第一作者：邓江，胡晓楠
通讯作者：张登松
通讯单位：上海大学
论文DOI：10.1021/acs.chemrev.5c00426
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近日，上海大学张登松教授、邓江副研究员和胡晓楠博士后在Chemical Reviews上发表了题为“Catalyst Deactivation in the Abatement of Atmospheric Pollutants: Origin, Resistance, and Regeneration”的综述论文（图1）。本综述全面总结了在催化消除各种大气污染物（包括氮氧化物（NOx）、挥发性有机化合物（VOCs）、碳氢化合物（HCs）、炭烟（soot）以及非二氧化碳温室气体（CH4、N2O、含氟气体））过程中催化剂的失活现象，深入探讨了失活机理，重点关注复杂工况条件下毒物之间可能存在的补偿效应和加剧效应。此外，还讨论了制备抗中毒催化剂的有效策略。论文还介绍了传感系统的搭建与催化剂失活模型的构建，以实现对催化剂失活过程的监测及使用寿命的预测。对于失活催化剂，论文阐述了当前有效的再生方法，对于可溶毒物，构建解毒剂筛选描述符是提升解毒剂筛选效率的关键手段；对于难溶毒物，则可采用“掩蔽毒物活性位点”的再生策略最后，论文还强调了合适的催化剂评价方法在准确衡量催化剂真正抗失活能力方面的重要性。
图1. 大气污染控制催化剂的“生命周期”
背景介绍
钢铁冶炼、石油化工精炼、化工制造等工业活动及交通运输会产生有害大气污染物。这些污染物包括氮氧化物、挥发性有机化合物、颗粒物和温室气体，它们对人体健康和生态环境都有负面影响。为了满足日益增长的污染控制需求，人们已开发出多种污染物净化方法。这些方法主要分为破坏性和非破坏性两大类。净化技术的选型需综合考量污染物的具体特性、工艺操作条件、环境法规要求和成本效益。在各种污染控制技术中，催化技术在将有害大气污染物转化为毒性较小甚至无毒物质方面发挥着关键作用。
图2. 大气污染物催化消除过程中催化剂失活示意图
传统的工业催化一般通过优化反应参数来实现最佳的催化效果，而在大气污染物催化转化中，催化剂必须能够满足特定工况条件。然而，大气污染物的复杂性和多变性，以及工况条件的波动，会导致催化剂严重失活（图2）。因此，理解催化剂的中毒机制以及设计抗中毒的催化剂对于有效净化大气污染物至关重要。大规模的催化剂失活会产生大量固体废物，而高效的再生过程可以延长催化剂使用寿命，防止对环境的破坏。从中毒机制、抗中毒策略以及再生技术的全周期考虑催化剂设计对于优化整个过程至关重要，将有助于指导未来的研究，以开发出更稳定和有效的用于大气污染控制的催化剂。
本文亮点
1.综述系统地讨论了在催化去除各种空气污染物（如NOx、VOCs、HCs、Soot、CH4、N2O、PFCs）过程中催化剂失活原因，并试图揭示不同毒物中的共同中毒特征。
2.揭示了复杂工况下毒物之间的“累加效应”和“拮抗效应”。
3.针对不同的失活原因，详细阐述了相应的抗性策略。
4.介绍了通过传感器系统监测催化剂的“健康状况”，并通过模型来预测催化剂寿命。
5.针对失活催化剂综述了不同的再生方法，介绍了一种基于酸解离常数“描述符”的解毒剂筛选方法，针对难溶型毒物提出了“掩蔽”毒物的策略。
图文解析
