纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，也是我国有望实现跨越式发展的领域之一。纳米/微结构材料具有独特的物理和化学特性，能够为防治环境污染和开发清洁、可持续能源提供机遇。近年来，随着纳米科学和合成技术的发展，各国在具有多级孔结构微纳催化剂与反应器的创制和应用等方面也取得了飞速发展。本章将从空气净化、水处理和自清洁等领域分别介绍具有多级孔结构微纳催化剂与反应器在环境催化应用中的新进展。

排入大气中的挥发性有机物 ( volatile organic compounds，VOCs)是重要的细颗粒物形成的前体物，在太阳光(主要是紫外光)的照射下，发生光化学反应，形成光化学烟雾。普遍认为高碳的 VOCs 对气溶胶的生成作用较大，其中芳香烃类化合物是生成二次气溶胶的主要物种。此外，一些含卤素的 VOCs 在进入大气平流层后，在紫外线的作用下发生一系列化学反应，消耗大气层中的臭氧，从而引起臭氧空洞。需要指出的是，作为天然气的主要成分，甲烷是温室效应高于CO₂数十倍的温室气体。VOCs 对环境有重大的危害，威胁人们的日常生活和身体健康，此外，大多数 VOCs 有毒、有刺激性气味，从而直接危害人体健康。因此，严格控制VOCs 的排放将产生显著的环境和经济效益。其中，关键的科学问题是高效 VOCs 催化净化技术的研究和新型催化材料的开发。光催化技术是近年来迅速发展起来的一种多相高级氧化技术，是一种净化低浓度 VOCs 废气的有效手段，受到国内外的广泛关注。光催化技术的核心是高效光催化材料的研发。VOCs 品种繁多，且大部分分子结构较大。为了 VOCs 分子在催化剂体系中的良好传质、吸附和活化，要求催化材料具有较高的比表面积和发达的孔隙结构。相对于微孔材料，介孔和大孔材料具有更大的孔径和更强的表面疏水性。多级孔材料兼具不同类型孔体系的特征，较单一孔材料具有更加发达的孔道结构和高的比表面积，便于大分子VOCs 的高效传质和吸附，因而对 VOCs 表现出优异的光催化净化性能。

作为一类常见多级孔材料，活性炭 (activated carbon，AC)被认为是担载TiO₂活性组分的有效载体。它对多种 VOCs 分子具有很强的键合力，能大大促进催化剂对 VOCs 分子的吸附，降低了水蒸气和污染物之间的竞争吸附，从而提高活性组分TiO₂周围 VOCs 污染物的浓度，有利于光催化反应的顺利进行。研究发现 AC 和P25 的复合能够降低短接触和高水汽对 VOCs(苯、甲苯、二甲苯和甲醛)光催化净化的抑制作用。比如，当相对湿度由 10% 增大到 60% 后，P25催化苯转化率由 57.5% 降至 5.6%，而AC 担载 P25 复合材料上由 74.3%降至60.5%。类似地，当接触时间由 3.7 min 降至0.6 min 后，P25 催化二甲苯转化率降低了 42%，而 P25/AC 降低约35%。尽管AC 和P25 的复合能够促进 VOCs的催化降解，但由于 AC 较强的吸附能力，会抑制VOCs分子在催化剂表面的扩散，从而导致 VOCs矿化率的下降。例如对乙炔的矿化率从 100% 下降至 59.6%。研究者认为较高的比表面积和孔隙结构(特别是微孔结构能抑制 VOCs分子的逸出(延长接触时间)，从而增强反应物的吸附和反应可能性;并且相互贯通的孔隙结构可以促进反应物向活性部位的扩散并增强捕光能力。这些是 UV100 优于 P25 在甲基-乙基-酮光催化净化的主要原因。除了活性炭以外，其它多孔载体同样也表现出类似的强吸附性能。例如将蒙脱土与 TiO₂进行复合可得到多孔蒙脱土 -TiO₂纳米复合材料，其具有两倍于 P25 的比表面积，吸附甲醛的能力提高 4.1 倍。    

