综述：核能辐照调控：面向环境修复与能源转化的先进催化剂定制

《Coordination Chemistry Reviews》：Harnessing nuclear energy irradiation: tailoring advanced catalysts for environmental restoration and energy conversion

本综述系统阐述了核辐照技术（如γ射线、离子束）通过精准调控催化剂微观结构（缺陷、掺杂、异质结等）提升其环境修复（污染物降解、灭菌）与能源转化（光/电催化）性能的最新进展。文章深入剖析了辐照参数（能量、剂量）与催化活性间的构效关系，为辐照-催化交叉领域研究提供了前瞻性视角。

　　

核能辐照调控：面向环境修复与能源转化的先进催化剂定制

引言

催化剂在应对环境和能源挑战中扮演着关键角色，其物理化学性质，如形貌特征（孔隙率、晶面暴露）、表面活性位点属性（密度、配位环境）、能带结构特性（掺杂、异质结效应）和组成特征（合金化、杂原子取代），共同决定了催化反应的动力学、选择性和稳定性。然而，单一结构的催化剂存在活性位点密度低、光捕获能力不足以及光生载流子复合严重等固有局限，制约了其在实际应用中的性能。为克服这些挑战，研究人员通过化学手段（如掺杂、缺陷构建、异质结构建、晶面工程、晶格应变工程、非晶相转变工程等）对催化剂进行改性，取得了显著进展。近年来，以核辐照技术为代表的物理改性方法因其能精确调控辐照参数（如能量、辐照通量、剂量和放射源同位素），从而在原子尺度实现缺陷工程、相变和电子结构调控，已成为催化剂工程领域的重要替代策略。

核辐照形成的基本原理

核辐照的产生源于原子核从一种结构或能量状态向另一种状态转变时发射的微观粒子流。这种转变可通过自然衰变（如α衰变和β衰变）或人工诱发的核反应（如裂变和聚变）实现。在此过程中，原子核释放出高能粒子（如α粒子、β粒子、中子）或电磁辐射（如γ射线），这些辐照形式与物质相互作用，引发材料内部的能量沉积和结构变化，为催化剂改性提供了独特途径。

核辐照技术的类型

核辐照技术可根据能量水平和粒子成分进行分类。按能量划分，可分为高能（> MeV）、中能（数百keV至数MeV）和低能（<100 keV）辐照；按粒子类型划分，则包括光子（如γ射线）、带电粒子（如离子束、电子束）和中子等。不同类型的辐照技术因其与物质相互作用的机制不同，对催化剂结构的调控效果各异，例如，γ射线擅长引发体相缺陷，而离子束则可实现表面精准改性。

重要辐照参数

在核辐照过程中，辐照剂量、能量、剂量率及环境条件等参数的精确调整对改性结果至关重要。通过调控这些参数，可定向修饰材料的物理化学属性，从而工程化构建 robust 的催化功能。例如，高剂量辐照可能诱导非晶化转变，而低剂量则倾向于产生点缺陷；能量选择直接影响辐照穿透深度和缺陷分布。

催化剂的合成

虽然化学方法仍是催化剂制备的常规选择，但辐照合成技术作为一种前沿手段，利用高能射线（如γ射线、电子束）引发化学反应并定制材料结构特性，能够高效、快速地制备高性能催化剂。与化学法相比，辐照法具有过程清洁、无需复杂前驱体、可在常温常压下进行等优势，为催化剂合成提供了新范式。

核辐照对催化剂的影响

核辐照材料改性通过高能粒子（如中子、离子、电子）或电磁辐射（如γ射线）与材料的相互作用，改变其微观结构、化学组成或物理性质。在此过程中，高能粒子轰击材料原子，使其偏离晶格位置，产生点缺陷（如空位、间隙原子）。此外，离子注入或核嬗变还可引入掺杂元素，改变材料的电子结构和表面化学性质。这些辐照效应共同调控催化剂的活性位点密度、载流子分离效率及表面反应性，进而增强其催化性能。

污染物降解

催化降解有机污染物是环境治理的关键环节。催化剂通过利用光或其他刺激产生高活性自由基，与有机污染物发生化学反应。核辐照技术可通过引入缺陷、调控能带结构等方式增强催化剂的光吸收能力和载流子分离效率，从而提升其降解污染物的效率，为环境修复提供了一种绿色、高效且操作简便的解决方案。

总结与展望

总之，本文全面综述了核能辐照用于催化剂合成的基本原理和独特优势，强调了其相较于传统化学方法的高效性和快速性。文章系统梳理了核能辐照在环境污染物降解和能源转化催化领域的最新应用进展，并指出当前研究在阐明辐照效应与催化活性增强之间的内在机制方面仍存在挑战。未来，随着材料制备和辐照工程的持续进步，辐照技术有望在更广泛的能源、环境和健康关键领域发挥 pivotal 作用，推动辐照-催化交叉学科的深度融合与创新。