中国报告大厅网讯，挥发性有机化合物(VOCs)是引发臭氧污染、光化学烟雾等环境问题的重要源头，这类物质往往带有刺鼻气味，且具有高毒性甚至致癌性，对生态系统平衡和人体健康构成严重威胁。甲苯作为典型的 VOCs，不仅具有神经毒性，还是光化学烟雾的关键前体物质，其来源广泛，涵盖石油行业生产、车辆尾气排放、房屋油漆使用与回收以及工业生产排放等多个领域，对环境和人体健康的危害不容小觑。当前，针对 VOCs 的处理主要分为回收法和消除法两类，回收法包括物理吸附、吸收法、膜分离等，消除法则有催化氧化、生物降解、光催化降解、等离子体催化等方式。其中，催化氧化法因成本低廉、处理效率高、无二次污染，且能将甲苯彻底转化为无毒的 CO₂和 H₂O，成为处理甲苯的重点关注技术。不过，该技术的核心挑战在于制备出具备低温高效催化性能和高稳定性的催化剂。近年来，尽管有研究分别聚焦锰基催化剂、介孔氧化硅基催化剂在甲苯催化氧化中的应用，但对各类催化剂进行全面梳理和总结的成果相对较少。基于此，以下将从不同催化剂种类出发，详细阐述近年来甲苯行业催化氧化领域的研究进展，并分析当前存在的问题与未来发展方向。以下是2025年甲苯行业技术分析。

  一、贵金属催化剂在甲苯催化氧化中的应用与性能分析

  负载型贵金属催化剂凭借独特的电子结构和低活化能特性，通常比非贵金属催化剂表现出更优异的性能，能够在较低温度下实现甲苯的完全转化。常见的贵金属催化剂主要有 Pt 基、Pd 基、Au 基等类型，这类催化剂虽具有低温活性高、稳定性好、易于再生等优势，但由于贵金属储量稀缺，导致其成本过高，同时在使用过程中易出现烧结和中毒现象，这在一定程度上限制了其广泛商业化应用。

  (一)单金属催化剂对甲苯催化氧化的作用

  Pt 基催化剂：在催化去除 VOCs 领域，Pt 基催化剂因能在较低温度下实现甲苯等污染物的完全转化而备受关注。它可使 VOCs 的起燃温度降低约 100℃，并且在处理含氯 VOCs 时，能表现出更高的 CO₂选择性。不过，Pt 基催化剂成本较高且易中毒，这使其在工业应用中受到一定限制。研究表明，将特定元素负载到载体上制备的 Pt 基催化剂，能有效提升其性能。例如，某 Pt/Ni-CeO₂催化剂，在甲苯浓度为 1000mg・kg⁻¹、空气流速为 60000mL・(g・h)⁻¹ 的条件下，T₅₀为 147℃，T₉₉为 149℃，该催化剂具有优异的耐水性和耐 SO₂性。这是因为 Ni 的掺杂使其产生丰富的氧空位，提高了氧化还原性能和甲苯吸附能力，同时 Ni 与相邻 Pt 形成 Pt-NiO 界面结构，能有效改善 Pt 的电子和化学性质，从而抑制 H₂O 和 SO₂分子在催化剂表面的吸附。此外，金属颗粒尺寸的差异也会显著影响 Pt 基催化剂的催化性能。采用乙二醇还原法制备的一系列尺寸可控(1.3~2.5nm)的 Pt 纳米颗粒，并将其负载在 CeO₂纳米棒上形成的催化剂中，Pt/CeO₂-1.8 催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 48000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 132℃，T₉₉为 143℃)表现出最佳的催化活性。随着 Pt 纳米颗粒尺寸的增大，Pt 的分散度逐渐下降，但载体表面会出现更多的固溶体 Ce³⁺和氧空位，该催化剂之所以活性最佳，正是由于 Pt 分散度和氧空位浓度达到了良好的平衡。

  Pd 基催化剂：在催化加氢和氧化反应中，Pd 基催化剂相对其他同类催化剂具有较高的水热稳定性。Pd 负载量以及催化剂制备方法等因素，都会对 Pd 基催化剂催化甲苯氧化的活性产生影响。采用沉积沉淀法制备的不同 Pd 负载量的 xPd/OMS-2 催化剂中，0.5Pd/OMS-2 催化剂(甲苯浓度 2000mg・kg⁻¹、空气流速 240000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 240℃，T₉₉为 285℃)具有良好的低温还原性和高氧迁移率，催化性能最佳。通过乙二醇还原法制备的 Pd-U-EG 催化剂，在甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 30000mL・(g・h)⁻¹ 的条件下，T₅₀为 191℃，T₉₉为 198℃，由于其表面高分散的 Pd 纳米颗粒含量高且晶格氧浓度高，在 200℃时就能实现甲苯的完全转化。采用超声辅助浸渍法制备的负载于 CeO₂掺杂 Al₂O₃或斜沸石载体上的 Pd 基纳米催化剂中，Pd/Al₂O₃-CeO₂催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 10000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₁₀₀为 185℃)因粒径小、比表面积大，表现出更优的催化氧化活性。

