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本文聚焦于（光）电催化材料在废水处理和资源回收领域的研究。详细阐述了电化学高级氧化工艺（EAOPs）中阳极氧化（AO）、电芬顿（EF）和光电催化（PEC）的基本原理、材料特性及应用，探讨了面临的挑战与未来发展方向，为相关研究提供参考。
（光）电催化材料在废水处理和资源回收中的最新进展
水是生命之源，但水资源短缺和污染问题日益严峻，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统废水处理方法对有毒和持久性污染物的处理能力有限，因此，先进氧化工艺（AOPs）应运而生。其中，电化学高级氧化工艺（EAOPs）因其高效、环保等优点，在废水处理和资源回收领域备受关注。本文将围绕 EAOPs 中（光）电催化材料的研究进展展开论述。
1. 基本原理
EAOPs 主要包括阳极氧化（AO）、电芬顿（EF）及相关过程和光电催化（PEC）。在 AO 过程中，污染物在阳极表面通过直接电子转移或间接氧化的方式被降解。间接氧化主要依靠水氧化生成的?OH 自由基，其反应过程与阳极材料的性质密切相关。例如，具有高 O2进化过电位的阳极材料，有利于?OH 的生成，从而提高污染物的氧化效率。
EF 过程则是通过在阴极原位生成 H2O2，并与 Fe2+发生芬顿反应产生?OH，进而氧化有机污染物。传统 EF 过程需要在酸性环境下进行，为解决这一问题，开发了异相 EF（HEF）等混合 EF 工艺，拓宽了 pH 适用范围，提高了催化剂的可回收性和重复利用率。
PEC 过程利用半导体材料作为电极，通过吸收光子产生电子 - 空穴对，进而引发氧化还原反应。半导体的能带结构决定了其光催化性能，如 TiO2、ZnO 等半导体在 PEC 中应用广泛。在 PEC 过程中，光生载流子的分离和迁移效率是影响其性能的关键因素。
此外，EAOPs 在降解污染物的同时，也需要关注毒性评估。虽然该工艺能有效降低废水毒性，但可能会产生有害的有机或无机副产物，因此，进行毒性评估对于确保处理后水质安全至关重要。
2. 阳极材料
阳极材料在 AO 中起着关键作用，其性能直接影响污染物的降解效率。常见的阳极材料可分为活性阳极和非活性阳极。RuO2、IrO2等属于活性阳极，其 O2进化电位较低，但对?OH 的生成能力较弱；PbO2、SnO2、硼掺杂金刚石（BDD）等属于非活性阳极，具有较高的 O2进化过电位，是高效的废水处理材料。
在实际应用中，研究人员致力于开发新型阳极材料或对现有材料进行改性。例如，通过在 DSA? 电极中引入其他半导体，可提高其?OH 的生成能力；制备 PbO2基复合材料，能增强其机械性能和催化性能。同时，对阳极材料的表征技术也在不断发展，光谱、显微镜、色谱和电化学方法等被广泛用于研究电极材料的表面结构、电化学界面等特性。
AO 已广泛应用于多种污染物的降解，如新兴污染物、染料、腐殖质等。当前的研究趋势是开发基于 SnO2、PbO2和 Ti4O7等的混合非活性阳极，以提高处理效率和降低成本。但在处理含 Cl?废水时，需注意避免产生有毒的 ClO3?和 ClO4?。
3. 阴极材料
阴极材料的性能对 EF 过程中 H2O2的生成效率至关重要。碳材料因其独特的结构和性质，如丰富的缺陷、高比表面积和良好的导电性，在 EF 中得到广泛应用。常见的碳材料包括碳毡、碳纤维、碳布、碳纳米管等，它们为电化学反应提供了大量的活性位点，促进了 H2O2的生成和 Fe3+的还原。
近年来，纳米结构材料如石墨烯基电极展现出了优异的 H2O2生成潜力。通过对石墨烯进行功能化修饰，可进一步提高其性能。例如，Wang 等制备的还原氧化石墨烯（rGO）接枝碳纤维电极，在 EF 处理化学污染物时，显著提高了 H2O2的产量，实现了污染物的高效去除。
此外，利用农业工业废弃物制备碳电极也是当前的研究热点。这些废弃物来源广泛、成本低廉，且具有一定的电化学活性。例如，Deng 等利用废木材衍生的生物炭阴极降解磺胺噻唑，取得了良好的效果。
4. 光电极材料
光电极材料是 PEC 系统的核心组成部分，其性能决定了系统对污染物的降解效率和量子效率。TiO2是目前应用最广泛的光电极材料之一，但为了更好地利用太阳能，研究人员致力于开发复合可见光活性光电极。
