硕士生殷梓筌Build. Environ.：盐模板调控活性炭膜传质结构，实现室内VOCs高效可再生单程净化

2026年8月，Building and Environment期刊（中科院1区Top）在线刊登了课题组硕士生殷梓筌等的研究成果：Salt-templated hierarchical porous activated-carbon films for efficient and regenerable single-pass indoor VOC purification，盐模板调控活性炭膜传质结构，实现室内VOCs高效可再生单程净化。(https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2026.115192)

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

挥发性有机物（VOCs）广泛来源于建筑材料、涂料、胶黏剂及清洁用品，是室内空气中常见的气态污染物。活性炭凭借丰富的微孔结构、较大的比表面积以及对有机分子的广谱吸附能力，被广泛应用于室内VOCs净化。然而，在通风和空气净化设备的实际运行过程中，污染空气往往以较高流速通过吸附材料，气体与吸附材料的接触时间十分有限。因此，材料较高的平衡吸附容量并不意味着在动态气流条件下也能获得较高的净化效率。对于致密吸附膜，较长的膜内扩散路径和有限的传质通道连通性容易形成较大的传质阻力，导致活性炭内部大量吸附位点在单程净化过程中难以被有效利用。

针对上述问题，本研究提出了一种水溶性盐牺牲模板策略：将盐颗粒均匀分散于活性炭涂层中，成膜后通过水洗去除盐模板，在膜层内部形成微米级传质通道并扩大颗粒间孔隙，从而缩短VOC分子的膜内扩散路径、降低传质阻力，促进其进入活性炭原有的微/介孔结构并与内部吸附位点充分接触。同时，研究将吸附膜与PI-Cu电热基底集成，实现原位电热脱附再生，并系统考察活性炭/盐比例、气流速度、盐源、VOC种类、入口浓度、相对湿度以及循环再生等因素对净化性能的影响。

【核心内容】

(1) 盐模板调控膜层传质结构，提升吸附位点利用效率

本研究首先比较了无盐平面膜PF#3与NaCl模板膜STF#3的形貌和孔结构。图1a和b的SEM结果显示，PF#3表面较为致密，颗粒间仅存在少量微小空隙；经盐模板水洗后，STF#3中形成了大量数十至近百微米尺度的孔隙，并出现数微米尺度的颗粒间通道，为VOC分子在膜层内部的传递提供了更加畅通的路径。N₂吸附-脱附结果进一步表明（图1c），研磨后的STF#3比表面积由PF#3的445.9 m²/g提高至596.9 m²/g，增幅约34%；总孔容由0.222 cm³/g提高至0.263 cm³/g（图1d），增幅约18%。这些结果表明，盐模板并非在活性炭颗粒内部“新造孔”，而是通过重构膜层传质结构，缩短扩散路径、降低膜内传质阻力，使VOC分子更容易进入活性炭原有的微/介孔结构并与内部吸附位点充分接触。

**图1.** **盐模板活性炭膜的形貌与孔结构特征。**（a）无盐平面膜PF#3的表面形貌；（b）NaCl模板膜STF#3的表面形貌；（c）研磨后PF#3与STF#3的N₂吸附–脱附等温线；（d）研磨后PF#3与STF#3的孔径分布。

(2) 优化活性炭/盐配比并结合传质模型，揭示动态传质强化机制

通过系统调节活性炭/NaCl质量比，本研究进一步揭示了吸附剂用量与膜内传质效率之间的平衡关系。在1.0 m/s气流速度和2 ppm甲苯条件下，STF#3仅含3.0 g活性炭，却仍表现出与更高活性炭装载量样品相近的净化性能，表明盐模板构筑的传质通道能够显著提高膜内活性炭的利用效率。在相同3.0 g活性炭装载量下，STF#3在0.2、0.5和1.0 m/s气流速度下的初始单程去除效率分别达到99.8%、90.9%和82.2%，而对应平面膜PF#3仅为80.4%、71.8%和58.9%；在1.0 m/s的短接触时间条件下，STF#3的净化效率相对提高约40%。

为进一步解析材料在长期运行过程中的动态吸附行为，本研究开展了122.1 h连续穿透实验。STF#3的50%突破时间 t₅₀ 达到21.8 h，有效吸附容量达到33.6 mg/g。在此基础上，研究进一步建立了一维气相-膜层传质模型，并结合完整穿透曲线及代表性8 h动态净化数据，对不同膜结构的穿透过程进行定量分析。结果显示，在相同3.0 g活性炭装载量下，模型预测平面膜PF#3的 t₅₀ 和终端突破时间仅为3.9 h和61.0 h，明显短于盐模板膜。实验和模型结果共同表明，盐模板形成的微米级传质通道能够缩短膜内扩散路径、降低传质阻力，使更多活性炭内部吸附位点参与动态吸附过程，从而提高吸附剂的实际利用效率，且这一优势在高流速、短停留时间的通风工况下尤为明显。

