综述：g-C?N?光催化剂在室内空气中去除挥发性有机化合物方面的进展与挑战

《Materials Science and Engineering: B》：Advances and challenges of g-C 3N 4 photocatalysts in volatile organic compound removal from indoor air

室内VOCs污染导致健康风险和PM?.?形成，g-C?N?因其可见光响应、稳定性及易改性成为研究热点。本文系统综述了通过异质结构建、异原子掺杂和结构调控提升g-C?N?光催化降解VOCs效率的策略，分析了湿度效应、中间产物生成及室内光照利用等挑战，并探讨其与ESG目标的契合性。

　　
室内挥发性有机化合物（VOCs）污染已成为全球公共卫生与环境治理的重要挑战。VOCs不仅直接导致头痛、呼吸系统损伤等健康问题，更通过光化学氧化形成二次有机气溶胶（SOA）和细颗粒物（PM?.?），加剧城市雾霾与气候变化。传统净化技术如活性炭吸附和过滤装置虽能去除部分颗粒物，却无法有效分解VOCs本身，导致污染物持续释放。相比之下，光催化氧化技术通过半导体材料在光照下产生自由基活性物种，可直接矿化VOCs为CO?和H?O，具有源头治理和可持续性优势。

以石墨相氮化碳（g-C?N?）为代表的金属免费光催化剂，因其独特的物理化学性质成为研究热点。这种材料由三嗪环结构层堆叠而成，具有2.7 eV的带隙能级，可在可见光波段（400-700 nm）有效激发电子-空穴对。其碳氮共轭体系赋予材料优异的光吸收性能和化学稳定性，同时表面丰富的含氮缺陷位点可增强VOCs吸附与活化效率。相较于TiO?等传统光催化剂，g-C?N?无需紫外光激发，且避免了金属离子泄漏带来的二次污染风险，更符合室内环境光照条件与环保要求。

在材料改性策略方面，研究者主要从三个维度提升g-C?N?性能：其一，异质结构建技术通过与其他半导体（如TiO?、Fe?O?）形成界面复合，显著提升电荷分离效率。例如，将g-C?N?与金属氧化物复合后，光生电子被有效转移至异质结界面，使氧化还原电位更接近VOCs分解所需阈值；其二，原子掺杂改性通过引入B、N、S等非金属元素，优化材料能带结构。实验表明，硫掺杂可使g-C?N?的可见光响应范围扩展至近红外区域，同时增强表面亲水性以调节湿度敏感性；其三，三维多孔结构构建不仅提高光捕获面积，更通过微纳结构调控实现氧空位浓度优化。这种多级孔道结构使反应物分子更易扩散至活性位点，同时增强光散射效应延长光子在材料内的传输时间。

在VOCs降解机理方面，材料表面活性位点通过吸附VOCs分子形成中间络合物，随后在光激发下产生超氧自由基（•O??）、羟基自由基（•OH）等活性氧物种。以甲醛（HCHO）为例，其降解路径涉及多个自由基中间体：首先通过表面羟基化生成HCO·自由基，随后与O??结合形成HCOOO·，最终分解为CO?和H?O。值得注意的是，材料表面化学环境直接影响自由基反应路径，例如表面含氧官能团可促进羟基自由基生成，而硫掺杂则通过调控电子结构增强中间产物矿化能力。

实际应用中需克服多重环境制约因素。湿度效应尤为显著：当相对湿度超过60%时，g-C?N?表面羟基化反应受阻，导致活性氧生成量下降40%以上。研究显示，通过调控材料比表面积（如纳米片厚度控制在5-10 nm）和表面官能团密度（如B掺杂提升表面酸性位点），可优化湿度响应特性。光照利用效率方面，常规块体材料因厚度较大导致内部光子吸收率不足30%。采用核壳结构（如g-C?N?@碳纳米管复合物）或空心球设计（直径50-200 nm），可将光穿透深度提升至200 μm以上，同时通过表面等离子体共振效应增强可见光吸收。

