综述：介孔纳米材料在光催化降解污染物方面的进展：基础、材料分类、挑战与未来展望

本综述系统阐述了介孔纳米材料（MNMs）在光催化降解有机污染物领域的最新研究进展。文章重点介绍了六类主要MNMs（碳基、二氧化硅基、聚合物基、混合金属基、金属氧化物基和共价有机框架（COFs））的独特结构优势，如高比表面积和可调孔结构，如何协同优化光吸收、电荷载流子分离和反应物传质，从而提升催化性能。文章指出，克服材料规模化制备与长期稳定性挑战是实现其实际应用的关键，并强调通过跨学科方法，结合标准化制备工艺与对多孔界面反应机制的深入理解，进行超越组成的介孔结构战略工程，是释放光催化技术可持续发展潜力的核心。

　　

介孔纳米材料（MNMs）在光催化降解污染物中的魅力世界

1. 引言

水是生命之源，然而全球淡水资源的稀缺与日益严重的水污染问题，特别是工业排放的有机染料、药品和个人护理产品等新兴污染物，对生态系统和人类健康构成了巨大威胁。传统水处理方法往往难以高效去除这些顽固有机物，而高级氧化过程（AOPs）中的光催化技术，以其利用太阳能驱动反应、降解彻底、无二次污染的优势，展现出巨大潜力。在这一领域，介孔纳米材料（MNMs）因其独特的结构特性，正成为推动光催化技术发展的明星材料。

2. 光催化的基本原理

光催化技术的核心在于半导体材料在光激发下产生电子（e^-）和空穴（h⁺）对。这些光生电荷载流子迁移至催化剂表面，参与氧化还原反应，例如与表面吸附的H₂O和O₂分子反应，生成强氧化性的羟基自由基（·OH）和超氧阴离子自由基（O₂^•-），从而将有机污染物彻底矿化为CO₂和H₂O等无害物质。

光催化效率受到多种关键因素的影响。溶液的pH值会影响催化剂表面电荷和污染物吸附；催化剂和污染物的浓度需优化以避免光屏蔽效应或活性位点堵塞；催化剂自身的结构（如比表面积、孔隙率）直接决定活性位点数量和质量传递效率；光照强度和时间则关系到电子-空穴对的生成量；而通过掺杂引入杂质原子，能有效调控半导体的能带结构，抑制电荷复合，扩展光响应范围，从而显著提升光催化性能。

3. 各类MNMs在光催化中的表现

MNMs的魔力在于其2-50纳米的孔径范围、极高的比表面积（常超过1000 m²/g）和可调的孔道结构。这些特性为污染物吸附、光活性位点暴露、质量传递和光捕获提供了理想平台。

3.1. 碳基MNMs

包括有序介孔碳（OMC）、碳纳米管（CNTs）、石墨烯（GO/rGO）等。它们不仅是优良的吸附剂，其卓越的导电性更能作为电子“高速公路”，在与半导体（如TiO₂、MoS₂）形成异质结时，有效提取和传输光生电子，极大抑制了电子-空穴对的复合。例如，MoS₂/OMC异质结在可见光下对甲醛的降解效率远高于单一组分。

3.2. 二氧化硅基MNMs

如MCM-41、SBA-15和介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs），以其高比表面积、优异的热/化学稳定性和易于功能化的表面（丰富的Si-OH基团）而著称。它们常作为“纳米反应器”或载体，用于高度分散和稳定光活性组分（如TiO₂、CoTiO₃），防止其团聚失活。研究表明，TiO₂/CoTiO₃-SBA-15复合材料对亚甲基蓝（MB）和刚果红（CR）的降解表现出色。

3.3. 聚合物基MNMs

如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）等导电聚合物基材料，具有可调的化学结构和能带，良好的柔韧性和可见光吸收能力。它们与无机光催化剂（如TiO₂/PPy）复合时，不仅能促进电荷分离，其聚合物基质还能对活性组分起到保护作用。

3.4. 混合金属基MNMs

通过将不同金属元素（如Fe/Al/La, Nb/Sn）组合，利用金属间的协同效应，可以优化材料的能带结构、电荷分离效率和氧化还原能力。例如，Fe/Al/La三金属纳米氧化物（FAL）在太阳光下对活性黑5（RB5）染料展现了高达93.85%的降解率。

3.5. 金属氧化物基MNMs

这是研究最广泛的一类，包括二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、氧化锆（ZrO₂）、氧化铁（Fe₂O₃）等。它们本身是良好的半导体，通过制造介孔结构可以暴露出更多的活性位点。通过掺杂（如N、Fe、Cu掺杂TiO₂）或构建异质结（如ZrO₂掺杂TiO₂形成TZ-1），可以显著改善其可见光吸收和电荷分离，从而大幅提升对染料（如RhB, MO）的降解效率。磁性金属氧化物（如Fe₂O₃）的引入还便于催化剂的磁回收再利用。

3.6. 共价有机框架（COFs）

COFs是一类新兴的晶态多孔有机聚合物，具有极高的比表面积、精确可调的孔道结构和可设计的官能团。其高度有序的π-共轭体系有利于光生载流子的迁移。通过精心设计给体-受体单元，可以构建高效的可见光驱动光催化剂。例如，基于BTT的COFs（BTT-TAPT）在可见光下对四环素（TC）和环丙沙星（CIP）抗生素的降解率分别达到82.7%和74.7%。

4. 挑战与未来展望

尽管MNMs在实验室规模取得了令人瞩目的成果，但其走向实际应用仍面临诸多挑战。首要挑战是规模化与稳定性：复杂且成本较高的合成方法、光腐蚀（尤其是ZnO、TiO₂基材料）以及在实际水体中长期运行的稳定性问题亟待解决。其次是与现有基础设施的集成：如何将纳米粉末催化剂有效地固定化（如负载于膜、整体式反应器或磁性载体上），并集成到现有水处理工艺中，同时避免压力损失和堵塞，是一个巨大的工程挑战。环境安全性与生命周期评估同样至关重要：需要评估MNMs自身及其降解中间产物可能带来的环境风险，并开发实时监测技术。同时，应从材料制备到废弃的整个生命周期评估其环境足迹，推动绿色、可持续的合成路线。

面向未来，研究应聚焦于：开发低成本、可规模化且环境友好的MNMs制备技术；设计具有高稳定性、易分离（如磁性回收）和抗中毒能力的多功能复合材料；通过跨学科合作，深化对多孔界面光催化机理的理解；推动MNMs在真实复杂水体中的中试和实际应用测试，最终为实现高效、可持续的水污染治理提供强有力的技术支撑。