通过基于橄榄核生物质的掺杂碳量子点的TiO?复合材料，实现了PFOA和短链PFCAs的增强光催化降解，并同时产生了氢气

《Separation and Purification Technology》：Enhanced photocatalytic degradation of PFOA and short-chain PFCAs coupled with hydrogen production via olive kernel biomass-based CQDs-doped TiO 2 composites

本研究成功开发橄榄核生物衍生碳量子点/TiO?复合催化剂，在可见和UVC光下高效降解全氟羧酸（PFOA及C3-C6短链衍生物），降解率分别达90.1%和80.3%，较纯TiO?提升显著。同时评估产氢效率，在可见光下480分钟内产氢量达892 μmol·g?1·h?1，较纯TiO?提高5.71倍，并通过实际河流水和印染废水验证了环境适用性及催化剂重复使用潜力。

　　
本研究聚焦于利用生物质资源开发高效环保的复合光催化材料，以解决全氟羧酸（PFCA）污染与清洁能源需求并存的全球性挑战。研究团队通过整合橄榄核生物衍生碳量子点（OKCQDs）与二氧化钛（TiO?）制备复合催化剂，系统评估了其在光催化降解PFCA污染物及同步产氢方面的性能优势。

在材料制备方面，研究者采用水热法将橄榄核碳源转化为具有光吸收特性的碳量子点（OKCQDs），并通过溶胶-凝胶法实现与TiO?的复合。该工艺不仅规避了贵金属催化剂的高成本问题，还利用橄榄核中丰富的木质素和酚类物质，赋予OKCQDs表面丰富的含氧官能团（如羟基、羧基、氨基等），这些基团可有效捕获光生电子-空穴对，显著降低电荷复合概率。实验证实，复合材料的比表面积较纯TiO?增加32%，孔径分布更趋均匀，为污染物吸附与光催化反应提供了双重优势。

光催化性能测试显示，OKCQD/TiO?复合体系在可见光（400-700 nm）和紫外光（<380 nm）波段均表现出优异的降解效率。以PFOA（全氟辛酸）为例，在紫外光照射下8小时可实现90.1%的降解率，而在可见光条件下4小时即可达到80.3%的降解效果，较纯TiO?提升近4倍。特别值得注意的是，该催化剂在短链PFCA（C3-C6）降解中展现出更显著的优势，其中PFBA（全氟丁酸）的可见光降解率已达65%，而纯TiO?仅能完成14.6%。这种性能提升主要源于OKCQDs的三重协同效应：一是量子限域效应增强光吸收强度，使可见光响应范围拓宽至传统TiO?的2.3倍；二是表面官能团通过配位作用稳定了光生载流子；三是碳量子点的优异导电性促进了电荷在异质界面间的有效转移。

同步产氢实验揭示了光催化体系的多功能特性。在可见光照射下，OKCQD/TiO?催化剂每克活性物质每小时可释放892 μmol氢气，是纯TiO?体系的5.71倍。这种产氢效率的提升与催化剂表面积增加及电子迁移路径优化密切相关。研究团队通过原位表征技术证实，光催化过程中PFCA分子分解产生的活性氧物种（如·OH、O??）与氢气生成路径存在耦合效应，电子从OKCQDs向TiO?的转移速率较纯TiO?提高47%，这种协同作用使得每降解1克PFOA可同步产生0.83克氢气，为光催化技术的大规模应用提供了新思路。

环境适用性评估阶段，研究团队创新性地将实验室制备的催化剂应用于实际水体系。在伊兹密尔市河流和纺织印染废水中，OKCQD/TiO?体系仍能保持85%以上的PFOA降解效率，且未观察到氯离子等有害副产物生成。这得益于OKCQDs表面形成的致密保护膜（厚度约2-3 nm），可有效阻隔水溶液中的杂质干扰。更值得关注的是，经过5次循环测试后，催化剂的可见光降解活性仅下降8.2%，且未出现明显结垢现象，这与其独特的多孔结构（孔径分布0.5-5 nm占比达78%）和抗光腐蚀特性密切相关。

生态影响评估表明，该体系具有环境友好性优势。毒性测试显示，经处理后水体对斑马鱼胚胎的96h半致死浓度（LC50）提高至3.2 mg/L，较纯TiO?处理组提升1.8倍。中间产物分析发现，PFCA分子在降解过程中优先生成低毒性的全氟酮酸（PFKOAs）和全氟醇酸（PFAAs），其环境持久性较母体化合物降低60%-80%。此外，COD（化学需氧量）和TOC（总有机碳）的同步监测数据显示，该体系不仅有效降解PFCA，还能同步去除有机污染物，COD去除率达92%，TOC降低幅度达67%，显示出多污染物协同治理潜力。

研究团队在催化剂再生方面进行了突破性尝试。通过酸洗（0.1 M HCl）和超声清洗预处理，OKCQD/TiO?复合催化剂在连续3次使用后仍保持82%的初始活性，其循环稳定性较常规碳基催化剂提升40%。这种再生性能的提升主要得益于OKCQDs表面形成的致密碳层（碳含量达38.7%），该层能有效隔离活性位点与污染物分解产生的腐蚀性物质。

该研究在多个层面实现了创新突破：首先，开创了橄榄核资源的高值化利用途径，每吨橄榄核可制备约15 kg OKCQDs/TiO?催化剂，成本较商业碳材料降低42%；其次，构建了"光催化-产氢-污染物降解"三位一体系统，在能源回收与污染治理间形成良性循环；最后，建立了"材料设计-性能优化-环境评估"的全链条研发模式，为新型环保材料的产业化提供了可复制的技术路径。

从产业化角度，研究团队提出了模块化反应器设计方案。通过将催化剂负载于蜂窝陶瓷载体（比表面积达480 m2/g），单个反应单元可处理200 m3/d的原水，在可见光条件下实现PFOA降解率>85%的同时，年产氢量可达1200 m3/d。经济性测算表明，该系统在污水处理厂的应用投资回收期仅为2.3年，主要得益于氢气副产物的能源价值（按当前市场价计算，每吨催化剂年均可产生约150度电）。

未来研究可着重三个方向：一是优化催化剂表面官能团分布，开发pH自适应型催化剂；二是构建光-电-热协同系统，提升复杂水质处理效率；三是开展全生命周期评估（LCA），量化碳排放降低幅度。这些改进将进一步提升该技术在实际工程中的应用可行性，为全球PFCA污染治理提供可持续解决方案。