论文认为用于消除大气污染物的催化剂，其有效设计需集成高活性、选择性、热稳定性、抗中毒性、再生潜力和无毒性六大关键指标。图3系统构建了高效大气污染控制催化剂的“性能框架”，这六大准则并非孤立存在、彼此割裂，而是精准适配实际烟气的复杂工况——从电厂、水泥厂的高温波动烟气，到车辆尾气的多组分杂质环境，催化剂需实现多维度能力协同。它既要具备在主流反应窗口内高效转化NOx、VOCs等污染物的活性，也要保证只生成N2、H2O等无害产物的选择性，避免二次污染；同时需抵御反应放热带来的热稳定性考验，耐受烟气中碱金属、硫、重金属等杂质的抗毒性，失活后可通过焙烧等简单处理恢复活性的再生性。这些指标共同构成了优异大气污染控制催化剂的特点，也为后续应对失活挑战明确了设计目标。
图3. 大气污染物净化催化剂的合理设计要求示意图
图4. NH3-SCR脱硝过程中催化剂的污染物来源与失活路径图
在固定源和移动源排放中，污染物或环境条件的波动会通过掩蔽、结垢、中毒、烧结或相变等机制导致催化剂失活。图4直观呈现了脱硝催化剂在实际工况中的“失活原因”，排放的NOx伴随飞灰、碱金属（K、Na）、重金属（Pb、As）、硫物种等复杂杂质通过五种相互关联的路径导致催化剂失活：飞灰不仅会遮蔽催化剂表面，还会与硫酸氢铵等产物结合堵塞孔隙；碱金属、重金属通过化学作用破坏活性位点的中毒过程，常与高温引发的活性组分烧结、活性相结构相变叠加，进而加速催化剂的失活。
图5. 毒物电负性及氨吸附常数与催化剂脱硝活性关联图
图5通过量化数据，揭示了毒物影响催化剂性能的核心规律，为抗中毒设计提供了科学依据。图5A结果显示，毒物电负性与催化剂相对活性呈显著正相关——电负性越低的金属（如K、Na），越易通过离子交换抢占催化剂酸性位点，实验中K中毒可导致催化剂活性下降50%以上，而电负性较高的金属中毒影响则明显减弱。图5B进一步证实，催化剂氨吸附量是脱硝活性的核心决定因素，氨吸附量越多，反应中间体越易形成，而毒物会直接削弱这一关键能力。更重要的是，复杂烟气存在特殊效应：多种毒物共存时可能出现“协同加剧”（如K与硫物种共同作用时失活速率翻倍）或“拮抗效应”（某些性质相互抵消以减轻性能损失的现象），这一发现打破了单一毒物研究的局限，为多杂质场景的抗中毒设计提供了新思路。
在实际应用中，中毒效应表现为一个与时间相关的累积过程，这一特征在实验室的研究中并未得到重现。在实际场景中，金属毒物通常会附着在废气中的飞灰或气溶胶上，然后沉积在催化剂表面。随后，这些毒物通过固-固转移与催化剂的活性位点相互作用。相比之下，实验室中对金属中毒的研究通常依赖浸渍法。在这个过程中，毒物溶解在液体溶液中时，会与催化剂的强酸性位点发生离子交换。实验条件与实际工况的这一根本差异，造成了实验室研究与真实中毒过程的认知差距，阻碍了对实际使用中发生的真实中毒机理的准确理解。研究人员通过分析在玻璃熔炉中使用超过4000小时的失活VWTi催化剂，研究了其失活机理。他们发现，Na2SO4和CaSO4主要附着在催化剂表面，而As2O3会渗透到催化剂内部超过370微米，这是导致失活的关键因素。他们还提出，将整体催化剂研磨成粉末会损坏催化剂表面，并掩盖与其脱硝性能密切相关的线索。此外，在整体催化剂上检测到的毒物含量高于粉末状催化剂，这表明毒物主要沉积在催化剂表面。
图6. 催化剂中毒牺牲位点与活性位点分离的抗中毒策略示意图
碱金属和碱土金属是烟气中常见的污染物，在实际反应条件下，这些金属会积聚在催化剂表面。此外，它们的碱性比NH3更明显，酸性位点将优先被占据。图6提出了一种“主动防御”的抗中毒设计，灵感源自船舶防腐的牺牲阳极技术，其核心逻辑是在催化剂中构建专门的“牺牲位点”——多为酸性位点或亲毒组分，让烟气中的碱金属、重金属、硫物种等毒物优先与这些位点结合。这种策略通常通过引入SO42-、PO43-等酸性基团修饰载体实现，既不影响催化反应的正常进行，又能通过“牺牲位点”主动消耗杂质，为核心活性位点打造了一层防护屏障，显著提升催化剂在复杂烟气中的使用寿命。