**图2.** **活性炭/NaCl配比及气流速度对甲苯单程净化性能的影响。**（a）不同活性炭/NaCl配比下代表性STF与PF膜的甲苯去除效率；（b）STF#3与PF#3在不同气流速度下的动态净化性能；（c）不同配方在0.2、0.5和1.0 m/s气流速度下的初始单程去除效率。

(3) 多种评价指标测试验证对ppb级O₃的检测性能

为验证Va-In₂O₃传感器的实际检测能力，本研究从重复性、长期稳定性、湿度耐受性和抗干扰能力等方面开展系统评价（如图3）。在温度调制策略下，对100 ppb O₃连续测试7个响应/恢复循环，传感器动态响应曲线基本保持一致，响应值稳定在约691，表现出良好的重复性。进一步开展湿度适应性测试，发现随着相对湿度由3%升高至80%，传感器对110 ppb O₃的响应由998.99降至242.87，但在高湿环境下仍保持较高响应，表现出一定的湿度耐受能力。此外，在100 ppb O₃与高浓度苯、甲苯、四氯乙烯、H₂、CO、CO₂、NO₂及SO₂等干扰气体对比下，传感器对O₃仍表现出显著高于其他气体的响应，表明其具有优异的O₃选择性。上述结果表明，Va-In₂O₃传感器具备良好的重复性、湿度耐受性和抗干扰能力。

图3.（a）7个循环测试下Va-In₂O₃对90 ppb O₃的响应-恢复曲线；（b）7个循环测试下Va-In₂O₃对90 ppb O₃的响应值；（c）不同环境湿度条件下Va-In₂O₃传感器对110 ppb O₃的响应；（d）Va-In₂O₃传感器在30°C下的选择性测试

(4) 对比验证Va-In₂O₃提升低浓度O₃检测能力

为进一步验证Va-In₂O₃传感器的性能优势，本研究对比总结了文献报道的多种O₃敏感材料在ppb级浓度范围内的检测性能（如图4）。相比多数金属氧化物半导体传感器Va-In₂O₃在不同湿度条件下均表现出较高的响应。在3% RH和73% RH条件下，传感器分别实现10 ppb和30 ppb的检测下限，表明氧空位工程能够有效提升In₂O₃对低浓度O₃的检测能力，并增强其在湿度环境下的检测适应性，为ppb级O₃高灵敏传感材料的设计提供有效策略。

【成果小结】

本研究提出了一种真空退火氧空位调控策略，通过降低退火过程中的氧分压促进In₂O₃晶格氧脱附，增加表面氧空位，为O₃吸附和界面反应提供丰富活性位点。XPS和EPR表征证实，真空退火后In₂O₃氧空位占比由24.1%提高至29.0%；同时，氧空位诱导缺陷态使材料带隙宽度由3.36 eV降低至3.22 eV，提高载流子浓度，从而协同增强O₃吸附和界面电荷转移过程。通过温度调制优化响应与恢复过程，分别选取30℃和130℃作为最佳响应和恢复温度，实现了10-130 ppb范围内O₃的高灵敏检测，其中对10 ppb O₃的响应达到In₂O₃的12.6倍，且恢复速度<5 s。在100 ppb O₃连续7个循环测试中，响应值相对稳定，表现出良好的重复性。针对复杂环境适应性，在73% RH条件下对110 ppb臭氧的响应为242.87，并对苯、甲苯、四氯乙烯、H₂、CO、CO₂、NO₂及SO₂等干扰气体表现出良好选择性。与已有报道相比，该氧空位工程策略显著提升了In₂O₃在低浓度及高湿环境下的O₃检测能力，为ppb级O₃高灵敏传感材料的设计提供了有效方案。

【作者介绍】

庞冬晴：深圳大学土木与交通工程学院博士生

该论文的第一作者为深圳大学土木与交通工程学院博士生庞冬晴，主要从事气体传感相关研究，已在中科院一区Top期刊ACS Sensors、Sensors and Actuators: B. Chemical、Building and Environment上发表一作SCI论文3篇。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院莫金汉教授，共同作者包括课题组副教授谢锐杰，助理教授汪琰。

本文引用格式

Pang DQ, Xie RJ, Wang Y, Mo JH*. Oxygen-vacancy-rich In2O3 for highly sensitive and low-limit ozone detection at ppb levels, ACS Sensors, 2026, doi: 10.1021/acssensors.6c01985. (IF: 10.9)

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801）和深圳市自然科学基金（项目号：JCYJ20240813143502004）的资助，特此致谢。
原文出处：https://doi.org/10.1021/acssensors.6c01985

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