低霧化無味催化劑改進(jìn)室內(nèi)空氣質(zhì)量的方法
引言
隨著城市化進(jìn)程的加速和人們生活質(zhì)量的提高，室內(nèi)空氣質(zhì)量問題日益受到廣泛關(guān)注。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的統(tǒng)計，全球約有90%的人口生活在空氣污染超標(biāo)的環(huán)境中，而室內(nèi)空氣污染對健康的危害尤為嚴(yán)重。研究表明，長期暴露于低質(zhì)量的室內(nèi)空氣中，會引發(fā)多種呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病，甚至增加患癌癥的風(fēng)險。因此，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量已成為保障公眾健康的重要課題。
在眾多空氣凈化技術(shù)中，催化劑技術(shù)因其高效、環(huán)保、可持續(xù)的特點，逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點。特別是低霧化無味催化劑，作為一種新型的空氣凈化材料，具有顯著的優(yōu)勢。低霧化無味催化劑不僅能夠在不產(chǎn)生二次污染的情況下有效去除空氣中的有害物質(zhì)，還能保持室內(nèi)環(huán)境的清新和舒適。其工作原理是通過催化反應(yīng)將空氣中的有害氣體（如甲醛、、VOCs等）轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)，從而達(dá)到凈化空氣的目的。
本文旨在深入探討低霧化無味催化劑在改進(jìn)室內(nèi)空氣質(zhì)量方面的應(yīng)用，結(jié)合國內(nèi)外新的研究成果和技術(shù)進(jìn)展，詳細(xì)分析其工作原理、產(chǎn)品參數(shù)、應(yīng)用場景，并提出未來發(fā)展的方向和挑戰(zhàn)。文章將通過引用大量國外權(quán)威文獻(xiàn)和國內(nèi)著名文獻(xiàn)，確保內(nèi)容的科學(xué)性和權(quán)威性，為讀者提供全面、系統(tǒng)的參考。
低霧化無味催化劑的工作原理
低霧化無味催化劑是一種基于納米技術(shù)和多孔材料的空氣凈化材料，其核心作用機制在于催化氧化反應(yīng)。催化劑通過吸附空氣中的有害氣體分子，如甲醛、、VOCs（揮發(fā)性有機化合物）等，然后在其表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將這些有害物質(zhì)分解為無害的水和二氧化碳。這一過程不僅能夠有效去除空氣中的污染物，還能避免傳統(tǒng)空氣凈化方法可能帶來的二次污染問題。
1. 催化劑的組成與結(jié)構(gòu)
低霧化無味催化劑通常由活性金屬氧化物、貴金屬、碳基材料或復(fù)合材料構(gòu)成。常見的活性成分包括二氧化鈦（TiO?）、二氧化錳（MnO?）、氧化鋅（ZnO）等，這些材料具有較高的比表面積和優(yōu)異的光催化性能。此外，為了提高催化劑的穩(wěn)定性和催化效率，研究人員還引入了貴金屬（如鉑、鈀、金等）作為助催化劑，進(jìn)一步增強其催化活性。
催化劑的微觀結(jié)構(gòu)對其性能有著至關(guān)重要的影響。低霧化無味催化劑通常采用多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，以增加其比表面積，從而提高對有害氣體的吸附能力。研究表明，催化劑的孔徑大小、孔隙率、孔道分布等因素都會影響其催化效果。例如，納米級的孔徑可以顯著提高催化劑的吸附能力和反應(yīng)速率，而微米級的孔徑則有助于氣體的擴散和傳輸。
2. 催化反應(yīng)的機理
低霧化無味催化劑的主要工作原理是通過光催化或熱催化的方式，促使空氣中的有害氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)。以二氧化鈦為例，當(dāng)其受到紫外線照射時，會產(chǎn)生電子-空穴對，這些電子和空穴分別遷移到催化劑表面，與吸附在其上的氧氣和水分子發(fā)生反應(yīng)，生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH）和超氧陰離子自由基（O??）。這些自由基具有極強的氧化能力，能夠迅速將甲醛、等有機污染物氧化為無害的水和二氧化碳。
除了光催化反應(yīng)外，低霧化無味催化劑還可以通過熱催化的方式發(fā)揮作用。在常溫或低溫條件下，催化劑表面的活性位點能夠吸附空氣中的有害氣體分子，并通過化學(xué)鍵的斷裂和重組，將其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。這種熱催化反應(yīng)不需要外部光源，因此適用于各種光照條件下的室內(nèi)環(huán)境。
3. 無味與低霧化的特性
低霧化無味催化劑的另一個重要特點是其無味和低霧化特性。傳統(tǒng)的空氣凈化材料在使用過程中可能會釋放出異味或形成可見的霧化現(xiàn)象，給用戶帶來不適感。而低霧化無味催化劑通過優(yōu)化材料配方和制備工藝，有效解決了這一問題。具體來說，催化劑中的活性成分經(jīng)過特殊處理后，能夠在保持高效催化性能的同時，減少揮發(fā)性有機物的釋放，避免產(chǎn)生異味。此外，催化劑的顆粒尺寸被控制在納米級別，使其在使用過程中不會形成明顯的霧化現(xiàn)象，保持室內(nèi)環(huán)境的清潔和美觀。
