使用硫掺杂富酚生物油研究沥青中挥发性有机物光催化降解的实验与计算研究

路面为何关系到我们呼吸的空气

每当阳光照在黑色路面上，隐形的蒸气就会升入空气。这些蒸气含有挥发性有机物（VOCs），这是一个包含大量化学物质的家族，可能危害人体健康并加剧城市烟雾。本研究探索了一种新的生物基改造沥青的方法，使其在这些气体逸散之前捕获甚至分解它们，从而有望既净化城市空气，又延长道路寿命。

日常沥青带来的隐形污染

沥青路面在生产、运输和铺设过程中会被加热，但即便在之后多年，每当阳光使其升温也会释放VOCs。这些蒸气包含成千上万种不同分子，有些有毒，有些有助于形成空气粒子和地面臭氧。太阳的紫外线（UV）会加速沥青的分解与老化，释放更多VOCs并逐步削弱路面结构。工程师曾尝试加入各种化学改性剂以减缓这种老化，但许多添加剂本身也引发环境或健康方面的担忧。

把植物废料和硫变成道路保护剂

研究人员将注意力集中在更绿色的替代品：由木质颗粒制得、富含酚类化合物的生物油——这些酚类是与植物中类似的环状分子。另一方面，道路工程长期以来也尝试向沥青中加入元素硫，这是石油和天然气精炼的廉价副产物，可提高沥青强度。在紫外光照射下，沥青中的硫可形成高度活性的硫自由基，通常被视为促炎因子，因为它们会加速老化。本研究颠覆了这一观点。团队提出将木质酚类生物油与硫结合，产生一种新的“自由基海绵”——既能增强材料强度，又能捕获VOCs分子，将其锁定为更稳定的形态，而不是让它们逸散到空气中。

分子陷阱如何发挥作用

在分子层面，紫外光会断开元素硫的环状结构，产生一个由四个硫原子组成并带有未配对电子的短链——硫自由基。该自由基与生物油中的酚环发生反应，形成一种仍具反应性的但更稳定的硫–酚组合体。研究通过详细的计算机建模表明，该组合体随后可通过形成碳–硫（C–S）键与常见的VOCs分子结合。能量计算显示，这些反应不仅可行，而且在现实的沥青条件下是有利的，意味着随着车辆与阳光使路面升温，VOCs可以被有效捕获。

让蒸气更容易被光破坏

捕获并不是终点。单独的VOCs大多仅吸收波长非常短的紫外光（约200纳米以下），而这种波长在地表稀少，使它们对阳光驱动的直接分解顽固难破。通过与硫–酚组合体形成共价复合物，VOCs的光吸收特性发生显著变化。计算模拟和实验室的紫外-可见光谱测量都表明，主要吸收峰从约200纳米移向近400纳米——即向近紫外和可见光发生“红移”，这些波段的阳光更为充足。因此，新形成的复合物能吸收更多实际到达路面的光，使得这些光更容易诱发化学反应，将VOCs分解为更重、更不易挥发并留在沥青中的物质。

来自实验室的证据

为在模拟之外验证这一机制，研究者合成了模型硫–酚–VOC化合物并用多种手段检测。紫外-可见光谱清晰地显示出VOCs与硫掺杂生物油反应后预测的红移。红外光谱检测到包括碳–硫和硫–硫键在内的特征键，表明组分间确实发生了耦合。质谱揭示的分子量和碎片化模式也与所提出的富硫结构一致。综合这些方法，形成了一幅连贯的图景：木源酚类油与硫自由基可以携手捕获VOCs，并将其转化为对光敏感、便于光催化降解的靶标。

这对未来城市意味着什么

对于非专业读者，结论很直观：通过有针对性地重新设计沥青的组成，或可将道路从持续释放有害蒸气的源头，转变为一种主动的汇，捕获并分解这些蒸气。此处研究的硫掺杂富酚生物油来自丰富的工业副产物——精炼厂的硫和废木材制成的生物油——因此既可能具有成本效益，又更环保。如能放大应用，此类改性沥青可望减少城市空气污染、延缓路面老化并更好地利用废弃物，为更清洁、更有韧性的城市基础设施提供一种可行途径。

引用: Almasi, M., Neyband, R.S. Experimental and computational study of photocatalytic degradation of volatile organic compounds in bitumen using sulfur-doped phenol-rich bio-oils. Sci Rep 16, 7779 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38337-6

关键词: 沥青排放, 挥发性有机物, 光催化道路材料, 生物基改性剂, 城市空气污染