中国科学院开发氮掺杂碳封装铁镍合金负载超低铂催化材料实现室温高效净化甲醛

中国科学院地球环境研究所研究员黄宇团队在常温催化净化甲醛方面取得新进展。团队开发了一种氮掺杂碳封装铁镍合金负载超低含量铂（FeNi@NC/Pt）的催化新材料，实现了室温下对甲醛的高效深度氧化去除。相关成果发表于PNAS Nexus。

甲醛是室内空气主要污染物之一，严重威胁人体健康。室温催化氧化技术可在无需外部能量输入的条件下将甲醛彻底分解为CO₂和H₂O，是最具前景的净化技术之一。贵金属铂（Pt）是室温催化氧化甲醛最有效的活性组分，但其高昂成本限制了大规模应用。降低Pt负载量并保持高催化活性是当前的研究热点和难点。

研究团队通过调控ZIF-8前驱体热解过程，制备了氮掺杂碳封装铁镍合金纳米颗粒，并进一步负载超低含量的Pt（0.08 wt%），构建了FeNi@NC/Pt催化材料。该材料在室温、高空速（120,000 mL g^-1 h^-1）条件下，对低浓度甲醛（1 ppm）的去除效率高达97.5%，且连续运行100小时活性无衰减，表现出优异的催化活性和稳定性（图2）。

机理研究表明，氮掺杂碳壳层不仅有效阻止了合金纳米颗粒的烧结，还作为电子桥梁，促进了FeNi合金与Pt之间的电荷转移。即使没有直接接触，二者间也存在定向电子迁移。这种由碳介导的电子穿透效应赋予Pt富电子的特性，通过延长O−O键（1.405 Å）使其更易断裂，进而形成活性氧物种（图3），使甲醛经二氧亚甲基和甲酸盐深度氧化分解为CO₂。

本研究为实现室温下超低负载量贵金属高效净化甲醛提供了新思路。此外，团队构建的新型常温纳米催化材料体系，已落地格力电器的商品化除醛型空气净化器，其甲醛CCM值超国标最高等级6.6倍，系列技术获行业协会鉴定“国际领先”，并被CCTV-1“品牌强国工程”报道。

相关成果发表于PNAS Nexus，朱丹丹博士后为第一作者，黄宇研究员为通讯作者。该工作受国家自然科学基金（52200137）、中国科学院先导专项（XDA23010300、XDA23010000）和中国博士后基金（2022M713126）等共同资助。

原文详见：

D. Zhu, Y. Huang*, X. Shi, R. Li, Z. Wang, W. Peng, J. Cao, S.C. Lee. 2025. Enhancing molecular oxygen activation by nitrogen-doped carbon encapsulating FeNi alloys with ultra-low Pt loading. PNAS Nexus, pgae594. https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgae594.

图1. FeNi@NC/Pt催化材料的制备过程和形貌结构

图2. FeNi@NC/Pt催化材料的甲醛去除效率和稳定性

图3. FeNi@NC/Pt催化材料的电荷转移、氧活化，及甲醛氧化机理