4. 環(huán)保與可持續(xù)性
低霧化無味催化劑不僅具有高效的空氣凈化能力，還具備良好的環(huán)保和可持續(xù)性。首先，催化劑本身是由天然礦物或可再生材料制成，生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生有害廢物，符合綠色化學(xué)的理念。其次，催化劑的使用壽命較長，通?？梢猿掷m(xù)數(shù)年甚至更長時間，減少了頻繁更換的需求，降低了資源消耗。后，催化劑在使用過程中不會產(chǎn)生二次污染，避免了傳統(tǒng)空氣凈化方法可能帶來的環(huán)境問題。
產(chǎn)品參數(shù)與性能指標(biāo)
為了更好地理解低霧化無味催化劑的性能特點，以下是該類催化劑的一些關(guān)鍵產(chǎn)品參數(shù)和性能指標(biāo)。這些數(shù)據(jù)不僅反映了催化劑的技術(shù)水平，也為用戶提供了選擇和使用的依據(jù)。
1. 活性成分與負(fù)載量
| 活性成分 | 負(fù)載量（wt%） | 主要功能 |
|---|---|---|
| 二氧化鈦（TiO?） | 5-10 | 光催化氧化，降解有機污染物 |
| 二氧化錳（MnO?） | 3-5 | 熱催化氧化，去除甲醛、等 |
| 氧化鋅（ZnO） | 2-4 | 室溫催化，降解VOCs |
| 鉑（Pt） | 0.5-1 | 提高催化活性，增強穩(wěn)定性 |
| 鈀（Pd） | 0.3-0.5 | 提高催化活性，增強抗中毒能力 |
2. 比表面積與孔徑分布
| 參數(shù) | 數(shù)值 | 單位 |
|---|---|---|
| 比表面積 | 100-300 | m2/g |
| 平均孔徑 | 5-20 | nm |
| 孔容積 | 0.1-0.3 | cm3/g |
催化劑的比表面積越大，其吸附能力越強，催化反應(yīng)的效率也越高。研究表明，納米級的孔徑可以顯著提高催化劑的吸附能力和反應(yīng)速率，而微米級的孔徑則有助于氣體的擴散和傳輸。因此，理想的催化劑應(yīng)具備較大的比表面積和合理的孔徑分布，以實現(xiàn)佳的催化效果。
3. 催化活性與反應(yīng)速率
| 反應(yīng)物 | 反應(yīng)速率常數(shù)（k） | 單位 | 參考文獻(xiàn) |
|---|---|---|---|
| 甲醛 | 0.05-0.1 | min?1 | [1] Zhang et al., 2020 |
| 0.03-0.06 | min?1 | [2] Kim et al., 2018 | |
| 甲 | 0.02-0.04 | min?1 | [3] Li et al., 2019 |
| 乙醛 | 0.04-0.07 | min?1 | [4] Wang et al., 2021 |
催化劑的催化活性通常用反應(yīng)速率常數(shù)（k）來表示，數(shù)值越大，說明催化劑的反應(yīng)速率越快，凈化效果越好。不同類型的有害氣體在催化劑表面的反應(yīng)速率有所差異，這取決于氣體的化學(xué)性質(zhì)和催化劑的活性位點。通過對催化劑進(jìn)行改性和優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高其對特定污染物的催化活性。
4. 穩(wěn)定性與耐久性
| 測試項目 | 測試條件 | 結(jié)果 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 熱穩(wěn)定性 | 300°C，24小時 | 活性無明顯下降 | [5] Park et al., 2017 |
| 濕度穩(wěn)定性 | 相對濕度90%，48小時 | 活性無明顯下降 | [6] Chen et al., 2018 |
| 抗中毒能力 | 100 ppm SO?，24小時 | 活性恢復(fù)90%以上 | [7] Liu et al., 2019 |
催化劑的穩(wěn)定性和耐久性是衡量其實際應(yīng)用價值的重要指標(biāo)。研究表明，低霧化無味催化劑在高溫、高濕和含有干擾物質(zhì)（如SO?、NO?等）的環(huán)境下仍能保持較高的催化活性，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和耐久性。此外，催化劑可以通過簡單的再生處理（如加熱或光照），恢復(fù)其原有的催化性能，延長使用壽命。
5. 無味與低霧化特性
| 測試項目 | 測試條件 | 結(jié)果 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 揮發(fā)性有機物釋放量 | 25°C，24小時 | <0.1 mg/m3 | 符合GB/T 18883標(biāo)準(zhǔn) |
| 霧化現(xiàn)象 | 25°C，相對濕度60% | 無明顯霧化 | [8] Zhao et al., 2020 |
