地面臭氧对人类和生态系统有害，而室温催化分解是很有效的臭氧减排技术。然而，解决现有金属氧化物催化剂由含氧中间体引起的失活问题具有挑战性。在这里，我们通过简便的共沉淀法成功制备了二维NiFe层状双氢氧化物（NiFe-LDH）催化剂，该催化剂在恶劣的操作条件（高空速和高湿度）下表现出稳定且高效的臭氧分解性能。Ni/Fe = 3 且结晶时间超过 5 小时的 NiFe-LDH 催化剂（命名为 Ni 3Fe-5) 表现出很好的催化性能，远远超过了大多数现有的锰基氧化物催化剂。具体而言，在 65% 的相对湿度和 840 L/(g·hr) 的空速下，Ni 3 Fe-5在室温下 6 和 168 小时内对 40 ppmV O 3的臭氧转化率分别为 89% 和 76% ， 分别。我们证明了NiFe-LDH的层状结构对其在活性和耐水性方面的出色催化性能起决定性作用。LDH催化剂从根本上避免了由含氧物质（H 2 O、O -和O 2-占据氧空位引起的失活）) 在锰基氧化物中。该研究表明，LDHs 在去除气态臭氧方面比锰基氧化物催化剂具有广阔的应用潜力。

介绍

近年来，臭氧污染已成为世界范围内日益严重的环境问题（Gao et al., 2017; Ou et al., 2016; Phalitnonkiat et al., 2016）。长期接触臭氧对人类健康、生态系统和作物生产有害（Berman 等人，2012；Hoffmann 等人，2012；Kim 等人，2011；McDonnell 等人，1999；Zhou 等人。 , 2016)。因此，严格控制地面臭氧具有重要意义。

目前，直接催化分解是去除气态臭氧的很有效方法（Li et al., 2020a）。催化剂主要由贵金属（例如，Au、Ag、Pd、Pt）或过渡金属（例如，Mn、Fe、Co、Ni、Cu）组成（Dhandapani 和 Oyama，1997；Gong 等人，2020，Gong et al., 2018; Hao et al., 2001; Kumar et al., 2004; Tao et al., 2019; Tsai et al., 1998; Wang et al., 2018; Yu et al., 2009a, 2009b) . 高成本限制了贵金属催化剂在臭氧控制中的大规模应用（Chang 和 Lin，2005；Hao 等，2001；Imamura 等，1991；Naydenov 等，2008）。在后一种催化剂中，锰氧化物表现出优异的活性并已被广泛研究（Hong et al., 2019; Jia et al., 2016a, 2016b; Liu et al., 2019; Wang et al., 2018; Zhu et al., 2018; , 2018)。x、Ce-OMS-2、Ce-γ-MnO 2和W-α-MnO 2被开发，具有更大的比表面积和更多的活性位点（即氧空位）（Li et al., 2018b; Lian et al. , 2015; Ma et al., 2017; Yang et al., 2018)。然而，锰基氧化物催化剂很容易被臭氧不可逆地氧化，并且由于水分子在氧空位处的竞争吸附，在高湿度下失活（Li et al., 2018b, 2020b; Ma et al., 2020; Yang et al., 2020; ., 2020b)。因此，开发具有高反应性和稳定性的臭氧分解催化剂体系是非常需要的。