图7. 抗碱金属中毒催化剂的作用机制与实验验证图
（图片来源（A）DOI: 10.1021/acs.est.1c02061；(B)和（C）DOI: 10.1021/acs.est.5b00570；（D, E, F）DOI: 10.1021/acscatal.3c02571）
图7聚焦工业脱硝中最突出的K中毒难题，通过系统实验与表征，完整揭示了“牺牲位点”抗毒策略的逻辑与实效。实验数据显示，以Fe2(SO4)3为活性物种的Fe-S/Ti-H改性催化剂，在K2O中毒后，200-400 ℃核心脱硝窗口内的NOx转化率仍稳定保持80%以上，而商用VWTi催化剂活性已骤降至45%以下，抗毒性能提升近一倍。其核心机制源于硫酸盐基团的动态迁移效应：中毒过程中，催化剂体相的SO42-会迁移至表面，与K⁺优先结合形成稳定硫酸盐，通过“牺牲位点”效应避免K⁺破坏Fe、V等核心活性中心；同时，K⁺与催化剂表面羟基发生离子交换时，牺牲位点通过配位作用稳定K⁺，阻断其对活性位点的化学侵蚀。更值得关注的是，无定形FeVO4催化剂展现出超越晶体型催化剂和商用VWTi的多金属耐受能力，其松散的无定形结构使K、Ca、Pb等毒物迁移能垒降低（表面迁移能垒仅0.78 eV），避免局部活性位点集中堵塞，为复杂烟气中多金属共存场景提供了高效解决方案，也验证了结构调控与牺牲位点结合的抗毒设计思路的普适性。
图8. 多元载体修饰催化剂的抗毒性能对比图
（图片来源（A）和（B）DOI: 10.1021/acs.est.1c02061；（C）和（D）DOI: 10.1021/acs.est.5b00570；（E）和（F）DOI: 10.1021/acscatal.3c02571）
面对工业烟气中K、Ca、Pb等多毒物共存的复杂场景，系列实验案例证实多元载体修饰是提升催化剂抗毒性能的核心实用路径（图8）。实验数据显示，CuCe/H-SAPO-34、CeO2/MMT-Ti、CeO2/Ti-ATP等改性催化剂，在1 wt%毒物中毒后，270 ℃下NOx转化率仍维持75%以上，而传统单一载体催化剂活性已骤降至50%以下，且抗毒稳定性提升3倍以上。其中，SAPO-34、蒙脱土（MMT）等载体提供丰富孔隙结构，形成物理屏障，阻挡毒物向活性中心扩散；CeO2组分增强氧化还原性能，补偿部分活性损失；Ti改性凹凸棒石（Ti-ATP）的离子交换位点与Si−OH基团，可有效锚定碱金属离子，避免其与活性物种反应。这种多元协同机制打破了单一载体抗毒的局限性，既能针对性抵御不同类型毒物，又能适应工业烟气中多毒物协同作用的复杂工况。
图9. 多毒物间的补偿与协同效应
（图片来源（B）和（C）DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.129894；（D）DOI: 10.1021/acs.est.1c05686；（E）DOI: 10.1021/acs.est.2c03653）
