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该综述聚焦光催化技术在治理水体污染（含抗生素、染料等污染物）与可持续制氢领域的双重应用，梳理双功能光催化剂（如复合材料、Z- scheme 架构等）的研究进展，探讨作用机制、表征技术及工业化挑战，展望其在 “废物 - 能源” 转化中的潜力。
光催化技术：应对环境与能源危机的双功能解决方案
研究背景与核心问题
全球水体污染与能源危机并存，水体中抗生素（如喹诺酮类）、农药、染料（如罗丹明 B）、重金属、微塑料等污染物因化学结构稳定难以降解，威胁生态与健康。与此同时，传统化石燃料导致的环境问题亟需清洁替代能源，氢气（H?）作为高能量密度的清洁能源备受关注，但当前 95% 的 H?依赖高能耗的蒸汽重整法生产。光催化技术通过吸收光能激发电子 - 空穴（e?-h?）对，同步实现污染物降解与 H?生成，成为兼具环保与能源转化价值的前沿方向。
光催化机制与关键过程
光催化降解的核心在于光生载流子的氧化还原作用：价带（VB）中的 h?可氧化水分子或氢氧根离子生成羟基自由基（?OH），非特异性氧化污染物；导带（CB）中的 e?则能还原电子受体以促进 H?析出。光催化剂的性能依赖于光吸收能力、载流子分离效率及表面反应活性，其作用机制涉及能带结构调控与界面电荷转移动力学。
光催化剂的分类与研究进展
- 复合材料与异质结构光催化剂
通过复合两种或多种半导体构建异质结（如 2D/2D ZnIn?S?/Ti?C?纳米片异质结），优化电荷分离效率并拓展光吸收范围。例如，ZnIn?S?/Ti?C?对孔雀石绿的降解速率常数达 0.0382 min?1，H?析出速率为 9172 μmol/g/h。
- 掺杂与敏化光催化剂
通过元素掺杂或光敏剂修饰调节能带结构，提升可见光响应能力与载流子利用率。
- Z- scheme、S- scheme 及双 Z- scheme 光催化剂
模拟自然光合作用的电子传递路径，构建高效载流子分离体系，保留强氧化还原能力的同时减少复合损耗。
表征技术与性能评估
先进表征手段是解析光催化剂性能的关键：
- 紫外 - 可见光谱（UV-Vis）：通过 Tauc 图（αhν?=A (hν-Eg)，n 为直接或间接跃迁参数）测定半导体的光学带隙（Eg）。
- 光致发光光谱（PL）：评估载流子复合效率，低发光强度通常对应高效分离。
- 液相色谱 - 质谱（LCMS）与气相色谱（GC）：分析污染物降解中间产物与 H?生成量，辅助反应路径解析。
- ** scavenger 实验 **：通过添加自由基捕获剂（如对苯醌捕获超氧自由基）明确主导氧化还原物种。
工业化挑战与未来方向
尽管实验室研究成果显著，光催化技术的规模化应用面临多重挑战：
- 材料优化：提升催化剂在复杂水质中的稳定性与选择性，降低光腐蚀效应。
- 经济可行性：开发低成本合成工艺（如溶液法、原位生长法），减少贵金属（如 Pt 助催化剂）用量。
- 工程化设计：优化反应器结构以增强光利用率与传质效率，设计适配不同应用场景（如工业废水处理、分布式制氢）的系统方案。
- 环境兼容性：评估催化剂纳米颗粒的生态毒性，避免二次污染。
结论与展望
双功能光催化技术为 “废水治理 - 氢能生产” 的协同目标提供了科学路径，二维材料（如 MXene、g-C?N?、还原氧化石墨烯 rGO）因其高比表面积与可调谐能带结构展现出突出潜力。未来研究需聚焦多学科交叉创新，通过原子级结构设计、表界面工程与智能系统集成，推动实验室成果向实际应用转化，为实现 “碳中和” 与水资源可持续管理提供关键技术支撑。
