx）（Kong等人，2025；Liang等人，2024）、CO（Yi等人，2024）和VOCs（Kamal等人，2016；Salar-García等人，2017）。颗粒物污染物主要包括车辆排放的烟尘（Shao等人，2022）和工业锅炉粉尘。在各种空气污染物控制技术中，催化净化技术被广泛认为是最有效的方法之一，在减轻空气污染中起着核心作用（Tsai等人，2022）。自1952年Eugene Hodley开发出第一台催化转化器并将其应用于工厂烟囱废气处理以来，催化净化技术逐渐被应用于工业废气和汽车尾气等领域的污染控制（Pontikakis等人，2004）。早期，该技术主要用于工业烟气脱硫和脱硝。20世纪60年代后，随着汽车数量的增加，该技术开始扩展到移动源空气污染控制。1975年，美国法规要求汽油车必须安装催化转化器，这促进了催化净化技术成为汽车尾气净化关键技术（Gerard等人，2005）。1981年，三效催化剂的商业化实现了汽油车中CO、HC和NOx的同时净化。21世纪，该技术进一步扩展到柴油车尾气处理。然而，高效催化剂的设计与制备仍然是推动该技术发展的关键挑战。
近年来，研究人员研究了不同类型粉末催化剂在有效消除大气污染物方面的应用（Fino等人，2016）。但由于高压、高损失率和回收性差，粉末催化剂的实际应用受到限制。与粉末催化剂相比，整体式催化剂具有以下优势：（1）整体式催化剂的孔壁较薄，具有优异的传热性能，确保活性组分均匀受热；更重要的是，避免了剧烈放热反应时因局部高温导致的活性组分烧结问题。（2）整体式催化剂的孔结构在各个方向上延伸，在相同空间速度条件下，其压降比粉末催化剂低2-3个数量级，使其能够适应高空间速度和含尘的复杂环境，显著提高了其在工业应用中的适用性和经济性。（3）整体式催化剂还具有易于装载、卸载和运输的特点，同时回收利用率高，有助于降低使用成本和资源浪费（Fu等人，2022；Irandoust等人，1988；Moulijn等人，2011）。由于这些优势，整体式催化剂在化工行业和环境保护等实际应用中表现出良好的适用性（Cybulski等人，1994；Forzatti等人，1998）。
本文重点介绍了不同类型载体的整体式催化剂（如堇青石陶瓷整体式催化剂、金属整体式催化剂等）的制备方法，并详细描述了其制备原理。同时，系统介绍了整体式催化剂在催化净化大气污染物（如CO、VOCs、烟尘颗粒、NOx、O3等）领域的最新研究进展。最后，总结了整体式催化剂在催化净化大气污染物方面面临的当前挑战，并提出了其未来发展方向。
不同载体的整体式催化剂
整体式催化剂通常由活性物质、涂层和载体三部分组成（Nijhuis等人，2001）。活性物质是指附着在涂层上的具有高催化性能的活性组分（Carty等人，1996；Wang等人，2019）。涂层具有较大的比表面积，为活性组分的均匀分散提供了充足的空间和位点，有效促进了活性物质的分布。
整体式催化剂在消除大气污染物方面的研究进展
不同载体的整体式催化剂在消除不同污染物方面的制备和性能各不相同，且具有选择性。例如，陶瓷载体（如堇青石）耐高温，适用于固定源颗粒物和NOx的处理；金属载体（如镍泡沫）具有优异的导热性，适用于移动源VOCs和CO的氧化；碳基载体（如杨木）易于负载贵金属结论与展望
近年来，随着科学技术的不断进步，大气污染物排放量增加，对人类健康构成了重大风险。因此，有效减少或消除大气污染物已成为关键的研究目标。在各种空气污染物处理方法中，催化净化技术占据重要地位，而高效催化剂的发展是推动其广泛应用的关键因素。
CRediT作者贡献声明
杨柳：撰写——原始稿件、方法论、研究、数据分析、数据整理。陈思远：数据可视化、研究、数据分析、数据整理。张欣宇：软件开发、研究、数据分析。陈欣宇：数据可视化、研究、数据分析、数据整理。张春雷：方法论、研究、数据分析、数据整理。高思宇：方法论、研究、数据分析、数据整理。于迪：数据可视化、软件开发、研究、数据分析
未引用的参考文献
Wang等人，2018；Yu等人，2017；Han等人，2019；Huang等人，2023；Mo等人，2018
CRediT作者贡献声明
杨柳：撰写——原始稿件、方法论、研究、数据分析、数据整理。陈思远：数据可视化、研究、数据分析、数据整理。张欣宇：软件开发、研究、数据分析。陈欣宇：数据可视化、研究、数据分析、数据整理。张春雷：方法论、研究、数据分析、数据整理。高思宇：方法论、研究、数据分析、数据整理。于迪：数据可视化、软件开发、研究、数据分析利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22572132、22372107和22402129）、广西壮族自治区科技重大项目（项目编号GUIKEAA24206022）、辽宁省优秀青年科学基金（项目编号2025-JQ-08）、辽宁省高校基本科研业务费（项目编号LJ212410166052和LJ212410166046）、辽宁省兴辽英才青年拔尖人才计划（项目编号XLYC2203007和XLYC2203138）的支持。
