二氧化钛光催化反应器在气态污染物治理与清洁能源生产中的前沿应用与挑战

《Applied Surface Science Advances》：Using TiO 2 in photocatalytic reactors: VOCs, NOx, CO 2 removal and H 2 production

本文针对日益严重的空气污染问题，系统评述了利用TiO2基光催化反应器去除VOCs、NOx、CO2以及生产H2的最新研究进展。文章深入探讨了TiO2的形貌调控、效率提升策略、反应器设计及其技术成熟度（TRL），并对未来研究方向提出了展望，为开发高效环境修复技术提供了重要参考。

　　

随着全球人口增长、城市化和工业化进程的加速，空气污染已成为威胁人类健康和生态环境的突出问题。世界卫生组织数据显示，空气污染与全球约十分之一的死亡案例相关。常见的空气污染物，如氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）、挥发性有机化合物（VOCs）以及细颗粒物（PM），不仅会导致呼吸系统疾病、心血管问题，甚至与阿尔茨海默症、帕金森症等神经系统疾病以及不良妊娠结局有关。传统的空气污染物处理方法，如吸附、吸收、焚烧等，存在成本高、易产生二次污染或仅实现污染物相转移而非彻底降解等局限性。因此，开发绿色、高效、可持续的空气净化技术迫在眉睫。

在此背景下，光催化技术，特别是以二氧化钛（TiO₂）为代表的技术，因其能在常温常压下高效降解低浓度气态污染物，而被视为一种极具前景的绿色替代方案。TiO₂因其半导体特性、储量丰富、成本低廉且无毒，成为环境修复领域研究和应用最为广泛的明星光催化材料。然而，TiO₂的广泛应用也面临挑战，最主要的是其较宽的禁带宽度（~3.2 eV），使其主要依赖能量较高的紫外光激发，对太阳光中占绝大部分的可见光利用效率低。此外，光生电子-空穴对易复合、在某些应用中对目标污染物的降解选择性及矿化程度有待提高、以及反应器设计中的传质传光限制等问题，都制约着其大规模实际应用。

为了解决这些问题，推动TiO₂基光催化技术走向实际应用，由Jennyffer S?M Quimbayo、Velma Beri Kimbi Yaah、Sajad Ahmadi、Javier Fenandez-Catalá、Sergio Botelho de Oliveira和Satu Ojala组成的研究团队，在《Applied Surface Science Advances》上发表了题为“Using TiO₂ in photocatalytic reactors: VOCs, NOx, CO₂ removal and H₂ production”的综述文章。该综述旨在系统梳理过去几十年间TiO₂及其复合材料在气态污染物治理方面的研究进展，重点关注了常被忽视的TiO₂不同结构和形貌的影响，并详细评估了各类光反应器的技术成熟度，为未来的研究指明了方向。

为全面评估TiO₂基光催化技术在气态污染物处理领域的现状，研究人员主要采用了文献计量分析与系统性综述相结合的研究方法。通过对Scopus等数据库近20年相关文献的检索与分析，明确了该领域的研究热点和发展趋势。核心方法在于对大量已发表研究进行归纳、比较和批判性分析，重点考察了TiO₂的晶体结构（如锐钛矿、金红石、板钛矿）、微观形貌（零维、一维、二维纳米结构）与其光催化性能的构效关系。同时，系统梳理并分类了用于气固相光催化反应的各种反应器设计（如环形反应器、流化床、 monolithic反应器、微反应器等），并首次在此类综述中引入了技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL）评估体系，以量化不同反应器设计的实际应用潜力。

TiO₂结构与形貌

研究首先回顾了TiO₂的三种主要晶相：锐钛矿（Anatase）、金红石（Rutile）和板钛矿（Brookite），以及较少见的TiO₂(B)相。锐钛矿因其较强的氧化能力和高反应活性，在光催化中应用最广。形貌方面，文章系统总结了零维（OD，如纳米颗粒、量子点）、一维（1D，如纳米棒、纳米管、纳米带）和二维（2D，如纳米片）TiO₂材料的合成方法（如水热法、溶胶-凝胶法）及其特性。结论指出，不同形貌的TiO₂通过影响其比表面积、孔隙率、结晶度以及电荷传输路径，显著调控其表面反应性和光催化效率。例如，一维和二维结构通常有利于电荷分离和传输，从而提升性能。

