综述：光电催化转化废水为高值化学品与能源

（推荐语）本综述系统阐述了光电催化（PEC）技术将废水转化为高值化学品（H2O2、NH3等）与能源（H2、电能）的前沿进展，突破传统废水净化局限，提出"污染物-资源"协同转化新范式，为环境-能源-资源耦合（water-energy-environment nexus）提供创新解决方案。

　　

光电催化转化废水为高值化学品与能源

Abstract
废水作为潜在资源库，其资源化转化对解决环境与能源危机意义重大。太阳能驱动的光电催化（PEC）技术因能利用光能驱动化学转化而备受关注。传统研究多聚焦废水净化与水分解，却忽视了其在化学品（精细产物、氨、过氧化氢、金属资源）提取与能源（氢能、电能）回收方面的潜力。本综述全面评述了PEC耦合系统在废水处理与资源转化中的多功能应用，为太阳能-废水-能源协同管理提供新思路。

Introduction
全球废水年产量已达3800亿立方米，预计205年将达5740亿m³。传统处理工艺能耗惊人——美国污水处理耗电占全国总量的3-4%，约110 TWh/年。令人振奋的是，废水中蕴含的化学能（6.3 kJ/L）理论上可满足全球4%的电力需求，某些废水能量密度甚至高达16.8 kJ/L。

PEC技术通过半导体光阳极实现污染物氧化，兼具光催化与电催化优势。其独特之处在于：

1. 电位可调性使阴阳极形成配对催化反应
2. 可协同处理复杂污染物并定向转化为资源
3. 太阳能驱动实现环境友好型转化

Evaluation of valuable resources from wastewater
废水中资源主要分为四类：

1. 生物质资源：甘油、苯甲醇等可转化为精细化学品
2. 传统有机污染物：酚类、抗生素等可通过选择性氧化生成高附加值产物
3. 含氮化合物：硝酸盐/亚硝酸盐可还原为NH₃，尿素可转化为H₂
4. 重金属：Cr(Ⅵ)、U(Ⅵ)等可通过还原反应回收金属单质

PEC wastewater treatment system
典型PEC系统包含三大模块：

1. 光阳极：TiO₂、BiVO₄等半导体材料，通过h⁺氧化污染物
2. 阴极：Pt、Cu等催化H₂析出或H₂O₂生成
3. 反应机制：
   • 直接氧化：空穴直接攻击污染物分子
   • 间接氧化：通过·OH等活性氧物种实现

PEC conversion for wastewater to high-value chemicals and energy
生物质转化
甘油在BiVO₄/CuO光阳极上可选择性氧化为二羟基丙酮（法拉第效率达90%），同时阴极产H₂速率达4.2 μmol/cm²·h。

有机污染物升级
苯酚在TiO₂纳米管阵列上可转化为对苯二酚，产物选择性超过80%。

氮循环
硝酸盐在Cu修饰TiO₂阴极上还原为NH₃的产率可达0.12 μg/cm²·min，法拉第效率为75%。

重金属回收
Cr(Ⅵ)在ZnIn₂S₄光阴极上还原为Cr(Ⅲ)的去除率达98%，同步产H₂速率达1.8 mL/h。

Conclusions and Future Perspective
当前挑战包括：

1. 复杂废水体系的选择性调控
2. 光电极稳定性提升
3. 系统能效优化
   未来发展方向应聚焦：

• 开发宽光谱响应材料
• 设计膜集成PEC系统
• 建立经济性评估模型

该技术有望推动污水处理从"能源消耗型"向"能源生产型"转变，实现环境效益与资源价值的双重提升。