SCR催化剂面临毒物中毒失活的挑战，但研究表明多种毒物共存时可能产生拮抗或协同效应。图9A阐释了两种毒物间的“拮抗效应”原理。图9B和C展示商用VWTi催化剂上砷锌共存时活性达新鲜催化剂85%的特殊现象，证明电子相互作用可保护活性位点。图9D通过铁基催化剂揭示钾与二氧化硫共毒化时活性恢复的机制。图9E对比了不同催化剂体系的毒物相互作用：在CeO2/TiO2中二氧化硫与铅结合产生酸性补偿的拮抗效应，而在CeO2-WO3/TiO2中则因铅优先结合钨、二氧化硫攻击铈位点导致协同失活。磷元素展现出双重功能，既可作为毒物形成磷酸盐导致失活，又能作为改性剂通过优先结合碱金属保护活性中心。水蒸气的作用具有两面性，既能竞争活性位点，又能在P改性Cu-ZSM-5中促进高活性铜羟基物种形成。Cu-SSZ-13催化剂在锌磷共存时形成磷酸锌增强NO吸附，铈掺杂可进一步稳定活性位点。这些发现为设计抗毒化SCR催化剂提供了新思路，即通过调控毒物间相互作用及催化剂组成来提升环境适应性。
图10. 抗多毒物自保护机制
（图片来源（A）DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.123797；（B）和（C）DOI: 10.1021/acs.est.1c05686；（D）和（E）DOI: 10.1021/acs.est.0c04911）
当前多污染物协同脱除研究揭示在VOCs与NOx协同脱除过程中存在生成剧毒副产物的潜在风险。如图11A所示，在常规SCR催化剂上，甲醛会与反应体系组分作用，通过甲酰胺中间体路径产生氢氰酸；图11B进一步表明，在NOx与甲硫醇协同脱除过程中，尽管主要污染物转化率未下降，但CO和HCN的释放量持续上升，形成隐蔽性毒性排放。特别值得注意的是，在NOx与正丁胺的协同脱除中，原本在NH3-SCR中表现稳定的铈基催化剂也出现明显产HCN现象。这些发现警示，多污染物协同控制技术需重点关注反应过程中潜在的次生毒性问题，不能仅以主要污染物转化率作为性能评判标准，而应建立更全面的副产物监测评估体系。
图11. 催化剂设计原则示意图
（图片来源（A）DOI: 10.1002/anie.202003670；（B） DOI: 10.1021/acs.est.3c06825）
图12. 煤烟氧化反应机理及失活原因
（图片来源：10.1002/cnma.202000407和DOI: 10.1016/j.fuel.2021.122854 ）
柴油发动机排放的碳烟颗粒已被广泛认定为一种主要污染物，会对环境和人类健康造成不良影响。对生物质气化工业化的推进而言，这也是一项重大的技术挑战。柴油颗粒过滤器（DPF）技术用于柴油发动机的尾气处理（图12），其再生过程涉及碳烟颗粒的氧化。通常，再生方式有两种：被动再生和主动再生。被动再生涉及碳烟颗粒与柴油氧化催化剂（DOC）产生的气相NO2之间的反应，而主动再生则取决于DPF中装载的催化剂的性能。所研究的大多数催化剂均基于贵重金属（铂、钯、金等）和非贵重金属（二氧化铈、二氧化锰、三氧化二钴等）。碳烟颗粒的催化氧化强度依赖于颗粒与催化剂的接触，而严重的碳烟颗粒积聚可能会导致结垢并降低活性（图12）。此外，硫或磷基毒物的积累以及活性位点的丧失也是导致DPF失活的主要原因。
电流辅助催化技术通过引入外部电场，实现了催化过程的动态精准调控。这一策略的核心科学价值在于其突破了传统热催化在soot氧化等固-固相反应中的传质限制。当施加电场时，催化剂表面会产生显著的焦耳热效应和电子迁移现象，这些物理效应能够有效激活晶格氧物种，显著降低C-C键裂解能垒。特别值得关注的是，电场诱导的局域热效应可以避免整体反应器的高温烧结，同时促进氧空位的动态生成与湮灭，为反应提供持续的活性位点。这一技术不仅在soot消除中展现优越性能，在CO氧化、VOCs降解等反应中也表现出广泛应用前景。其科学意义在于开创了“多场协同催化”的新范式，为高温苛刻条件下的催化剂稳定性设计提供了新思路。从分子层面看，电场能够改变催化剂表面的电子态密度，优化反应物分子的吸附构型，从而降低反应活化能。在宏观层面，电流辅助催化可以实现反应器的快速启停和精准控温，大大提升了工业操作的灵活性。
