综述：利用金属和非金属掺杂的TiO?催化剂在水生系统中光催化降解微塑料

《Journal of Water Process Engineering》：Photocatalytic degradation of microplastics in aquatic system using metal and non metal- doped TiO 2 catalyst

微塑料污染治理中光催化降解技术的研究进展，重点分析金属与非金属掺杂TiO?的改性策略及其对降解机制的影响，涵盖生物质、有机化合物及碳基材料等掺杂前驱体类型，揭示其调控能带结构和活性氧物种生成的机理，提出复合掺杂与异质结构建的新方向。

　　微塑料（Microplastics, MPs）是当前全球环境问题中的一个焦点，其广泛存在于水体、土壤和空气中，对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。微塑料通常指尺寸小于5毫米的塑料颗粒，它们在环境中持续分解，直至达到纳米级别。这些微小的塑料颗粒不仅影响生物多样性，还可能通过食物链进入人体，对健康产生不良影响。近年来，随着人们对微塑料污染问题的关注不断加深，相关研究数量迅速增长，从2014年的不足500篇增加到2024年的近5000篇，反映出这一领域研究的快速扩展。

在众多应对微塑料污染的方法中，光催化降解因其高效性、低毒性以及环境友好性而备受关注。光催化技术通过利用光能激发催化剂，使其产生具有强氧化性的活性物质，从而分解微塑料。目前，二氧化钛（TiO?）作为光催化剂，因其高活性、强光稳定性、良好的氧化能力和生物无毒性而被广泛研究和应用。然而，TiO?在实际应用中仍面临一些挑战，例如其电子-空穴对（e?/h?）的快速复合、较大的带隙限制其对可见光的响应能力，以及较低的量子产率等问题。这些问题限制了TiO?在降解微塑料方面的效率，因此，对TiO?进行改性，如掺杂金属或非金属元素，成为提升其性能的重要手段。

掺杂技术能够有效改变TiO?的能带结构，从而改善其光响应性能和载流子分离效率。金属掺杂主要通过引入金属离子，如氮化物、氯化物、有机化合物和金属有机框架（MOFs）等，来调整TiO?的电子结构。这些金属元素通常与TiO?中的钛原子结合，形成新的能级，促进电子的迁移，进而增强光催化活性。而非金属掺杂则主要利用生物质、有机化合物和碳基纳米材料等作为前驱体，通过引入非金属元素如氮、硫、碳等，提高TiO?对可见光的吸收能力，并增强其氧化能力。非金属掺杂主要与氧化性活性物质和光生空穴（h?）相关，而金属掺杂则与还原性活性物质如活性氧物种（ROS）相关。这种差异对于调控TiO?的能带结构、生成特定的活性物质具有重要意义。

在光催化降解过程中，前驱体的选择对最终的催化性能有着深远的影响。不同的前驱体可以带来不同的物理化学特性，从而影响TiO?的结构、表面形貌和电子迁移特性。例如，生物质前驱体如牡蛎提取物和虾壳能够提供丰富的有机成分，这些成分在光催化过程中可能参与反应，促进微塑料的分解。而有机化合物前驱体如尿素、硫脲和三聚氰胺则可以通过化学反应在TiO?表面形成特定的结构，增强其光催化活性。碳基纳米材料则因其高比表面积和优异的导电性，能够有效提高TiO?的载流子迁移率，从而提升降解效率。

除了单一掺杂，协同掺杂和异质结构的构建也被认为是提高TiO?光催化性能的有效策略。协同掺杂是指同时引入金属和非金属元素，以优化TiO?的能带结构和电子传输特性。例如，某些研究表明，同时掺杂氮和硫可以显著拓宽TiO?的光响应范围，提高其对可见光的利用效率。而异质结构的构建则是通过将TiO?与其他半导体材料结合，形成异质结，从而促进电子-空穴对的分离，减少其复合率，提高光催化效率。这些方法在实际应用中具有重要意义，能够为微塑料的高效降解提供新的思路。

光催化降解微塑料的过程通常包括三个主要步骤：首先，光子被TiO?吸收，引发电子-空穴对的产生；其次，这些光生载流子在催化剂表面分离并迁移至反应位点；最后，通过表面催化反应，这些载流子参与氧化还原反应，从而分解微塑料。在此过程中，前驱体的作用不容忽视。前驱体不仅影响TiO?的结构和性能，还可能通过提供额外的反应位点或促进反应物的吸附，提高光催化效率。例如，某些研究指出，使用特定的前驱体可以改变TiO?的表面形貌，使其更有利于微塑料的吸附和分解。

此外，光催化降解微塑料的反应机制和路径也受到前驱体类型的影响。不同的前驱体可能会导致不同的反应路径，从而影响最终的降解产物和效率。例如，某些前驱体可能促进形成更多的活性氧物种，而另一些则可能通过改变电子结构，提高光生空穴的生成效率。因此，在设计和优化光催化剂时，前驱体的选择是一个关键因素。合理的前驱体不仅能够改善TiO?的性能，还可能通过调控反应路径，提高降解效率和选择性。

近年来，研究人员在光催化降解微塑料方面取得了诸多进展。通过系统研究不同前驱体对TiO?性能的影响，可以更好地理解如何通过掺杂和改性手段提升其降解能力。例如，有研究指出，使用生物来源的前驱体可以提高TiO?的环境友好性和稳定性，而有机化合物前驱体则可能提供更多的反应位点，增强其催化活性。同时，一些研究还探索了多种前驱体的组合使用，以期达到最佳的光催化效果。这些研究不仅为微塑料污染的治理提供了新的技术手段，也为开发高效、稳定的光催化剂奠定了基础。

在实际应用中，光催化降解微塑料的技术仍面临一些挑战。例如，如何在保证高效降解的同时减少催化剂的使用量，如何提高催化剂的稳定性和循环使用能力，以及如何在不同环境条件下（如不同pH值、温度和光照条件）保持良好的催化性能。这些问题需要通过进一步的研究和优化来解决。同时，随着对微塑料污染机制的深入理解，未来的研究可能会更加注重微塑料的来源和分布，以及其对生态系统和人类健康的具体影响，从而为制定更有效的治理策略提供科学依据。

总之，光催化降解微塑料作为一种创新且有前景的技术，正在不断发展和完善。通过合理选择和优化前驱体，以及采用协同掺杂和异质结构等策略，可以显著提升TiO?的光催化性能，从而实现对微塑料的高效降解。这些研究不仅有助于解决当前面临的环境问题，也为开发新型、高效的光催化剂提供了理论支持和技术路径。未来，随着更多研究的深入，光催化技术有望在微塑料污染治理中发挥更加重要的作用。