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本发明公开了一种催化氧化降解VOCs的空气净化方法、系统及应用。所述空气净化方法包括：使含VOCs空气经引风装置进入臭氧发生装置，产生游离氧自由基和臭氧，同时使含VOCs空气中的部分有机物降解为小分子化合物；使经臭氧发生装置处理后的空气进入催化氧化反应装置，并在游离氧自由基和臭氧存在下与催化剂接触，进而催化氧化降解VOCs分子，获得一次净化的空气；之后使一次净化的空气进入过滤杀菌装置，获得二次净化的空气，所述过滤杀菌装置包括光催化过滤组件及活性炭纤维，光催化过滤组件负载具有杀菌性能的活性纳米粒子。本发明能够在-10～40℃下能够高效地将VOCs完全的、深度消解，完成对空气的深度降解净化目的。