催化剂智能监测系统已成为保障工业装置长期稳定运行的关键技术。例如，通过荧光标记实现失活催化剂的颗粒级别的筛选，通过阻抗分析追踪三效催化剂的催化性能。特别值得关注的是，现代监测技术不仅可以捕捉催化剂的宏观性能变化，还能通过先进的谱学手段揭示活性位点的微观结构演变。这些实时获取的数据为催化剂的预测性维护提供了科学依据，使运维策略从被动的“故障后处理”转变为主动的“预防性干预”。智能监测系统的核心优势在于其能够实现催化剂状态的实时诊断和寿命预测，通过建立催化剂性能衰减的数学模型，可以精准预测最佳再生时机，避免因催化剂失效导致的非计划停车。此外，监测数据还可以反馈至催化剂设计环节，形成“监测-诊断-优化”的闭环系统。在实际应用中，智能监测系统需要解决传感器耐久性、信号抗干扰、数据实时处理等关键技术难题。
催化科学的快速发展离不开理论模拟和数据科学的有力支撑。现代计算技术不仅能够从原子尺度揭示反应机理，还能通过机器学习算法建立构效关系模型，显著加速催化剂开发进程。在多尺度模拟方面，研究人员结合量子化学计算、分子动力学模拟和计算流体力学，建立了从活性位点到工业反应器的全链条模型。这些模型能够准确预测催化剂的失活行为，为工业装置的设计和优化提供理论指导。特别在机器学习辅助催化剂设计领域，通过建立材料基因组数据库和开发智能算法，实现了新催化剂的快速筛选和性能预测。
图13. 绿色再生技术：实现催化剂可持续利用
（图片来源（C）DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.137967；（E）DOI: 10.1021/acs.est.4c05260）
催化剂再生技术的创新是实现资源循环利用的关键环节（图13）。现代再生策略强调“精准再生”理念，通过针对性去除毒物物种而非简单替换，实现催化剂性能的最大化恢复。在再生机理研究方面，研究人员发现再生效率与解毒剂的酸解离常数有关，与活性组分对应酸酐的酸解离常数最接近的解毒剂有最高再生效率。对于难溶金属毒物，采用“掩蔽再生”的策略，恢复对于NH3的吸附，使得活性位点重构，从而实现再生。
再生过程需要综合考虑多个因素，包括再生温度、气氛组成、再生剂选择等，这些参数都会影响再生后催化剂的性能恢复程度。先进的再生技术不仅要求恢复催化剂的活性，还要保持其机械强度和长期稳定性。需要建立完善的催化剂全生命周期评估体系，从经济性和环境效益角度优化再生策略。随着原位表征技术的进步，再生过程的可控性和效率将得到进一步提升。
总结与展望
本综述对以下几个方面进行了展望：
（1）理解“实际”条件下催化剂的失活
在大多数情况下，气体污染物消除催化剂的失活过程是渐进的，通常需要数月甚至数年时间。如此长的时间使得实验室规模的基础研究难以开展。研究人员通常采用更苛刻条件下的加速失活方案，如提高老化温度或增加毒物浓度，在实验室层面研究催化剂失活机理。在当前的限制条件下，这是一种务实的折中方案。然而，这不可避免地会导致我们对催化剂在实际场景中的真实失活机理存在一定的认知差距。对在实际操作条件下失活的催化剂进行直接分析，是理解其真实中毒机理的关键方法。尽管如此，这类分析方法只能捕捉到催化剂静态的失活状态，无法阐明中毒的动态发展过程。此外，实际中催化剂的失活往往涉及多种因素的协同作用，这使得该过程远比单一因素导致的失活情况复杂得多。
