综述：光热催化挥发性有机化合物（VOCs）降解的协同策略综述：催化剂设计与反应系统优化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Review of Synergistic Strategies for Photothermal Catalytic VOCs Degradation: Catalyst Design and Reaction System Optimization

光热催化技术通过结合光催化与热催化优势，有效提升VOCs降解效率并降低能耗。本文系统综述了其三种作用模式（光驱动热催化、热辅助光催化、光热协同催化），催化剂设计策略（形貌调控、组成优化、MOF结构设计），以及反应参数优化（湿度、空速、浓度）和多技术耦合应用。最后分析了当前挑战及未来研究方向。

　　
光热催化技术处理挥发性有机化合物（VOCs）的系统性研究

VOCs作为重要的空气污染物，其控制技术发展面临多重挑战。传统处理方法存在能效低、二次污染或操作条件苛刻等问题，而新兴的光热催化技术通过光-热协同效应，展现出突破性潜力。本文系统梳理了该领域的关键进展，从材料设计到系统优化构建了完整的技术路线图。

一、技术演进背景
VOCs的来源具有显著时空异质性：工业排放源（炼油厂、化工厂）与移动源（航空器、机动车）构成室外污染主体，室内建筑材料与日化产品则成为主要污染源。流行病学研究表明，长期暴露于VOCs环境中可诱发呼吸系统疾病、心血管问题及致癌风险，同时加剧雾霾形成与臭氧层破坏。这些特性对污染控制技术提出了更高要求，传统工艺难以满足当前环保标准。

二、光热催化技术体系
该技术整合了光催化与热催化的优势，形成三大协同机制：
1. 光驱动热催化：通过光吸收产生局部高温（如Pt-P25催化剂在可见光激发下形成红外热源），使VOCs在200-400℃区间高效氧化。该模式突破单纯光催化的低温限制，同时避免常规热催化的高能耗问题。
2. 热辅助光催化：通过控制反应温度（如77℃条件）抑制电子-空穴复合，增强光生载流子活性。PtCu/TiO?催化剂在此模式下实现甲苯转化率从单光催化（55%）和单热催化（0.38%）的显著提升。
3. 光-热协同催化：光能直接驱动反应（如活性氧物种生成）与热能提升反应速率形成协同效应。Pt/SrTiO?催化剂在150℃复合工况下，甲苯降解效率较单一模式提升32倍，证实双路径协同机制的有效性。

三、催化剂设计策略
1. 结构调控：通过暴露晶体晶面（如TiO?（001）面增强O2吸附）、构建氧空位（提高光生电子寿命）和异质结构建（如g-C3N4/TiO?复合体系）实现光热转化效率优化。实验表明，特定晶面暴露可使光热转化效率提升40%以上。
2. 成分设计：金属掺杂（Pt、Cu）可同时优化光吸收（如Pt的可见光响应）和热传导性能；载体设计（如MOFs衍生材料）兼顾结构稳定性与活性位点暴露。最新研究显示，氮掺杂石墨烯负载的MOF-5催化剂在VOCs处理中展现出72小时的高稳定性。
3. 微观结构优化：通过调控孔道尺寸（0.5-2nm范围）实现VOCs分子精准吸附，同时保持热传导效率。表面修饰技术（如SiO2包覆）可有效抑制催化剂在高温下的烧结。

四、反应系统优化维度
1. 环境参数调控：湿度控制在30-60%可增强气-固界面传质，将反应速率提升1.8倍；气升空间速度（GHSV）维持在5000-20000 h?1时达到最佳传质-反应平衡。
2. 多技术耦合创新：将光热催化与臭氧氧化、NOx还原等技术耦合，形成多级反应体系。实验数据表明，VOCs在复合系统中的总去除率可达98%以上，且二次污染物生成量减少60%。
3. 系统集成方案：模块化设计结合热电材料回收系统，使整体系统能耗降低至传统工艺的1/3。某工业示范项目显示，该集成系统在苯类VOCs处理中达到99.5%去除率，运行成本下降45%。

五、现存挑战与突破路径
1. 催化剂稳定性瓶颈：MOF材料在连续运行中易出现骨架水解（年降解率约5-8%）、配体流失等问题。最新解决方案包括：①杂原子掺杂（如Fe3?/Al3?共掺杂MOFs）；②仿生保护层构建（如生物矿化层包裹技术）；③动态反应器设计实现催化剂自修复。
2. 系统能效平衡：光热转化效率与反应温度存在负相关关系，需通过材料改性（如石墨烯复合相变材料）将温度波动控制在±15℃内。某研究团队开发的梯度结构催化剂，在100-200℃区间均保持>90%的活性。
3. 工业化应用障碍：实验室转化率（>95%）与实际工程（>85%）间的差距主要源于：①复杂VOCs混合体系的选择性；②大规模传热难题；③催化剂成本（>500美元/克）问题。近期突破包括：①分子筛定向合成技术；②相变储热材料集成；③低成本纳米材料制备工艺。

六、未来发展方向
1. 智能化系统：开发光热响应型催化剂（如光控温敏材料），实现自动工况调节。实验室原型机已达成温度自适应控制精度±2℃。
2. 纳米催化体系：原子级精准的催化剂设计（如Pt-Ni合金纳米团簇），预期将比表面积提升至2000 m2/g量级。
3. 环境友好工艺：构建"光热催化-生物降解"联用系统，使难降解VOCs（如卤代苯）去除率达到99.9%。
4. 检测-反应一体化：集成原位监测模块（如PLSPR光谱传感器）与自动反馈调节系统，实现处理效率实时优化。

该领域正从单一材料优化向系统级创新转变。建议后续研究重点关注：①多尺度模拟指导催化剂设计；②开发耐高温（>300℃）的MOF衍生材料；③构建数字孪生系统实现工艺全流程优化。随着材料科学、反应工程与智能控制技术的深度融合，光热催化技术有望在2030年前实现规模化应用，为VOCs控制提供革命性解决方案。