通过与其它材料复合，能够调节TiO₂的物化性质，从而改善催化剂的催化性能。采用一步水热合成可制备一系列多壁碳纳米管 (multi-wall carbon nanotube，MWCNT) 与二氧化的复合多孔材料。研究发现 MWCNT 的引入改善了 TiO₂物化性质(结构、尺寸和晶面)，对气相和液相二甲苯光催化降解性能均表现出明显的促进作用。研究者采用水热法以及原位还原法可制备出一系列具有多级孔结构 TiO₂-graphene 复合材料，发现石墨 (graphene)的引入能提高复合材料对空气中丙酮的光催化降解效率。在紫外光照下，当 TiO₂-graphene 复合材料中石墨烯质量分数为 0.05%时，对丙酮具有最高的降解效率，并且 1.7 倍和1.6 倍于相应的 TiO₂和商用P25材料。石墨烯可以高效地接收和转移电子，降低催化剂上电荷的复合能力，是提高该催化剂光催化活性的关键因素。多孔0.1%Mn/TiO₂/ZSM5和Mn/meso-TiO₂纳米材料在真空紫外(VUV)照射下通过O₃辅助，能有效地同时催化氧化去除苯和O₃副产物。研究发现 Mn/meso-TiO₂上苯降解的效率为82%，明显高于 meso-TiO₂上的70% 和商用P25的48%。

该催化剂优异的性能与O₃在氧化锰氧空位上解离生成的高活性氧物种有关。由于传统 TiO₂仅受紫外光区响应的限制，制约了其在实际中的广泛应用，因此拓宽其光响应至可见光区具有重要意义，而与可见光响应材料复合是有效方法之一。比如，采用耦合法可制备得到多孔异质结 LaVO₄/TiO₂纳米催化剂，在可见光或紫外光照射下，与不同TiO₂材料相比，该类催化剂对苯的光催化降解表现出优异的活性和稳定性。研究认为合适的带隙能以及异质结结构是其优异性能的主要原因。

除了TiO₂基的多级孔光催化剂，其它一些多孔催化剂同样对 VOCs 表现出优异的光催化净化效率。例如，与商用TiO₂光催化剂相比，纳米多孔In(OH)₃在紫外光照射下对气相丙酮、苯和甲苯光催化降解表现出较高的催化活性和稳定性。对甲苯氧化来说，In(OH)₃的净化率达 25%，5倍于商用TiO₂，催化剂上 CO₂的产率达 250 μL/L，远高于TiO₂上的 20 μL/L ; 同时该催化剂在 60 h 连续反应后活性无明显下降。独特的电子结构和良好的表面性质使得In(OH)₃具有强氧化能力，丰富的表面羟基、高表面积以及贯通的多孔结构，这些特性使得纳米多孔In(OH)₃催化剂具有优异的光催化净化 VOCs 性能。研究表明，在紫外灯照射下，具有大比表面积的多孔Ga2O3;较TiO2表现出更为优异的催化苯氧化的活性和稳定性:多孔Ga2O3对苯的催化净化率和矿化率高达 42% 和 95%，并且在 80 h连续反应后活性无明显降低;而TiO₂对苯的净化率由初始的 13% 经过 80 h 后速失活至无转化率。多孔 Ga2O3较大的比表面积和发达孔结构有利于其对光的吸收，多孔结构以及较高的能带(4.8 ev) 都是其具有高活性的重要因素。

由于 VOCs 组分复杂，具有排放多样性，单一的光催化净化技术难以满足实际应用的需求，近年来利用多种技术耦合成为解决此问题的有效手段，其中光热协同技术表现出优异的净化 VOCs 性能。研究者发现钾锰矿型八面体分子筛 (OMS-2)纳米棒催化剂具有可调的氧空位浓度，从而在全光谱下表现出较强的吸收能力。OMS-2 催化剂能够将太阳能有效地转换为热能，使材料表面温度最高能升至 220°C。在全光谱照射下，OMS-2 催化剂对苯、甲苯和丙酮等有机污染物表现出极高的催化活性和较好的稳定性。在太阳光辐照下的 OMS-2 催化剂氧化苯的初始CO₂生成速率较文献中报道的近红外光下 Bi2WO6/TiO2催化剂提高了 22 倍。同时，该催化剂在循环40 次后活性未出现明显下降。研究表明较高的氧空位浓度是OMS-2 纳米棒催化剂具有优异光热协同催化净化性能的关键。此外，Fe 的掺杂也能进一步促进 OMS-2 纳米棒催化剂对 VOCS 净化效率的提高。

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