研究背景与挑战

工业烟气中氮氧化物（NOₓ）与颗粒物（PM）的协同控制是大气污染治理的难点。传统工艺采用“先除尘、后脱硝”的分离流程，存在系统复杂、能耗高、占地面积大等问题，难以满足日趋严格的超低排放标准。开发兼具高催化活性与优异过滤性能的一体化材料，成为环境功能材料领域的前沿方向。然而，该类材料在实际应用中面临三大核心挑战：催化剂与纤维基底结合力弱，易导致活性组分脱落；高催化剂负载与低压降之间的固有矛盾；低温下NH3-SCR活性不足，难以适应工业宽温区操作。

近日，福州大学赖跃坤教授&岳源源教授合作，在期刊《Advanced Functional Materials》上发表了最新研究成果“Boosting NH3-SCR and particulate filtration via interface engineered fiber-catalyst synergistic catalytic membrane”，通过界面工程化纤维-催化剂协同催化膜提升NH3-SCR与颗粒物过滤性能。福州大学为第一署名单位，论文第一作者为福州大学化工学院博士生闫嫔媚，通讯作者为赖跃坤教授、岳源源教授。研究构建了一种具有“沸石-耦合剂-纤维”三元界面协同结构的新型催化膜材料，成功实现了低温NH3-SCR脱硝与超细颗粒物高效过滤的双功能集成，突破了传统多级处理工艺在效率、能耗与设备复杂度方面的瓶颈。通过双重路径增强效应实现功能协同，其低温NH3-SCR温窗拓宽25 °C、PM0.3过滤效率超99.99%、压降<1000 Pa，这种从微观到宏观的一体化设计产生“1+1>2”协同效应，实现了单一材料中催化与过滤功能的突破性集成，为工业及柴油尾气净化提供创新方案。

创新设计与构建策略

本研究提出了一种基于界面化学键合的双功能催化膜构建策略：

① 以Cu-SSZ-13沸石为低温SCR催化剂，具备优异的催化活性与水热稳定性；

② 采用静电纺丝聚酰亚胺纤维作为三维柔性载体，兼具高孔隙率与良好机械性能；

③ 引入KH550硅烷耦合剂，通过其水解-缩合机制在沸石与纤维间构建稳固的“Si-O-Si”共价桥接，形成“沸石-硅烷-聚合物”三元异质界面，实现催化剂的原子级分散与不可逆锚定。

图1：61CS-K5-PI催化膜的制备过程制备工艺与反应机理

KH550与Cu-SSZ-13表面羟基脱水缩合形Si-O-Si键，制得含氨基的改性沸石CS-K5。将其分散于乙醇中，经动态浸渍与静电纺丝聚酰胺酸（PAA）纤维膜接触，CS-K5的氨基与PAA酸酐开环形成共价酰胺键，得到CS-K5-PAA前驱体。热酰亚胺化后PAA转化为PI，最终获结构稳固的催化膜。

图2：61CS-K5-PI催化膜的表面形貌和化学组成

KH550修饰后沸石形貌、分散性不变，CS-K5均匀附着于PAA纤维表面无团聚。FT-IR证实共价接枝及完全酰亚胺化，XRD表明沸石晶体结构完好，TEM及元素Mapping验证CS-K5均匀分散、Cu活性中心原子级分布。通过响应面法（RSM）优化，确定最优制备参数，获得61CS-K5-PI催化膜，其催化剂负载率高达61%，且无团聚或脱落现象。

图3：61CS-K5-PI催化膜NH3-SCR性能与反应机理研究

性能突破与协同机制

低温SCR性能显著提升：在200 °C下，61CS-K5-PI的NOx转化率较原始CS提升16.2%；KH550修饰诱导形成CuO纳米簇，增强Lewis酸性，促进多种硝酸盐中间体的生成与转化，降低反应活化能达16.5%；三维纤维网络通过CFD模拟验证的流场扰动作用，纤维网络形成涡流、减薄气体边界层，加速反应物扩散，显著提升传质效率，在960,000 h−1高空速下，反应速率达粉末催化剂的2.5倍。

图4：61CS-K5-PI催化膜纤维网络的传质增强效应

图5：61CS-K5-PI催化膜过滤性能与结构协同机制

2. 超细颗粒物高效拦截：对PM0.3的过滤效率>99.99%，压降<1000 Pa，满足工业运行要求；沸石负载形成粗糙纳米结构，纤维直径由539.9 nm增至1.49 μm，比表面积与表面粗糙度提升，增强颗粒物捕获能力；优化的孔径分布与孔隙结构，在保证高通量的同时实现高效拦截。

3. 优异稳定性与抗干扰能力：在225 °C下连续运行250 h，催化剂损失率仅0.37%；“过滤–清洗”循环表明，SCR活性与过滤效率保持稳定（>95%）；在10 vol% H2O或200 ppm SO2气氛中，仍保持高NOx转化率，具备良好的水热稳定性与抗硫毒化能力。

图6：61CS-K5-PI催化膜长期稳定性与抗毒化性能

研究意义：

本研究提出了一种“从微界面到宏观结构”的多功能膜设计范式，通过界面工程实现催化剂原子级分散与稳定锚定；借助三维纤维网络优化流体动力学行为，协同提升传质与反应效率；实现了催化功能与过滤结构的功能互补与性能叠加，产生“1+1>2”的协同效应。

该材料在柴油尾气净化与工业烟气治理领域具有广阔应用前景，为下一代高性能环境催化-过滤一体化材料的设计提供了理论依据与技术路径。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202527071