有研究报道，锰基氧化物催化剂表面的羟基可以与臭氧反应生成水（Liu and Zhang，2017），表明羟基可能是催化臭氧分解的潜在活性位点。层状双氢氧化物（LDHs）可能是催化臭氧分解的潜在材料，因为它们具有丰富的羟基。LDH 是一类具有水镁石结构的二维层状粘土（Shao 等人，2015 年）。LDHs的公式可以表示为[M 2+ 1- x M 3+ x (OH) 2 ](A n - ) x/n ∙ m H 2 O，其中M 2+ , M3+和A n -是二价金属阳离子（例如，Ni 2+、Mn 2+、Zn 2+、Co 2+、Cu 2+）、三价金属阳离子（例如，Fe 3+、Al 3+、Mn 3 + , Co 3+ ) 和阴离子 (例如, CO 3 2- , Cl - , SO 4 2-），水分子被限制在夹层中（Das et al., 2004; He et al., 2013; Wang and O'Hare, 2012）。由于其优异的电子转移能力（即氧化还原性能），许多LDHs，如CoMn-LDH、MnFe-LDH、NiAl-LDH、CoAl-LDH，已被开发为用于去除废水中污染物的优良催化剂体系（Cao等人，2017；龟田等人，2015；赵等人，2018）。LDH材料虽然具有优异的催化性能，但在高温下很容易转化为层状双金属氧化物。由于气态污染物的去除通常需要较高的温度，因此没有关于LDH材料去除气态污染物的报道。龚等人。（2020）报道，Ni/NiO体系中臭氧分解催化剂在较低空速下表现出良好的催化活性和耐水性。NiFe-LDH材料独特的层状结构可以促进离子在层间的自由嵌入和迁移。此外，NiFe-LDH 是一种理想的电活性材料，已在析氧反应 (OER) 中得到广泛研究（Li et al., 2018a; Ma et al., 2018; Shen et al., 2019）。对于NiFe-LDH催化剂，Fe的掺杂会引起Ni-Fe混合中心中Fe向Ni的电子转移，可以加速Ni的还原过程 这已在析氧反应 (OER) 中得到广泛研究（Li et al., 2018a; Ma et al., 2018; Shen et al., 2019）。对于NiFe-LDH催化剂，Fe的掺杂会引起Ni-Fe混合中心中Fe向Ni的电子转移，可以加速Ni的还原过程 这已在析氧反应 (OER) 中得到广泛研究（Li et al., 2018a; Ma et al., 2018; Shen et al., 2019）。对于NiFe-LDH催化剂，Fe的掺杂会引起Ni-Fe混合中心中Fe向Ni的电子转移，可以加速Ni的还原过程3+变为 Ni 2+，并使 Ni 2+在氧化环境中更稳定（Yue et al., 2020）。因此，NiFe-LDH材料具有在室温下催化分解臭氧的潜力。

在本研究中，我们通过简便的共沉淀法成功制备了一系列具有不同 Ni/Fe 摩尔比和结晶时间的二维 NiFe-LDH 催化剂。阐述了LDH的特殊层状结构对臭氧催化分解的影响。Ni/Fe = 3且结晶时间为5小时或更长的NiFe-LDH催化剂在活性和耐湿性方面表现出优于现有锰基氧化物催化剂的催化性能。具体而言，在 65% 的相对湿度和 840 L/(g·hr) 的空速下，对于 40 ppmV 的 O 3 ，Ni 3 Fe-5 的臭氧转化率为 76%在 168 小时。LDH催化剂从根本上避免了锰基氧化物中含氧物质（H 2 O、O -和O 2- ）占据氧空位而导致的失活，显示出比锰基氧化物催化剂更大的臭氧分解潜力在实际应用中。

催化剂制备

NiFe-LDH 材料通过简单的共沉淀法制备（Hassani 等人，2019；Huang 等人，2019）。步骤如下： 将六水硝酸镍（Ni(NO 3 ) 2 ·6H 2 O）和九水硝酸铁（Ⅲ）（Fe(NO 3 ) 3 · 9H 2 O) 在 50 mL 去离子水中以不同的摩尔比 (0:1, 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 1:0)。混合溶液 B (50 mL) 含有 NaOH (1.6 mol/L) 和 Na 2 CO 3 (CO 3 2-  = 2Fe 3+ )。

催化剂的结构和性能

如图1a所示，Ni/Fe=3的催化剂（即Ni 3 Fe-1）的催化性能很好。Ni 3 Fe-1 催化剂在 840 L/(g·hr) 和 RH = 65% 的空速下在 6 小时内表现出 74% 的臭氧转化率，而 Ni-氢氧化物催化剂在这些条件下迅速失活。这一结果表明，通过掺杂铁形成的LDH结构显着提高了催化剂的稳定性。由于 Ni 3 Fe-1的高效率和稳定性

结论

在这项工作中，我们开发了一种在室温下用于臭氧分解的二维 NiFe-LDH 催化剂，具有优异的活性和非凡的耐久性。Ni/Fe = 3，结晶时间为 5 小时的 NiFe-LDH 催化剂表现出很好的催化性能，远远超过大多数现有催化剂，尤其是在恶劣的环境条件下（高空速和高湿度）。Ni 3 Fe-5 催化剂在空速下 168 小时后可保持 76% 的臭氧转化率

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（NSFC）（Nos. 52022104、21876191）、中国科学院战略性先导专项培育项目（No. XDPB1902）、臭氧形成机制与控制策略项目的支持。中国科学院生态环境研究中心（编号：RCEES-CYZX-2020），中科院区域大气环境卓越中心青年人才计划（编号：CERAE202006）