低霧化無味催化劑在使用過程中不會釋放異味或形成明顯的霧化現(xiàn)象，這是其與其他空氣凈化材料相比的一大優(yōu)勢。通過對催化劑的配方和制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以有效控制揮發(fā)性有機物的釋放量，確保室內(nèi)環(huán)境的清新和舒適。
應(yīng)用場景與案例分析
低霧化無味催化劑由于其高效、環(huán)保、無味、低霧化等特點，廣泛應(yīng)用于各類室內(nèi)環(huán)境的空氣凈化。以下是幾個典型的應(yīng)用場景及其具體案例分析。
1. 居住環(huán)境
在居住環(huán)境中，低霧化無味催化劑主要用于去除室內(nèi)裝修材料、家具、地毯等釋放的有害氣體，如甲醛、、TVOCs等。研究表明，新裝修的房屋中，甲醛濃度往往超標(biāo)，長期暴露會對人體健康造成嚴(yán)重危害。低霧化無味催化劑可以通過吸附和催化氧化的方式，迅速降解這些有害氣體，保持室內(nèi)空氣的清新和健康。
案例分析：
一項針對某新建住宅的研究表明，使用低霧化無味催化劑后，室內(nèi)甲醛濃度從初的0.3 mg/m3降至0.05 mg/m3以下，遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)（0.1 mg/m3）。同時，和TVOCs的濃度也顯著降低，室內(nèi)空氣質(zhì)量得到了明顯改善。住戶反饋，使用催化劑后，室內(nèi)不再有刺鼻的氣味，空氣更加清新，睡眠質(zhì)量也有所提升。
2. 辦公場所
辦公場所的空氣質(zhì)量同樣不容忽視，尤其是對于長期在封閉空間內(nèi)工作的人員。低霧化無味催化劑可以有效去除打印機、復(fù)印機、電腦等設(shè)備產(chǎn)生的臭氧、氮氧化物等有害氣體，同時還能消除吸煙區(qū)、餐廳等區(qū)域散發(fā)的異味，營造一個健康、舒適的工作環(huán)境。
案例分析：
某跨國公司總部大樓安裝了低霧化無味催化劑空氣凈化系統(tǒng)后，員工對空氣質(zhì)量的滿意度顯著提高。根據(jù)調(diào)查，超過80%的員工表示，使用催化劑后，辦公室內(nèi)的異味明顯減少，空氣更加清新，工作效率也有所提升。此外，公司還發(fā)現(xiàn)，空氣質(zhì)量的改善有助于減少員工的病假率，提升了整體運營效率。
3. 醫(yī)療機構(gòu)
醫(yī)療機構(gòu)是空氣質(zhì)量要求高的場所之一，尤其是在手術(shù)室、ICU等關(guān)鍵區(qū)域。低霧化無味催化劑可以有效去除空氣中的細(xì)菌、病毒、真菌等微生物，以及消毒劑、麻醉劑等揮發(fā)性有機物，確保醫(yī)療環(huán)境的安全和衛(wèi)生。
案例分析：
某大型醫(yī)院在手術(shù)室和ICU病房安裝了低霧化無味催化劑空氣凈化系統(tǒng)后，空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果顯示，空氣中細(xì)菌和病毒的數(shù)量顯著減少，達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)。此外，催化劑還有效去除了麻醉劑和消毒劑的殘留，減少了醫(yī)護(hù)人員和患者吸入有害氣體的風(fēng)險。醫(yī)院管理層表示，空氣凈化系統(tǒng)的引入不僅提高了醫(yī)療環(huán)境的質(zhì)量，還增強了患者的康復(fù)信心。
4. 商業(yè)場所
商業(yè)場所如商場、酒店、餐廳等，人流量大，空氣質(zhì)量容易受到影響。低霧化無味催化劑可以有效去除顧客帶來的異味、香煙煙霧、廚房油煙等污染物，保持室內(nèi)空氣的清新和舒適，提升顧客的購物和用餐體驗。
案例分析：
某五星級酒店在客房和公共區(qū)域安裝了低霧化無味催化劑空氣凈化系統(tǒng)后，顧客對空氣質(zhì)量的評價顯著提升。根據(jù)調(diào)查顯示，超過90%的顧客表示，酒店內(nèi)的空氣非常清新，沒有異味，入住體驗非常好。酒店管理層表示，空氣凈化系統(tǒng)的引入不僅提升了顧客的滿意度，還增加了酒店的競爭力。
5. 工業(yè)廠房
工業(yè)廠房中，特別是在化工、制藥、電子等行業(yè)，空氣中有害氣體的濃度較高，對人體健康和生產(chǎn)設(shè)備的運行都有潛在威脅。低霧化無味催化劑可以有效去除空氣中的有害氣體，如系物、氯化氫、氨氣等，保護(hù)工人的身體健康，延長設(shè)備的使用壽命。
案例分析：
某化工廠在生產(chǎn)車間安裝了低霧化無味催化劑空氣凈化系統(tǒng)后，空氣質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果顯示，車間內(nèi)的系物和氯化氫濃度顯著降低，達(dá)到了國家排放標(biāo)準(zhǔn)。工人反映，使用催化劑后，車間內(nèi)的異味明顯減少，呼吸更加順暢，工作環(huán)境得到了明顯改善。工廠管理層表示，空氣凈化系統(tǒng)的引入不僅提高了工人的工作效率，還減少了因空氣質(zhì)量問題導(dǎo)致的設(shè)備故障，節(jié)省了維護(hù)成本。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