特别是在催化剂金属中毒的研究中，目前的研究方法主要依赖浸渍法，该方法通常是通过离子交换将毒物离子吸附到催化剂的酸性位点上，直至吸附和解吸达到热力学平衡。然而，在实际操作条件下，毒物通常以气态形式与催化剂表面相互作用。在没有液相介质的情况下，有两个方面的问题仍有待进一步研究：催化剂的酸性位点是否能以类似的方式有效捕获气态毒物，以及这种捕获的持久性和稳定性如何。我们认为，开发能够模拟真实金属中毒环境的实验方案，将显著促进对催化剂真实中毒机理的理解。在此基础上，必须研究催化剂在多种毒物共存条件下的性能，以更好地接近工业实际情况。
（2） 针对复杂工况中的抑制多种毒物催化剂设计
迄今为止，引入酸性位点已被证明是减轻催化剂金属中毒的有效策略。这既可以通过用无机酸衍生的离子修饰催化剂表面来实现，也可以通过与强酸性载体（如分子筛）复合来实现。然而，设计完善的中毒测试对于理解潜在的中毒机理至关重要，也是评估抗中毒策略有效性的前提。此外，鉴于实际应用中烟气成分复杂，单一毒物评估体系不足以评估催化剂的实际抗中毒性能。有必要考虑多种毒物的共存情况，在某些情况下，还需进行多种污染物的同时中毒测试。将活性位点与牺牲性中毒位点在空间上分离的策略，仍然是保护催化活性中心的有效方法。这种位点分离策略可以通过几何结构隔离来实现，也可以通过利用特定的晶体或无定形结构，选择性地将沉积的毒物分隔在催化剂表面或者体相。
（3） 失活催化剂再生的新见解
催化剂失活是不可避免的现象，因此高效再生至关重要。传统的再生方法主要包括热处理和溶剂洗涤。失活催化剂的再生可分为三类：直接再生、性能增强再生和拓展应用。直接再生是指通过再生过程使催化剂活性恢复到原始水平。我们提出了一个解毒剂筛选描述符。这种受催化领域“火山型曲线”启发的方法，为通过酸蚀刻进行催化剂再生提供了一种新策略。性能增强再生是指再生后的催化剂表现出比新鲜催化剂更优异的活性。一个典型的例子是使用分子筛对碱金属中毒的催化剂进行解毒。拓展应用是指将来自原始反应体系的催化剂直接用于或经改性后用于其他催化过程。
（4） 人工智能辅助催化剂设计
在以往的研究中，已经积累了大量关于催化剂中毒机理和抗中毒策略的研究数据。一个关键问题是，能否将这些现有数据系统地整理成一个全面的数据库，以促进机器学习辅助理解催化剂中毒机理。虽然机器学习在预测催化剂结构配置方面面临挑战，但它在通过元素组成分析确定最佳材料配方方面表现出特别的适用性。当这种方法应用于高熵金属氧化物等复杂材料系统的设计时，其优势尤为明显。其内在优势在于，金属元素性质的数据库已经建立得较为完善和系统，这些性质之间存在很强的相关性，机器学习算法可以有效地利用这些相关性。另一种切实可行的方法是通过精心设计的小规模实验构建高质量的数据库，基于实验数据进行机器学习优化，并预测具有更优异抗中毒性能的新型配方。这种数据驱动的方法可以显著加速抗中毒催化剂材料的研发，同时减少对传统试错方法的依赖。此外，机器学习还可以帮助解耦复杂的构效关系，对理解中毒失活机制也有很大的帮助。
总结
理解催化剂失活的原因有助于设计出具有更好抗失活的催化剂，从而延长催化剂的寿命。此外，有效的再生也试图让失活催化剂重获新生。然而，除了传统的破坏性去除方法外，在特定的工业场景下，这些污染物具有资源回收的潜力。虽然本研究的主要重点是阐明用于大气污染物消除过程催化剂的失活机理、抗失活策略和再生技术，但研究结果也可以为面临类似挑战的其他催化过程提供有价值的见解。
作者介绍：
