复旦环境学科三十周年｜唐幸福：从原子尺度催化到工业烟气治理，解析大气污染物催化消除机制
发布时间：2026-10-16
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三十而立，薪火赓续。自建系以来，复旦大学环境科学与工程系始终锚定国家生态文明建设重大战略需求，一代代复旦环境人笃志求索、孜孜不怠，以实际行动服务美丽中国建设。
氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）是大气污染物的重要组分，也是PM2.5和臭氧生成的关键前体物。NOx和VOCs的催化消除不仅显著影响区域空气质量，还关乎“双碳”目标下工业烟气的节能减排，对大气二次污染物的源头控制具有重要意义。
催化消除的关键是催化剂表面的活性位，其原子与电子结构决定了反应能否高效进行。然而，非电行业烟气温度低（<250℃），传统SCR催化剂需300~400℃才能有效工作，利用加热装置提高烟气温度虽可满足脱硝需要，却造成巨大的能源消耗与额外碳排放。
围绕活性位是什么、催化剂为何中毒失活、如何设计低温高效催化剂等问题，唐幸福团队建立了涵盖原子之间的电子协同效应、反应机理揭示、催化剂理性设计与工业应用验证的研究体系，推动环境催化研究由经验试错走向原子尺度的理性设计。
突破一：
【破解中毒难题】揭示高效脱硝催化剂活性位的共同特征
构建了碱金属离子交换-配位型中毒机理，发明了强抗碱金属中毒的高效脱硝催化剂，突破了传统脱硝催化剂应用于高碱或碱土金属燃煤或生物质燃料烟气脱硝技术的一个重要瓶颈；相关成果被美国化工新闻杂志Chemical & Engineering News专题报道，同时被美国环保汽车会网Green Car Congress报道。
图1. Chemical & Engineering News的专题报道
突破二：
【突破传统烧结】创建“反Ostwald”合成单原子银催化剂的方法
团队创建了“反Ostwald合成单原子催化剂”的机理，建立了原子分散金属银催化剂的合成方法，突破了传统的金属纳米粒子在热作用下烧结的生长机理，使金属的利用率获得了最高的原子经济性；相关成果被Nature China栏目以Research Highlights的形式报道。
图2. Nature China的Research Highlights报道
确定了一种高活性的二氧化锰催化剂在SCR反应中的催化活性位（Catalytically Active Sites），对SCR反应的机理研究和高效SCR催化剂的设计开发具有重要的意义；相关成果相继被国际著名的ChemistryViews网站以Highlights的形式报道，同时被Angew. Chem. Int. Ed杂志以Spotlights的形式报道（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7740-7743）。
图3. ChemistryViews网站的Highlights报道
近年来，我国VOCs排放量的持续增加使大气中PM2.5和O3浓度居高不下，时常造成灰霾天气，对人体健康和生态环境造成了巨大的危害。为了减少灰霾天气，改善区域空气质量，必须从源头上控制大气二次污染物的前体物VOCs的排放。在众多的VOCs排放控制技术中，高效、环保、无副作用的催化控制技术得到了大家的广泛关注，而催化剂作为VOCs催化控制技术的核心，更是成为了研究的重中之重。团队围绕工业烟气VOCs催化控制的关键科学问题，从原子尺度认识催化活性位与反应机理，发展高效催化剂的设计思路，为VOCs催化控制技术的提升和绿色低碳发展提供科技支撑。
推动产学研发展，开发了低温SCR脱硝催化剂，达成产品每年迭代性能升级，2018年至今实现销售额超9000万元。研制出130~180℃低温抗硫抗碱高效去除氮氧化物的脱硝催化剂，产品已广泛用于钢铁、焦化、水泥、造纸、电力、工业硅、建材、燃煤锅炉、垃圾焚烧、船舶等行业，应用于宝山钢铁、海螺水泥、中国建材、南方水泥、德方纳米、日本高化学、光大环境、理文造纸等大型企业，为企业节省环保运行成本，协同减污降碳。
传统的催化理论将反应聚焦于单一活性位上的定域过程，电子离域机理表明在一定的条件下，催化反应优先按照电子离域机理进行，即电子在活性位之间的迁移可以有效地降低反应活化能，加快反应速率。电子离域机理概念的提出可能有利于合理地解释一些常见重要的催化现象，如金属纳米效应可以解释为：金属颗粒变小过程中，活性开始上升是由于活性位数目的增加，当金属颗粒发生金属性到非金属性转变时，反应机理由电子离域机理转为定域机理，从而导致活性下降；又如，金属催化剂为什么优于其氧化物催化剂的活性可以从金属导电性能优于其氧化物方面得到合理的解释。同时，电子离域机理概念的提出也丰富了催化反应机理的基础理论。
在未来的研究中，团队将进一步深入研究电子离域效应在不同载体、不同金属组合中的普适性，拓展该理论在VOCs催化氧化、CO催化消除等反应中的应用，并推动低温脱硝催化剂在更广泛非电行业的规模化应用，为研发高效脱硝催化剂提供重要的设计策略和技术支撑。
唐幸福教授课题组长期从事环境催化与大气污染控制研究。先后主持多项国家重点研发计划和国家自然科学基金项目，率领团队在催化作用机理、氮氧化物选择性催化还原、大气界面化学及清洁能源催化等方向取得系列创新成果。提出了反应势新概念，证明了电子离域理论，创建了带轨道理论，部分成果发表在 Nat. Commun., Angew. Chem.和Environ. Sci. Technol.等国际期刊。获教育部高等学校科学研究优秀成果奖二等奖、上海市自然科学奖二等奖。研发具有独立知识产权的低温抗硫脱硝催化剂已经广泛应用于宝武集团、海螺水泥、中国建材、光大环境、南方水泥、德方纳米、日本高化学、理文造纸等大型企业的烟气脱硝，在高硫烟气和150 ℃低温下稳定运行3年不需要热解析再生，大幅度地降低了环保运行成本，协同减污降碳100多万吨。