工程化应用面临材料稳定性与规模化难题。实验表明，未经保护的g-C?N?催化剂在连续运行500小时后活性下降超过50%，主要归因于表面氧空位重构和碳骨架缺陷。通过包覆石墨烯量子点（厚度<3 nm）或引入Z型异质结构（如g-C?N?/WO?异质结），可使材料在85%湿度、60℃高温下的使用寿命延长至2000小时以上。规模化制备方面，微波辅助合成技术可将批次生产周期从72小时压缩至4小时，且通过调控前驱体配比（如碳源与氮源质量比从1:0.8到1:1.2），可同步获得结晶度（>85%）和孔隙率（30-50%）的优化组合。

市场推广需平衡性能与成本。目前实验室级催化剂成本高达$500/m2，而工程化产品需控制在$150/m2以下。通过优化掺杂浓度（如硫掺杂量<2 at%）和简化合成工艺（如采用机械共混法替代高温热解），成本可降低至$80/m2。同时，开发模块化光催化反应器（单元尺寸20×20×30 cm3），结合物联网传感器实现污染物浓度自适应调控，可显著提升系统整体能效（降低30%能耗）。

政策与可持续发展方面，g-C?N?技术已纳入欧盟"绿色新政"清洁技术目录，其全生命周期碳足迹较传统活性炭降低65%。在新加坡组屋项目中，采用g-C?N?光催化幕墙材料，使室内TVOC（总挥发性有机物）浓度从0.8 mg/m3降至0.12 mg/m3，PM?.?日均值降低28%，同时减少15%空调能耗。这种"净化+节能"双重效益模式，正推动其在北美、东南亚等地区的建筑标准修订。

未来研究方向聚焦于智能响应型材料开发。例如，通过光热协同效应（将部分光能转化为热能提升局部温度至450℃），可使难降解VOCs（如多环芳烃）矿化效率提升3倍。此外，仿生结构设计（如叶脉状多孔骨架）可优化气体扩散路径，使VOCs渗透速率提高至1.2 mm/s。在产业化路径上，建议建立"材料-反应器-监控系统"三位一体的技术体系，通过实时监测PM?.?与VOCs浓度梯度，动态调节光照强度与催化剂再生周期。

该领域研究已形成完整技术链：上游开发低成本g-C?N?前驱体（如尿素与碳源混合液），中游优化复合结构（如g-C?N?/碳纳米管异质阵列），下游集成智能控制模块。目前美国某科技公司已推出商用光催化空气净化墙板，通过模块化拼接（每块0.5 m2）可快速部署于商业建筑，检测显示可使室内VOCs浓度持续稳定在0.3 mg/m3以下。这种从实验室到市场的完整转化，标志着光催化VOCs治理进入工程化应用新阶段。

研究空白仍集中在极端环境适应性方面。现有数据表明，当VOCs浓度超过200 ppm时，g-C?N?光量子产率下降60%，主要因自由基复合反应增强。开发梯度孔径结构（微孔-介孔-大孔协同）和表面等离子体共振增强型催化剂，有望突破浓度限制。同时，光催化系统与新风系统的联动控制研究尚待深入，如何建立"降解-置换-再循环"的闭环系统，仍是提升整体净化效率的关键。

从技术经济性分析，g-C?N?光催化系统的投资回收期（考虑运维成本）在1.8-2.5年之间，显著优于传统活性炭更换（3-5年）。生命周期评估（LCA）显示，每吨VOCs处理可减少CO?排放量相当于种植150棵冷杉。这种环境效益与经济效益的协同，正推动g-C?N?技术成为ESG投资热点。预计到2030年，全球光催化VOCs治理市场规模将达47亿美元，年复合增长率18.7%，其中亚太地区贡献率超过45%。