例如，Xu 等比较了 α - Fe2O3、BiVO4和 BiMoVO4三种光催化剂，发现 BiMoVO4性能最佳，并将其应用于太阳能光电化学 - 光芬顿（PEC - PEF）系统中，实现了对农药西玛津的高效降解。Li 等开发的 WO3光阳极与类过氧化物酶 BiOI 阴极组合的太阳能 PEC 系统，对 3 - 氯酚的降解率达到 91.3%。
在 PEC 应用中，光电极材料的选择和合成是研究的重点。通过优化材料的结构和组成，可提高其光吸收能力、电荷分离效率和稳定性，从而提升 PEC 系统的整体性能。
5. 实际废水处理应用
AO、EF 和 PEC 在实际废水处理中均有应用。AO 处理实际废水时，不同污染物的去除效率受废水成分影响。例如，处理含 TNT 的废水时，由于实际废水中有机物的存在，TNT 的降解速度比在水溶液中慢。处理含 PFAS 的废水时，Cl?的存在可促进 PFAS 的去除，但高含量的有机物会抑制其降解。
PEC 处理实际废水也取得了一定成果。如利用 TiO2/ 碳量子点（CQD）异质结光阳极处理膜生产废水，TOC 去除率可达 93%；C3N4 - BiVO4光阳极处理纺织废水，实现了总解毒和 55% 的 TOC 去除。
EF 在实际废水处理中应用广泛，处理不同类型废水时，其效率受多种因素影响。例如，处理含硫代硫酸盐的矿山废水时，Cl?的存在会降低 S2O32?的氧化速率；处理高浓度有机废水时，需考虑电极的抗污染性能。为提高 EF 处理实际废水的效率，研究人员开发了多种新型系统，如结合吸附和降解的系统，有效提高了染料的去除率。
6. 资源回收的新兴应用
在废水处理的新范式中，资源回收变得越来越重要。电化学技术在资源回收方面具有显著优势，可从废水中回收金属、营养物质和 H2等资源。
在营养物质回收方面，通过电化学沉淀、电氧化等方法可回收磷和氮。例如，Lai 等通过改进电化学沉淀系统，提高了磷的回收效率；Wang 等利用选择性电极材料从粪便废水中回收 NH4+，同时还能产生 H2或 H2O2。
金属回收方面，电化学方法可实现从废水中选择性提取和沉积金属。如 Wei 等设计的三腔室电化学反应器可回收酸性废水中的 As；Gao 等实现了 U 与其他离子的分离。
利用废水生产 H2是一种有前景的可再生能源策略，但目前还面临 H2纯度、电极污染和大规模系统评估等挑战。此外，通过电化学处理废水还可合成其他有价值的化学品，如乙酸、短链羧酸、Br2、有机聚合物等，为废水资源化利用开辟了新途径。
7. 材料交叉应用
AO、EF 和 PEC 虽原理不同，但存在材料交叉应用的情况。一些电极材料具有多功能性，可在多个过程中发挥作用。例如，BDD 既可用作 AO 的阳极，又可作为 EF 中 H2O2生成的阴极；TiO2不仅是 PEC 中常用的半导体，还在 EF 和 AO 中展现出一定的催化活性。碳纳米材料如 CNTs、石墨烯衍生物和 CQD 在 EF、AO 和 PEC 中均有应用，这些材料的交叉应用为开发更高效的电化学系统提供了新的思路。
8. 科学技术挑战与展望
在（光）电催化材料的研究中，仍面临诸多挑战。材料的长期稳定性和实际应用潜力研究较少，目前对材料稳定性和耐久性的评估缺乏标准协议。合成（光）电催化材料时，需遵循绿色化学原则，优化实验条件，降低成本。利用农业工业 / 城市废弃物或天然资源作为原料是未来的发展方向，但还需进一步研究高效、可持续的制备方法和稳定性测试。
人工智能（AI）在材料设计和发现方面具有巨大潜力，可加速新型（光）电催化材料的开发。开发快速筛选方法评估（光）电催化界面，结合 AI 资源，有助于加速材料发现和技术创新。在材料表征方面，需要发展原位电化学技术检测界面生成的主要氧化剂物种，同时开发更多检测其他相关氧化剂的方法。
在资源回收领域，EF 和 PEC 在资源回收方面的研究较少，需要加大科研投入，推动其实际应用。此外，设计合适且可扩展的（光）电化学反应器，结合多种氧化剂来源，利用实际废水进行材料评估，对于实现大规模废水处理和资源回收具有重要意义。
总之，EAOPs 在废水处理和资源回收领域具有广阔的应用前景，但仍需在材料研发、技术创新和反应器设计等方面不断努力，以应对当前面临的挑战，实现水资源的可持续利用。