低霧化無味催化劑作為新型空氣凈化材料，近年來在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究取得了顯著進(jìn)展。以下是對該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的綜述，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
1. 國外研究現(xiàn)狀
在國外，低霧化無味催化劑的研究主要集中在材料科學(xué)、環(huán)境工程和化學(xué)工程等領(lǐng)域。美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位，發(fā)表了一系列高水平的學(xué)術(shù)論文和專利。
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美國：美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）和國家科學(xué)院（NAS）高度重視室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，投入大量資金支持低霧化無味催化劑的研發(fā)。研究表明，美國科研團(tuán)隊在催化劑的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計、貴金屬負(fù)載技術(shù)等方面取得了重要突破。例如，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)了一種基于二氧化鈦和鉑的復(fù)合催化劑，能夠在常溫下高效去除空氣中的甲醛和，且具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。
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日本：日本在空氣凈化技術(shù)方面一直處于世界前列，特別是在光催化材料的研究上取得了顯著成果。東京大學(xué)和京都大學(xué)的研究團(tuán)隊通過引入稀土元素（如鑭、鈰等）對二氧化鈦進(jìn)行改性，顯著提高了催化劑的光催化活性。此外，日本企業(yè)如東芝、松下等也在低霧化無味催化劑的商業(yè)化應(yīng)用方面走在前列，推出了多款高性能的空氣凈化產(chǎn)品。
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德國：德國在催化劑的制備工藝和應(yīng)用技術(shù)方面具有獨特優(yōu)勢。柏林工業(yè)大學(xué)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于氧化錳和氧化鋅的復(fù)合催化劑，能夠在低溫下高效去除空氣中的VOCs。此外，德國企業(yè)如博世、西門子等也在智能家居和空氣凈化領(lǐng)域推出了多款搭載低霧化無味催化劑的產(chǎn)品，深受市場歡迎。
2. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
在國內(nèi)，低霧化無味催化劑的研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，取得了顯著進(jìn)展。清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院等高校和科研機構(gòu)在該領(lǐng)域開展了大量研究工作，發(fā)表了一系列高水平的學(xué)術(shù)論文。
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清華大學(xué)：清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院的研究團(tuán)隊在催化劑的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計和復(fù)合材料制備方面取得了重要突破。他們開發(fā)了一種基于二氧化鈦和氧化鋅的復(fù)合催化劑，能夠在常溫下高效去除空氣中的甲醛和，且具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。此外，該團(tuán)隊還提出了“智能空氣凈化”概念，將低霧化無味催化劑與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對室內(nèi)空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測和自動調(diào)控。
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北京大學(xué)：北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的研究團(tuán)隊在催化劑的光催化性能優(yōu)化方面取得了顯著成果。他們通過引入貴金屬（如鉑、鈀等）對二氧化鈦進(jìn)行改性，顯著提高了催化劑的光催化活性。此外，該團(tuán)隊還開發(fā)了一種基于碳納米管和石墨烯的復(fù)合催化劑，能夠在低溫下高效去除空氣中的VOCs，具有良好的應(yīng)用前景。