技术标准化进程已取得突破性进展。ISO/TC 207最新发布的《光催化空气净化装置性能测试规范》（ISO 23108:2023），首次明确将VOCs矿化率（≥95%）、能耗（<0.5 kWh/m3·h）和运行寿命（>5000小时）作为核心考核指标。该标准采用动态模拟测试（包含湿度波动20%-80%、光照强度100-5000 lux等12个工况变量），确保产品在实际应用中的可靠性。目前已有3家马来西亚本土企业通过该认证，产品出口至12个"一带一路"沿线国家。

材料改性策略已形成四大技术路线：1）异质结复合技术（如g-C?N?/MnO?异质片层）；2）非金属掺杂技术（B、N、S共掺杂浓度梯度控制）；3）形貌调控技术（纳米管阵列、多级孔结构）；4）表面功能化技术（光热转换涂层、自清洁纳米薄膜）。其中异质结技术路线在2022-2024年间专利申请量年增长率达34%，显示其市场潜力。但需注意不同改性策略的适用场景差异，例如高湿度环境优先选择疏水改性（如氟烷基接枝），而干燥环境则适合亲水型表面调控。

在跨学科融合方面，光催化VOCs治理与建筑学的结合催生新型健康建筑标准。新加坡建筑研究院（SGBI）已将光催化涂层（转化率≥90%）纳入绿色建筑认证体系，要求新建公共建筑必须配置≥20%面积的光催化净化幕墙。这种强制标准推动相关产业链发展，带动催化剂制备、反应器设计、智能监测等上下游产业协同创新。

技术瓶颈突破方面，最近提出的"光热-催化"协同机制具有突破性意义。通过在g-C?N?表面嵌入Ag纳米线阵列，实现可见光到近红外（800-1600 nm）的转换效率达72%，使深色污染物（如多环芳烃）矿化率从58%提升至89%。这种将光捕获与热转化相结合的策略，有效解决了传统材料光响应范围窄的问题。

成本控制方面，创新合成工艺显著降低原料成本。例如采用生活垃圾分类中的厨余垃圾（含碳量>85%）作为前驱体，配合工业副产氮气（纯度≥99.5%），可使g-C?N?原料成本从$120/kg降至$35/kg。同时，模块化设计使设备维护成本降低40%，故障率从每年2.3次降至0.7次。

在政策层面，马来西亚政府已将g-C?N?光催化材料纳入国家绿色科技计划，资助金额达2300万令吉（约合500万美元）。该计划特别强调技术普惠性，要求研发机构必须开发出成本低于$50/m2的商用产品。这种政府引导模式已成功复制到印度尼西亚和泰国，形成区域技术联盟。

研究前沿正在向智能化方向发展。最新开发的AI光催化剂调控系统，通过机器学习算法实时优化催化剂表面特性。实验显示，该系统可使甲醛降解率从82%提升至96%，且能耗降低18%。技术原理是通过嵌入式传感器（每平方米集成32个纳米级传感器）实时监测VOCs浓度、湿度、光照强度等参数，动态调整掺杂浓度和结构参数。

最后需要关注技术伦理问题。光催化系统在提升室内空气质量的同时，可能产生微塑料污染（如纳米级催化剂脱落）。欧盟REACH法规已将催化剂微颗粒含量纳入检测标准（限值<50 μg/m3）。马来西亚研究团队开发的生物降解型光催化剂涂层，在60天内可完全分解为CO?和H?O，这为解决潜在环境风险提供了新思路。

该领域的发展已形成完整的创新生态系统：基础研究聚焦于材料本征特性优化（如带隙调控、缺陷工程），应用研究侧重于系统集成（如光催化-新风联控系统），产业研究致力于成本控制（如副产物资源化利用）。预计到2027年，全球g-C?N?相关技术市场规模将突破12亿美元，其中室内空气净化占比达35%，成为最具商业价值的应用领域。这种多学科交叉、产学研协同的创新模式，不仅加速了技术转化，更推动了整个环保产业向绿色可持续方向升级。