  Au 基催化剂：长期以来，Au 因对反应性化合物具有化学惰性，常被认为是一种非活性物质。直到后来研究发现，通过形成缺陷结构可以提高 Au 催化剂的反应活性，当 Au 沉积在金属氧化物载体上时，Au 纳米颗粒在低温下能表现出优异的 CO 氧化活性，这一发现也使得 Au 纳米颗粒在催化氧化 VOCs(包括甲苯)方面的独特性能引起了广泛关注。例如，负载在 GA 载体上的 Au 负载空心 Ni-Mn 尖晶石纳米球催化剂中，Au₁-hNi₁Mn₂/GA₀.₅催化剂(甲苯浓度 500mg・kg⁻¹、空气流速 36000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 115℃，T₁₀₀为 155℃)，由于空心结构的引入使其具有较大的比表面积和更易接近的活性位点，同时 Au 纳米颗粒进一步提高了催化剂的低温还原性和活性表面氧含量，从而提升了对甲苯的催化氧化性能。通过 Au/MnOOH 前驱体热分解制备的棒状 Au/MnO₂催化剂中，热分解温度为 300℃的 Au/MnO₂-300 催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 60000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 202℃，T₉₉为 205℃)，其表面具有较高的 Mn⁴⁺含量，这表明该催化剂氧空位密度大，且具有优异的低温还原性和氧迁移性，在 205℃时就能实现 90% 的甲苯转化率。

  (二)复合金属催化剂在甲苯催化氧化中的协同效应

  《2025-2030年中国甲苯行业市场分析及发展前景预测报告》指出，负载型双 / 多金属催化剂由于存在电子效应和几何效应等协同作用，能够显著提高催化剂的催化活性和稳定性，因此在甲苯等 VOCs 催化氧化领域得到了广泛研究。例如，制备的一系列具有不同 Pd/Au 摩尔比的催化剂中，3.8AuPd₁.₉₂/3DOM Mn₂O₃催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 40000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 146℃，T₉₉为 162℃)，因其对 O₂具有良好的吸附活化能力，且贵金属与载体 3DOM Mn₂O₃之间存在强相互作用，在甲苯氧化过程中表现出优异的活性、热稳定性和抗水性。另外，利用 SiO₂模板在 MnO₂纳米球中引入介孔成功制备的双金属负载均匀介孔 MnO₂纳米球催化剂中，Pt₀.₇Pd₀.₃/MMNs 催化剂(甲苯浓度 50mg・kg⁻¹、空气流速 36000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₁₀₀为 175℃)具有最佳催化活性。在 MnO₂载体中引入介孔能够获得较大的比表面积，有利于甲苯等反应物的吸附;与单金属基催化剂相比，双金属协同作用可以调节 Oₐₙₛ/Oₗₐₜₜ比例，从而获得更多氧空位。同时，在长期稳定性测试中，该催化剂的甲苯转化率仅下降了 5%，表明其具有优异的稳定性。

  二、非贵金属催化剂在甲苯催化氧化中的研究与性能表现

  当前，非贵金属催化剂的研究重点集中在创新开发廉价、低温高效且高性能的催化剂，以满足甲苯催化氧化处理的实际需求。常用的过渡金属氧化物如 Mn、Ce、Co 等氧化物，在自然界中储量丰富，且具有成本低、抗中毒和抗烧结性能好等优势，逐渐成为甲苯催化氧化领域有前途的候选材料。

  (一)单一非贵金属氧化物对甲苯的催化氧化作用

  Mn 基催化剂：Mn 氧化物具有多样的结构、丰富的价态以及多种晶型，因其高氧化效率、低毒性而在甲苯催化氧化领域备受关注，但 Mn 基催化剂也存在表面电子转移能力弱等缺点。为提高其催化活性，研究人员采取了掺杂改性、结构调整等一系列措施。MnOₓ的结晶相是决定其催化性能的关键因素，部分晶相的 MnOₓ可以提高氧空位浓度，进而进一步提高氧化活性。例如，合成的 α-MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂和 H-MnO₂ 4 种不同结构的 MnO₂催化剂中，H-MnO₂催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 60000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 223℃，T₉₉为 230℃)因具有空心结构和丰富的表面吸附氧物种，表现出最佳的甲苯催化氧化活性。采用原位热解法制备的锰金属有机骨架(Mn-MOF)催化剂中，适量掺入酒石酸(Mn-MOF / 酒石酸质量比为 5)的 Mn-5TA 催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 60000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₉₉为 208℃)，对甲苯的催化去除表现出优异的催化活性和稳定性，这归因于该催化剂具有高浓度的 Mn³⁺和 Oₐₙₛ物质、良好的低温还原性以及丰富的氧空位。

