综述：用于协同消除污染物和产生清洁能源的先进光催化剂

生物通首页 > 今日动态 > 正文

综述：用于协同消除污染物和产生清洁能源的先进光催化剂

时间：2026年2月5日

来源：Journal of Energy Chemistry

编辑推荐：

光催化协同系统通过太阳能驱动实现有机污染物降解与可持续能源（H₂、H₂O₂、CH₄等）同步制备，研究总结了异质结构建、离子掺杂、缺陷工程等材料改性策略对提升系统效率的作用，并探讨了工业应用前景。

杨丁|李志学|张淑增|郑润天|李红艳|王春华|赵恒

中国浙江省杭州市310018，杭州电子科技大学材料与环境工程学院

摘要

在过去的几十年中，开发可持续和绿色的方法来应对严重的能源危机和环境污染问题已成为一个研究热点。光催化技术利用太阳能作为清洁和可再生的能源来驱动化学反应，为同时降解有机污染物和生成可持续能源载体提供了一个非常有前景的平台。本综述系统总结了光催化协同系统在有机污染物消除（染料、抗生素、挥发性有机化合物（VOCs）等）和可持续能源生成（H₂、H₂O₂、CH₄等）方面的最新进展。首先，阐明了光催化协同反应的基本原理和机制，重点介绍了将能量转换途径与污染物氧化过程相结合的策略。其次，详细介绍了各种提高光催化效率的改性策略，包括异质结构构建、离子掺杂、单原子负载、缺陷工程和框架设计。随后，概述并讨论了将有机降解与化学燃料生成相结合的不同类型的光催化协同系统，强调了它们的设计原理、结构优势以及催化性能。最后，对这一领域当前面临的挑战进行了批判性分析，并提出了未来的发展方向，包括先进材料设计、系统优化以及向可扩展实际应用的路径。

引言

科学技术的快速发展带来了巨大的经济繁荣，但也导致了化石燃料（煤炭、石油、天然气等）的快速消耗和大量有机/无机污染物的排放，对全球生态系统和人类健康构成了严重威胁[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。传统的污染物处理技术，如吸附、沉淀、膜分离和高温煅烧，通常存在成本高、能耗大、操作过程复杂以及容易引起二次污染的问题[6]、[7]、[8]。另一方面，对化石燃料的过度依赖由于大量的CO₂排放而引发了严重的能源危机和温室效应[9]、[10]。因此，迫切需要开发一种能够同时解决环境恶化和能源短缺问题的可持续和绿色技术。

自1972年藤岛等人发现TiO₂材料可用于光催化产氢以来，半导体光催化技术已经受到了广泛关注[11]。这项技术的核心是利用太阳能激发半导体产生光诱导电子（e⁻）和空穴（h⁺），这些电子和空穴可以迁移到半导体表面，分别参与还原和氧化反应[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。一般来说，光催化可以用于分解水生成氢气/氧气，还原二氧化碳制备碳基燃料，固定氮生成氨，以及降解各种无机污染物[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。然而，传统的单一模式光催化系统存在多种局限性[22]、[23]、[24]。例如，在光催化水分解制氢方面，尽管空穴的氧化能力很强，但水氧化反应（OER）的动力学速度较慢[25]，且其产物氧气（O₂）的经济价值相对于氢气来说较低[26]。同时，电子和空穴的复合率很高，导致量子效率和水分裂性能较低[27]、[28]、[29]、[30]。同样，在单独降解污染物时，光生电子往往被低效地消耗（例如在水中还原H⁺而不收集氢气），从而造成巨大的能源和资源浪费[31]、[32]、[33]、[34]。将这两个过程巧妙地结合到一个系统中，利用污染物作为空穴的牺牲剂，同时通过光诱导电子驱动光还原反应以生成有价值的化学品和清洁燃料（如H₂生成、H₂O₂生成、通过CO₂还原生成CH₄等），可以实现“协同光催化”的目标[35]、[36]、[37]，从而实现双重碳目标（图1）。这种策略具有以下多个优势：（1）提高量子效率：有机污染物的氧化降解反应通常比水氧化更容易进行，可以更有效地消耗光生空穴，从而有效抑制电子-空穴对的复合并促进还原反应[38]；（2）实现“变废为宝”：将污染物处理过程从简单的“消耗性”处理转变为“生产性”处理，在净化环境的同时生产高附加值的能源燃料，达到“一石二鸟”的效果[39]；（3）降低反应能量障碍：某些有机污染物的存在可以改变反应途径，降低目标还原反应（如水和CO₂还原）的能量障碍[40]。

在本综述中，概述和讨论了光催化协同污染物降解和能源生产领域的重要研究进展，包括氢气生成与污染物降解耦合系统、过氧化氢生成与污染物降解耦合系统、CO₂还原与污染物降解耦合系统以及其他反应系统。这些协同光催化系统的光催化反应机制得到了深入的阐述。同时，介绍了协同光催化系统中光催化剂材料的常用改性策略（异质结构构建、离子掺杂、缺陷工程等），并强调了这些策略在促进光催化协同反应过程中的优势。最后，概述了光催化协同系统在可持续能源生产和有机污染物降解中的工业应用前景和挑战，为先进光催化剂的设计提供了研究方向。

半导体光催化的机制

光催化过程始于半导体材料吸收入射光子[41]。当入射光子的能量大于或等于半导体的带隙（E_g）时，价带（VB）上的电子被激发转移到导带（CB），同时在价带留下空穴，从而形成光诱导的电子-空穴对。这些光生载流子经过分离、迁移，最终到达半导体表面

高效光催化材料的设计与开发

对光催化剂的改性对于构建高效的光催化协同反应系统至关重要，这主要解决了光催化剂材料本身的缺点[49]、[50]、[51]。例如，原始的半导体光催化剂如TiO₂、WO₃和ZnO只能吸收紫外线，对阳光的利用效率极低[52]。此外，光生电子和空穴在这些材料上容易发生复合

协同反应系统的分类

根据不同的目标还原产物，光催化协同反应系统主要可以分为以下几类：（1）光催化产氢与污染物降解耦合；（2）光催化过氧化氢生成与污染物降解耦合；（3）光催化二氧化碳还原与污染物降解耦合；（4）其他协同系统（如在降解污染物的同时进行有机化合物合成）[76]、[77]

挑战与前景

总之，光催化协同系统利用太阳能激发半导体光催化剂，生成光诱导的电子-空穴对，同时实现有机污染物的降解和能源的产生（表S2）。它被认为是一种绿色、廉价且可持续的技术，可用于解决严重的环境污染和能源短缺问题。同时，这项技术的协同反应效率已经得到了显著提高

作者贡献声明

杨丁：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、项目管理、研究调查、概念化。李志学：撰写——初稿、资源获取、方法论、数据管理。张淑增：撰写——初稿、资源获取、方法论、数据分析、概念化。郑润天：撰写——初稿、软件使用、方法论、数据分析、概念化。李红艳：撰写——初稿、软件使用、方法论、资金筹集、数据管理。