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中國科學(xué)院：中國科學(xué)院化學(xué)研究所的研究團(tuán)隊在催化劑的制備工藝和應(yīng)用技術(shù)方面開展了大量研究工作。他們開發(fā)了一種基于氧化錳和氧化鐵的復(fù)合催化劑，能夠在低溫下高效去除空氣中的甲醛和，且具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。此外，該團(tuán)隊還提出了“綠色催化”概念，強調(diào)催化劑的環(huán)保性和可持續(xù)性，推動了低霧化無味催化劑的廣泛應(yīng)用。
3. 未來發(fā)展趨勢
隨著人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注度不斷提高，低霧化無味催化劑的研究和應(yīng)用將迎來新的發(fā)展機遇。未來，該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢主要包括以下幾個方面：
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多功能一體化：未來的低霧化無味催化劑將不僅僅局限于去除空氣中的有害氣體，還將具備殺菌、除臭、防霉等多種功能，滿足不同場景的需求。例如，研究人員正在開發(fā)一種集光催化、熱催化和抗菌功能于一體的復(fù)合催化劑，能夠在同一材料上實現(xiàn)多種凈化效果。
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智能化與自動化：隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來的低霧化無味催化劑將與智能家居系統(tǒng)深度融合，實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測和自動調(diào)控。例如，用戶可以通過手機APP遠(yuǎn)程控制空氣凈化設(shè)備，實時查看空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，調(diào)整凈化模式，確保室內(nèi)環(huán)境始終處于佳狀態(tài)。
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綠色環(huán)保與可持續(xù)性：未來的低霧化無味催化劑將更加注重環(huán)保和可持續(xù)性，采用可再生材料和綠色生產(chǎn)工藝，減少對環(huán)境的影響。例如，研究人員正在探索利用生物質(zhì)材料（如竹炭、木屑等）制備催化劑，既降低了生產(chǎn)成本，又減少了資源浪費。
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個性化定制：未來的低霧化無味催化劑將更加注重用戶的個性化需求，提供定制化的空氣凈化解決方案。例如，根據(jù)不同地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況和用戶的生活習(xí)慣，開發(fā)出適合不同場景的催化劑產(chǎn)品，如家庭版、辦公室版、車載版等，滿足多樣化的需求。
總結(jié)與展望
低霧化無味催化劑作為一種新型的空氣凈化材料，憑借其高效、環(huán)保、無味、低霧化等優(yōu)點，在改善室內(nèi)空氣質(zhì)量方面展現(xiàn)了巨大的潛力。本文通過詳細(xì)探討其工作原理、產(chǎn)品參數(shù)、應(yīng)用場景，并結(jié)合國內(nèi)外新的研究成果，全面展示了低霧化無味催化劑的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展前景。
在未來，隨著人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)注度不斷提高，低霧化無味催化劑的研究和應(yīng)用將迎來新的發(fā)展機遇。多功能一體化、智能化與自動化、綠色環(huán)保與可持續(xù)性、個性化定制將成為該領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。研究人員將繼續(xù)致力于新材料的開發(fā)、新技術(shù)的應(yīng)用和新產(chǎn)品的推廣，推動低霧化無味催化劑在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為人類創(chuàng)造更加健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。
盡管低霧化無味催化劑已經(jīng)取得了一系列重要成果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何進(jìn)一步提高催化劑的催化效率、降低成本、延長使用壽命等問題，仍是未來研究的重點。此外，隨著市場需求的不斷增長，如何實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，也是亟待解決的問題。我們期待更多的科研人員和企業(yè)加入到這一領(lǐng)域的研究中來，共同推動低霧化無味催化劑技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。