宁波材料所在时空限域催化膜方面取得进展

　　全球水资源短缺与水污染危机严重制约着人类社会可持续发展。在我国能源消费结构中，煤化工、石油化工、天然气化工占据主导地位（60%以上），但其绿色低碳转型和清洁高效利用面临重大挑战。以煤制气项目为例，其生产过程中会产生大量难降解有机物（如烃类、酚类等）及高浓度盐溶液，常规的长流程生化、高级氧化及膜分离集成技术，难以有效去除高盐溶液中的化学需氧量（COD）使其达标（例如<100ppm），从而影响盐的分质回收，成为煤制气生产工艺的关键制约环节。

　　催化膜是耦合非均相高级氧化过程和膜分离过程的新型膜催化反应器，可以高效连续实现难降解污染物的消除及矿化。膜内高效催化位点的设计及限域膜孔内传质反应机理的理解是关键。中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘富研究员团队前期在催化膜的制备策略（Applied Catalysis B: Environmental, 2020, 273, 119047、Journal of Membrane Science, 2021, 639, 119782、Chemical Engineering Journal, 2022, 442, 136069）、膜内催化位点的设计（Materials Horizons, 2025, 12, 1944、Journal of Membrane Science，2022，644，120156）方面进行了系统研究，并首次提出时空限域催化膜的新概念和设计原则（Advanced Materials，2024，36，2311419）。

　　近期研究团队提出时空限域催化膜的扩散反应新机制，从时间（活性氧寿命和污染物停留时间）和空间（孔道尺寸与活性氧扩散距离）两个尺度，结合实验和理论模拟，建立了单线态氧和羟基自由基协同扩散反应模型，实现了膜孔道内催化界面近程和远程污染物的高效去除。该催化膜具有高通量（645.3 L m-2 h-1bar-1）和对多种污染物的稳定催化去除（> 99%），反应速率常数比悬浮纳米颗粒催化剂体系高2到4个数量级。设计制备的多通道催化膜组件对实际高盐煤化工废水具有优异的耐盐性，对生化和臭氧氧化后废水及浓缩后二级高级氧化废水，一次处理后，总有机碳（TOC）均可降至50ppm以下。

　　该工作针对时空限域催化膜首次建立扩散-反应动力学模型，为该类催化膜的定向设计提供了理论基础。同时，该催化膜易于扩展至多通道放大生产，在煤化工、石油化工及天然气化工等行业的工业废水零排放及资源化回收方面，展现出良好的应用可行性。目前，进一步的放大试验及工程化应用工作已在推进中。

　　该成果以“Tempospatially confined catalytic membranes with controlled diffusion-reaction for ultrafast water purification”为题发表于Environmental Science & Technology期刊（论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c04008）。宁波材料所卢娜博士为第一作者，宁波材料所刘富研究员和香港大学汤初阳教授为通讯作者。该研究获浙江省自然科学基金白马湖实验室联合基金（LBMHD25B060001）、浙江省杰出青年基金延续项目（LRG25E030002）、浙江省重点研发计划（2021C03170）国家自然科学基金（52373112）、中国科学院全球共性挑战专项（181GJHZ2022038GC）和宁波市国际合作项目（2023H001）等的资助。

时空限域催化膜扩散反应机制及高效水净化过程示意图

（高分子与复合材料实验室  刘富）