金属有机框架限域的 Co3O4 实现抗湿度臭氧分解

为什么室内外清洁空气很重要

高层大气中的臭氧能保护我们免受太阳强烈紫外线的伤害，但在地表附近，同一种气体却成为有害污染物。它会刺激肺部、加重心脏负担、损害作物，并常在炎热潮湿的日子达到高峰，而那时很多人都在户外活动。本研究探讨了一种新型材料，能在不产生新毒性的情况下悄然分解空气中的臭氧，并且关键在于即便在空气湿度很高时也能持续工作，这使其在城市雾霾治理和室内空气净化设备中都具有吸引力。

日常空气中隐蔽的污染物

在街道层面，臭氧是在汽车尾气和工业废气在阳光下发生反应时形成的。室内方面，打印机、复印机和某些消毒灯也会释放臭氧。由于在真实空气中该气体在低浓度下相对稳定，它能停留足够长的时间对健康造成损害。现有净化方法常依赖金属氧化物粉末帮助臭氧分解成普通氧气。然而，这些粉末一旦被空气中始终存在的水蒸气吸附，活性位点就会被阻塞，从而迅速失去活性。

为微小清洁剂构建多孔庇护所

研究人员通过构建“纳米反应器”来解决这一问题，将极小的金属氧化物颗粒安置在一种称为金属-有机框架的多孔晶体的微小腔室内。他们选择的框架称为 PCN-333(Fe)，在纳米尺度上看起来像有序的蜂窝状笼室和通道。通过联合使用超声和微波处理，他们引导氧化钴或氧化镍颗粒直接在这些笼室内部形成，而不是在外表面。电子显微镜和其他结构测试证实，框架保持了形状，金属氧化物颗粒保持超小、均匀分布并完全被孔道包裹。

材料如何应对潮湿污染空气

在含有实际 40 ppm 臭氧的气流中测试这些复合材料时，以钴为基的版本表现突出。一种约含 30%（重量比）氧化钴的材料在从干燥到近饱和空气的广泛湿度范围内，持续保持对臭氧 100% 的去除超过 120 小时。相比之下，裸露的氧化钴和空框架在高湿度下尤其迅速失活。被保护的催化剂在温度在冷暖之间循环变化的条件下以及模拟中国东部夏季烟雾事件的苛刻条件下也能持续工作。同样的好处在将氧化镍限制在相同框架中时也有观察，表明这是一种通用策略，而非孤立技巧。

驱动反应的隐蔽传递机制

为了解为何该限域体系在潮湿空气中表现优异，团队使用了表面敏感光谱和计算机模拟。他们发现水并非仅仅是堵塞表面的麻烦因素；相反，它提供氢原子，在框架的铁位点与氧化钴簇之间往返传递。当臭氧分子在这些位点附近吸附时，氢有助于形成短寿命的过氧化物和超氧化物种，这些物种迅速裂解为氧气。该氢传递降低了关键步骤的能垒，加快了催化剂上氧的释放，并有助于恢复活性位点，同时框架结构防止水大量淹没反应点。

这对更清洁空气解决方案的意义

简而言之，该研究表明将微小催化颗粒隐藏在设计良好的多孔载体内，可以将湿度从问题转化为助力。表现最佳的材料能在长时间内稳定地将臭氧转化为普通氧气，即使在通常会使标准催化剂失效的炎热潮湿空气中也是如此。通过揭示金属氧化物与框架界面处的氢传递如何维持反应，工作为设计未来去除臭氧乃至其他污染物的过滤材料和涂层提供了路径，适用于我们实际呼吸的复杂且不断变化的空气环境。

引用: Lou, Y., Han, Y., Li, T. et al. Metal-organic framework-confined Co₃O₄ for humidity-immune ozone decomposition. Nat Commun 17, 4299 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70324-3

关键词: 臭氧分解, 大气污染, 催化剂, 金属有机框架, 耐湿性