综述：用于有机污染物光催化降解的碳纳米结构：合成策略与功能化技术

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Carbon nanostructures for photocatalytic degradation of organic pollutants: Synthesis strategies and functionalization techniques

碳纳米结构（CNSs）作为光催化材料在污染物降解中的应用及机制研究，强调通过调控维度、表面工程和异质结设计优化性能，并整合绿色合成、计算建模和毒性评估形成设计路线图，提出解决稳定性和环境风险的未来策略。

　　近年来，环境污染问题已成为全球生物多样性保护的重要挑战之一。随着工业化进程的加快、城市化的扩张以及公众环保意识的不足，各种污染物不断释放，对生态系统和人类健康构成了巨大威胁。其中，有机污染物（Organic Pollutants, OPs）尤为突出，其种类繁多，来源广泛，且对环境具有持久性影响。这些污染物包括来自工业活动的有机化合物，如多氯联苯（Polychlorinated Biphenyls, PCBs），以及农业活动中残留的农药和除草剂，如滴滴涕（DDT）和阿特拉津（Atrazine）。此外，石油化工过程中产生的芳香烃类化合物，如苯和甲苯，以及纺织工业中排放的染料废水，也是有机污染物的重要来源。这些污染物在水体和土壤中难以降解，往往通过水循环进入食物链，最终影响人类健康。

有机污染物对环境的影响是多方面的。一方面，它们可能导致水体富营养化，破坏水生生态系统的平衡。另一方面，某些有机污染物具有毒性，可能对水生生物产生直接伤害，甚至影响其繁殖和生存能力。此外，有机污染物还可能通过空气传播，对大气环境造成污染。例如，挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）如苯，因其高挥发性和持久性，成为空气污染的重要组成部分。VOCs的排放不仅影响空气质量，还可能对人类呼吸系统和神经系统造成危害。因此，有机污染物的治理已成为环境科学领域的重要课题。

面对日益严峻的环境污染问题，科学家们探索了多种治理策略，包括臭氧氧化、生物吸附、离子交换、电化学氧化、催化燃烧、化学沉淀、过滤、反渗透、凝聚、膜分离和光催化等。这些方法各有优劣，但普遍存在一些限制。例如，臭氧氧化虽然能有效降解有机污染物，但其运行成本高，且可能产生二次污染。生物吸附虽然具有较高的选择性和环境友好性，但其降解效率受到微生物活性和环境条件的限制。电化学氧化虽然能实现高效的污染物降解，但其能耗较高，且可能对设备造成腐蚀。催化燃烧虽然能实现高温下的污染物分解，但其运行温度高，能耗大，且对某些低挥发性污染物效果有限。因此，传统的治理方法难以满足现代环境污染治理的需求。

在此背景下，纳米材料在光催化领域的应用逐渐受到关注。纳米材料具有独特的物理化学性质，如高比表面积、可调的带隙结构以及优异的电荷传输能力，使其成为高效降解污染物的潜在材料。其中，碳纳米结构（Carbon Nanostructures, CNSs）因其多样的同质异形体和高度可调的物理化学功能，成为光催化领域的重要研究对象。CNSs包括富勒烯（Fullerenes）、碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）、石墨烯（Graphene）、碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）、石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots, GQDs）以及纳米金刚石（Nanodiamonds, NDs）。这些材料不仅具有良好的光响应能力，还能通过表面工程和掺杂技术进一步优化其性能。

CNSs在光催化中的应用主要体现在以下几个方面。首先，它们能够作为半导体的支撑结构，提高半导体材料的分散性和稳定性。其次，CNSs可以作为表面活性位点，促进污染物的吸附和反应。最后，CNSs能够作为电荷中介材料，提高电子和空穴的分离效率，从而增强光催化反应的效率。这些功能使得CNSs在光催化降解有机污染物方面具有显著优势。

在实际应用中，CNSs的性能和可重复使用性是衡量其有效性的重要指标。为了提高CNSs的性能，研究人员采用了多种表面功能化和掺杂技术。例如，通过引入杂原子（如氮、氧、硼）可以调节CNSs的带隙结构，提高其对可见光的响应能力。同时，通过缺陷调控和共价/非共价功能化可以增强电荷的传输效率，从而提高光催化反应的效率。此外，CNSs与金属和金属氧化物复合材料的结合也能够促进电子的快速转移和界面接触，进一步提升其光催化性能。

