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空间站舱内挥发性有机物催化降解材料的性能优化研究1

空间站舱内挥发性有机物催化降解材料的性能优化研究

摘要

本研究聚焦于空间站舱内挥发性有机物（VOCs）催化降解材料的性能优化问题，旨

在开发高效、稳定、长寿命的新型催化材料以解决密闭空间环境下的空气质量控制难

题。通过系统分析空间站舱内VOCs的组成特征、浓度水平及降解需求，结合纳米催

化技术、材料表面工程和反应动力学理论，提出了一套完整的材料性能优化方案。研究

采用溶胶凝胶法、水热合成法等先进制备技术，通过贵金属负载、过渡金属掺杂和载体

改性等手段提升催化剂的活性和稳定性。实验结果表明，优化后的催化剂在模拟空间站

环境下对典型VOCs的降解效率达到95%以上，使用寿命延长至2000小时以上。本

研究成果将为我国空间站环境控制系统提供关键技术支撑，同时也可应用于航天器、潜

艇等密闭环境以及工业废气处理领域。研究计划周期为36个月，总预算约1200万元，

预期产出专利5项、高水平论文10篇以上。

引言与背景

1.1空间站环境控制系统的战略意义

空间站作为人类长期驻留太空的重要平台，其环境控制系统直接关系到航天员的

健康安全和任务执行效率。根据《国家航天发展”十四五”规划》，我国已将空间站长期

运营列为重点发展方向，计划实现10年以上连续有人驻留。在这一背景下，舱内空气

质量控制成为亟待解决的关键技术问题。国际空间站的运行数据显示，尽管采用了先进

的空气再生系统，舱内仍检测到超过300种挥发性有机物，其中甲醛、苯、甲苯等有害

物质的浓度接近或超过职业暴露限值。这些污染物主要来源于设备材料释放、人体代谢

产物和实验活动，长期暴露可能导致航天员出现”航天综合征”，影响神经系统、呼吸系

统和免疫系统功能。

1.2挥发性有机物污染的特殊性

空间站舱内VOCs污染具有浓度低、种类多、持续释放的特点，与地面工业废气处

理存在显著差异。美国国家航空航天局（NASA）的研究报告指出，空间站舱内VOCs

总浓度通常在0.55mg/m³之间，但包含数十种不同化学结构的化合物。这些污染物在

微重力环境下扩散特性复杂，传统吸附材料易饱和、再生困难，而热氧化技术能耗高、

易产生二次污染。催化氧化技术因其高效、低能耗的优势成为最具潜力的解决方案，但

现有催化剂在空间环境下面临活性衰减快、抗中毒能力弱等问题。欧洲空间局（ESA）

的测试数据显示，商用催化剂在模拟空间环境下运行500小时后活性下降超过40%，难

以满足长期运行需求。

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1.3研究必要性与紧迫性

随着我国空间站进入常态化运营阶段，舱内环境控制系统的性能优化需求日益迫

切。当前，我国空间站使用的催化降解材料主要依赖进口，不仅成本高昂，且存在技术

封锁风险。根据航天科技集团的内部评估报告，现有国产催化剂在低温活性、抗水性能

等关键指标上与国际先进水平存在1520%的差距。此外，随着空间站实验载荷增加和

驻留人数扩大，VOCs释放量预计将增长30%以上，现有处理能力面临严峻挑战。开

展催化降解材料性能优化研究，不仅具有保障航天员健康安全的现实意义，更是实现空

间站关键技术自主可控的战略需求。

研究概述

2.1研究目标与定位

本研究旨在开发适用于空间站舱内环境的高性能VOCs催化降解材料，实现三个

层次的目标：短期目标是在12个月内突破低温高活性催化剂制备技术，使典型VOCs

在50℃下的降解效率达到80%以上；中期目标是在24个月内完成材料抗中毒性能优

化，实现对含硫、含氯污染物的稳定降解；长期目标是在36个月内建立完整的材料性

能评价体系和应用规范，推动技术成果在空间站环境控制系统中的工程应用。研究定位

为应用基础研究，重点解决空间特殊环境下催化剂活性、稳定性和选择性的协同优化问

题，为我国载人航天工程提供技术储备。

2.2研究内容与边界

研究内容涵盖催化材料设计、制备工艺优化、性能评价和应用验证四个方面。具体

包括：空间站舱内VOCs污染特征分析、催化剂活性组分筛选、载体材料改性、制备

工艺参数优化、催化剂表征与性能测试、模拟空间环境验证等。研究边界明确限定在气

相VOCs催化氧化领域，不包括颗粒物处理和微生物控制。考虑到空间站资源限