提升TiO₂效率的策略

为克服TiO₂的固有缺陷，研究人员总结了多种改性策略。金属（如Fe、W、Mn）或非金属（如N、S、C）掺杂可以在TiO₂的能带结构中引入缺陷能级或改变其价带顶位置，从而缩小带隙，扩展光响应范围至可见光区。贵金属（如Pt、Ag）沉积则能作为电子陷阱，促进光生电荷分离。半导体耦合（如与WO₃、Bi₂O₃形成异质结）是另一种有效策略，能构建内建电场，驱动电荷定向分离。此外，还介绍了“黑色TiO₂”（通过氢化等方法引入Ti³⁺和氧空位，增强光吸收）以及碳材料（如活性炭、石墨烯）复合等策略。分析表明，每种策略都有其优势和局限性（如贵金属成本高、掺杂可能引入复合中心），需要在改性效果、稳定性、成本和环境影响之间取得平衡。

反应器设计

文章详细评述了用于气态污染物光催化降解的各种反应器设计。环形和多环形反应器结构简单，催化剂易于涂覆，但可能存在光照不均和传质限制。板式反应器提供了良好的光子利用效率。流化床反应器气固接触效率高，但催化剂可能磨损且光分布控制复杂。Monolithic反应器具有低压降和高比表面积的优点，但内部光照分布是挑战，可通过内部照明（如光纤）改善。波纹状反应器通过增加比表面积来提高效率。微反应器凭借其极高的比表面积和短扩散距离，展现了优异的传质和传光性能，但放大制备和成本是瓶颈。固定床反应器操作简单，但可能存在传质阻力。光催化膜反应器将反应与分离耦合，潜力巨大，但膜材料和运行维护成本较高。通过对这些反应器的技术成熟度（TRL）评估，文章指出大多数反应器仍处于实验室（TRL 3-4）或中试（TRL 5-6）阶段，距离成熟的工业应用（TRL 7-9）尚有距离，固定床和流化床反应器因其可放大性相对更具工业化前景。

TiO₂基光催化剂的气相应用

研究系统总结了TiO₂基材料在降解VOCs（如甲苯、甲醛、乙醛）、还原CO₂（生成CH₄、CO等燃料）、去除NO_x、灭活空气传播的细菌/病毒以及光催化分解水制H₂等方面的应用实例。数据显示，经过合理改性（如掺杂、复合）的TiO₂基催化剂对多种污染物在紫外光甚至可见光下都能取得较高的去除率（例如，某些改性催化剂对甲苯的降解率可达90%以上，CO₂还原产CH₄的速率可达数十μmol g^-1 h^-1）。然而，文章也指出，大多数研究是在单一污染物、理想化条件下进行的，对于实际环境中多种污染物共存、湿度变化等复杂条件下的性能评估以及降解中间产物的鉴定与控制方面的研究仍显不足。

本研究通过系统性的综述分析，得出以下核心结论：TiO₂基光催化技术在治理VOCs、NO_x、CO₂等气态污染物以及生产清洁能源H₂方面展现出巨大潜力。通过形貌调控、元素掺杂、构建异质结等策略，可以有效拓宽TiO₂的光响应范围并提升其量子效率。多种反应器设计各有优劣，但其技术成熟度普遍较低，亟待优化以实现均匀的光分布、高效的传质和催化剂利用。将光催化与其他技术（如吸附、高级氧化过程）耦合，是提升整体净化效率的未来方向。

该综述的重要意义在于，它不仅全面梳理了TiO₂基气态光催化的研究现状，更重要的是指出了当前研究存在的空白和未来面临的挑战，如改性策略的优化与平衡、复杂真实环境下的性能评估、反应器的放大设计、降解路径与副产物控制、催化剂长期稳定性以及光催化H₂生产中的安全存储问题。这项工作为研究人员和工程师开发下一代高效、稳定、可实际应用的空气净化与能源转化技术提供了宝贵的路线图和决策支持。最终，解决空气污染这一全球性挑战，需要材料科学、化学工程、光化学等多学科的紧密协作，以及从源头减少污染物排放的综合性措施。