CNSs的合成和功能化是实现其在光催化降解有机污染物中的关键步骤。不同的合成方法可以产生不同结构和性能的CNSs。例如，通过解离法、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、热解法、自组装和溶热法等方法可以制备具有不同厚度、形态和孔结构的CNSs。这些合成策略对CNSs的结构和物理化学性质具有决定性影响，从而决定了其在光催化中的应用潜力。此外，CNSs的功能化可以通过物理吸附或化学吸附的方式实现，进一步优化其性能。

在实际应用中，CNSs的性能和可重复使用性是衡量其有效性的重要指标。为了提高CNSs的性能，研究人员采用了多种表面功能化和掺杂技术。例如，通过引入杂原子（如氮、氧、硼）可以调节CNSs的带隙结构，提高其对可见光的响应能力。同时，通过缺陷调控和共价/非共价功能化可以增强电荷的传输效率，从而提高光催化反应的效率。此外，CNSs与金属和金属氧化物复合材料的结合也能够促进电子的快速转移和界面接触，进一步提升其光催化性能。

CNSs的合成和功能化是实现其在光催化降解有机污染物中的关键步骤。不同的合成方法可以产生不同结构和性能的CNSs。例如，通过解离法、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、热解法、自组装和溶热法等方法可以制备具有不同厚度、形态和孔结构的CNSs。这些合成策略对CNSs的结构和物理化学性质具有决定性影响，从而决定了其在光催化中的应用潜力。此外，CNSs的功能化可以通过物理吸附或化学吸附的方式实现，进一步优化其性能。

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在实际应用中，CNSs的性能和可重复使用性是衡量其有效性的重要指标。为了提高CNSs的性能，研究人员采用了多种表面功能化和掺杂技术。例如，通过引入杂原子（如氮、氧、硼）可以调节CNSs的带隙结构，提高其对可见光的响应能力。同时，通过缺陷调控和共价/非共价功能化可以增强电荷的传输效率，从而提高光催化反应的效率。此外，CNSs与金属和金属氧化物复合材料的结合也能够促进电子的快速转移和界面接触，进一步提升其光催化性能。

CNSs的合成和功能化是实现其在光催化降解有机污染物中的关键步骤。不同的合成方法可以产生不同结构和性能的CNSs。例如，通过解离法、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、热解法、自组装和溶热法等方法可以制备具有不同厚度、形态和孔结构的CNSs。这些合成策略对CNSs的结构和物理化学性质具有决定性影响，从而决定了其在光催化中的应用潜力。此外，CNSs的功能化可以通过物理吸附或化学吸附的方式实现，进一步优化其性能。

在实际应用中，CNSs的性能和可重复使用性是衡量其有效性的重要指标。为了提高CNSs的性能，研究人员采用了多种表面功能化和掺杂技术。例如，通过引入杂原子（如氮、氧、硼）可以调节CNSs的带隙结构，提高其对可见光的响应能力。同时，通过缺陷调控和共价/非共价功能化可以增强电荷的传输效率，从而提高光催化反应的效率。此外，CNSs与金属和金属氧化物复合材料的结合也能够促进电子的快速转移和界面接触，进一步提升其光催化性能。

CNSs的合成和功能化是实现其在光催化降解有机污染物中的关键步骤。不同的合成方法可以产生不同结构和性能的CNSs。例如，通过解离法、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）、热解法、自组装和溶热法等方法可以制备具有不同厚度、形态和孔结构的CNSs。这些合成策略对CNSs的结构和物理化学性质具有决定性影响，从而决定了其在光催化中的应用潜力。此外，CNSs的功能化可以通过物理吸附或化学吸附的方式实现，进一步优化其性能。

在实际应用中，CNSs的性能和可重复使用性是衡量其有效性的重要指标。为了提高CNSs的性能，研究人员采用了多种表面功能化和掺杂技术。例如，通过引入杂原子（如氮、氧、硼）可以调节CNSs的带隙结构，提高其对可见光的响应能力。同时，通过缺陷调控和共价/非共价功能化可以增强电荷的传输效率