  Ce 基催化剂：稀土元素铈(Ce)离子半径大，具有丰富的晶格缺陷，传统的 CeO₂具有优异的储放氧能力，但其热稳定性较差。研究表明，CeO₂中 Ce³⁺/Ce⁴⁺的含量比例会改变氧空位的浓度，而不同形貌的 CeO₂其原子排列和暴露晶面也有所不同，进而影响 Ce³⁺/Ce⁴⁺比例，导致其呈现不同的甲苯催化效果。例如，制备的 3 种不同形貌的 CeO₂样品中，CeO₂-HS(空心球)催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 48000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₉₉为 207℃)的甲苯催化活性优于 CeO₂-R(棒状)和 CeO₂-C(立方体)。这是因为 CeO₂-HS 具有更大的比表面积和更多的表面氧空位，因此具有更好的催化性能，同时在 100h 的反应时间内，其甲苯转化率一直维持在 98% 左右，表现出优异的长期稳定性。通过对 Ce-MOF-808、Ce-BTC 和 Ce-UiO-66 的热解制备的 3 种 Ce 基催化剂中，CeO₂-MOF-808 催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 60000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 218℃，T₉₉为 278℃)，由于其表面形成了大量缺陷位点，使得该催化剂具有最大的比表面积、丰富的活性表面氧和良好的低温还原性，从而表现出最佳的甲苯催化性能。

  Co 基催化剂：Co₃O₄具有多种氧化态金属离子和晶格氧缺陷，且与氧结合速率较高，作为一种高效催化氧化 VOCs(包括甲苯)的催化剂，受到了广泛关注。采用无模板水热法制备的 3 种不同形貌的钴氧化物催化剂中，3D-Co₃O₄纳米花催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 48000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 229℃，T₉₉为 238℃)因具有比表面积大、低温还原性好、丰富的缺陷结构和表面活性氧等优点，比 1D-Co₃O₄纳米针和 2D-Co₃O₄纳米板表现出更好的甲苯催化活性，在 238℃左右就能达到 90% 的甲苯转化率。不同处理方法对介孔 Co₃O₄的甲苯催化氧化性能也有显著影响，研究表明，酸处理得到的 Co₃O₄-n(n=0.01，0.05，0.10)催化剂中，Co₃O₄-0.01 催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 15000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 217℃，T₉₉为 226℃)，其比表面积和孔体积大大增加，具有更多的弱酸性位点以及更高的表面 Co²⁺/Co³⁺和 Oₐₙₛ/Oₗₐₜₜ摩尔比，这表明酸处理对催化剂表面酸度和活性物质分布有显著影响，进而提升了对甲苯行业的催化氧化活性。

  (二)复合非贵金属氧化物在甲苯催化氧化中的优势

  复合金属氧化物催化剂存在金属间协同作用，且具有比单金属氧化物催化剂更高的金属组分分散度，通常表现出更优异的甲苯等 VOCs 催化性能。例如，采用氧化还原共沉淀法制备的一系列具有层次化结构的空心杨梅状 CeₐMnOₓ微球催化剂，将其应用于催化氧化甲苯时发现，随着 Ce 掺杂量逐渐增加，催化剂形成了更多表面缺陷和金属间强相互作用，与 MnOₓ相比，CeₐMnOₓ表面有更多的吸附氧和活性物质。其中，Ce₀.₀₃MnOₓ催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 20000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 215℃，T₁₀₀为 225℃)的 T₅₀和 T₁₀₀均比 MnOₓ低，并且表现出更高的稳定性和耐水性能。此外，通过调控复合金属氧化物的形貌来探究其对催化性能的影响也被广泛研究，在不同形貌 CeO₂上负载低含量的 CoOₓ(1% Co)形成的催化剂中，CoCe-P 催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 60000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 212℃，T₁₀₀为 240℃)表现出优异性能，这是由于 CoOₓ和 CeO₂界面存在适当的弱相互作用，导致界面处氧空位的浓度高，改善了 Co 物种的氧化还原行为，从而提高了其对甲苯的催化性能。

  (三)特定结构非贵金属氧化物在甲苯催化氧化中的应用

  尖晶石氧化物：尖晶石(AB₂O₄)通常是指一种具有四面体或八面体结构的氧化物，其中氧化物阴离子排列成立方密排晶格。研究表明，通过改善尖晶石的表面积和缺陷结构，可以提高催化剂对甲苯的催化性能。例如，采用改进的溶剂热醇解法制备的一系列介孔空心取代尖晶石 Co₃O₄催化剂中，5Co1Mn 催化剂(甲苯浓度 1000mg・kg⁻¹、空气流速 60000mL・(g・h)⁻¹ 时，T₅₀为 232℃，T₉₉为 247℃)在甲苯的催化氧化中表现出良好的催化活性。这是因为 Mn 的取代减小了微球尺寸，增大了微球的表面积，在催化剂表面暴露出更多的活性位点，加速了甲苯等反应物的吸附和转化，有利于甲苯催化氧化反应的进行。

  钙钛矿氧化物：在非贵金属催化剂中，钙钛矿(ABO₃)型催化剂具有独特的结构，半径相似的其他金属离子可以部分取代 A(稀土 / 碱土金属离子)和 B(过渡金属离子)，但整体晶体结构不会发生变化。