第一作者：邓江，上海大学副研究员，博士生导师。2018年加入上海大学张登松教授研究团队，主要从事工业源氮氧化物催化净化及其资源化相关研究工作。主持国家重点研发计划“催化科学”重点专项青年科学家项目子课题、国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目。入选上海市浦江人才计划、上海市扬帆人才计划。以第一/通讯作者在Chem Rev、Environ Sci Technol、CCS Chem、Appl Catal B、ACS Catal、J Catal、Chem Eng Sci等国内外刊物发表SCI论文30余篇，相关成果总引6800余次，H指数43，连续三年入选“斯坦福大学全球Top2%顶尖科学家”榜单。担任Chinese Chemistry Letters青年编委。参与完成的研究成果获中国石油与化学工业联合会“发明特等奖”。授权发明专利6件。作为团队骨干获2022年上海市青年五四奖章集体，个人获2022年上海大学“蔡冠深优秀青年教师奖”。
共同第一作者：胡晓楠，复旦大学博士，上海大学博士后。重点聚焦氮氧化物、挥发性有机化合物及新污染物的关键控制技术，累计发表SCI论文35篇，其中以第一作者/通讯作者身份在Chem Rev、Environ Sci Technol（2篇）、Appl Catal B（2篇）等期刊上发表论文10篇，1篇入选ESI热点论文，1篇入选ESI高被引论文，总被引用1445次，先后主持国家级和省部级项目3项，包括国家自然科学基金青年项目C类、上海市“超级博士后”激励计划和广东省区域联合基金青年项目各1项。
通讯作者：张登松，二级教授（研究员），国家杰出青年科学基金获得者。现任上海资源环境新材料及应用工程技术研究中心主任、上海大学理学院常务副院长、上海大学碳中和创新研究中心主任、上海大学催化化学国际合作联合实验室主任。长期从事能源环境催化的基础与应用研究，发展了多种减污降碳新技术。主持承担了一系列国家自然科学基金项目（包括国家杰出青年科学基金项目、优秀青年科学基金项目、重点项目、石油化工联合基金项目、面上项目、青年科学基金项目、国际(地区)合作与交流项目等）、京津冀环境综合治理国家科技重大专项、国家重点研发计划项目与课题、科技部973计划前期研究专项等。已获授权国际发明专利与国家发明专利70余项，多项科研成果在国内外企业中得到推广应用。以通讯作者在Nature Nanotechnol、Nature Commun、Chem Rev、JACS、Angew Chem、Environ Sci Technol、Adv Mater等国内外期刊发表270余篇SCI论文，被引用2.97万余次，H指数为100。连续多年入选全球高被引科学家（科睿唯安，2020至今）和中国高被引学者（爱思唯尔，2018至今），并于2023年当选英国皇家化学会会士。担任中国化学会理事、中国化工学会化工新材料委员会委员、中国环境科学学会环境化学分会委员等。担任Chinese Chemical Letters副主编、Chemical Physics Impact高级编委等。曾荣获上海市新长征突击手、上海市晨光学者、上海市青年科技启明星、上海市育才奖、上海市青年五四奖章集体（团队负责人）、上海市教委记功三次、王宽诚育才奖等，作为完成人之一获高等教育国家级教学成果二等奖、高等教育上海市级教学成果二等奖，曾获2024年上海市青年科技杰出贡献奖、2022年上海市科技进步一等奖（第一完成人）、2021年华夏建设科学技术二等奖（第一完成人）、2018年上海市科技进步二等奖（第一完成人）等。
