综述：光催化在可持续能源与环境保护中的应用：先进表面工程策略与新兴合成方法综述

这篇综述系统总结了光催化技术（Photocatalysis）在清洁能源生产（如H2 生成、CO2 还原）和污染物降解中的最新进展，重点探讨了表面功能化策略（如铁电界面、水凝胶复合结构、缺陷工程）和新兴合成方法（如绿色生物合成、微流控技术）。文章深入分析了光催化实际应用的三大瓶颈（传质限制、催化剂失活、有毒中间体），并提出了跨学科集成和机器学习驱动的解决方案，为光催化从实验室走向工业化提供了系统性框架。

　　

光催化技术：反应机制与应用前景

光催化利用太阳能驱动氧化还原反应，模拟自然光合作用，可同时实现清洁燃料生产和污染物降解。如图1所示，光催化剂吸收光子（hν ≥ E_g
）后，价带（VB）电子跃迁至导带（CB），形成电子-空穴对（e^-
/h⁺
）。这些载流子可生成活性氧物种（如·OH、O₂
^•-
），高效降解有机污染物或驱动能源转化反应。该技术在废水处理、空气净化（如NO_x
去除）、重金属离子还原以及水分解制氢等领域展现出广阔前景。

影响光催化效率的关键因素

能带结构与光学特性
半导体的带隙宽度（E_g
）决定了光吸收范围与载流子能量的平衡。窄带隙材料（如CdS 2.4 eV）可吸收可见光，但易发生e^-
/h⁺
复合；宽带隙材料（如TiO₂
3.2 eV）虽具有强氧化能力，仅能利用占太阳光谱5%的紫外光。通过掺杂或缺陷工程引入中间能级可优化这一矛盾，例如氧空位（OVs）能将TiO₂
光响应拓展至可见光区。

环境参数调控
温度升高（50°C最佳）可加速反应动力学，但超过700°C会导致催化剂结构坍塌。溶液pH通过改变催化剂表面电荷状态影响污染物吸附——酸性条件下TiO₂
（pH_ZC
≈7.1）表面对阴离子染料吸附增强，降解效率提升。气相反应中，20%相对湿度（RH）可提供足量·OH生成位点，而过高湿度会竞争活性位点。

表面工程策略的创新突破

铁电界面工程
BaTiO₃
/TiO₂
核壳结构利用铁电自发极化场，使载流子向相反极性区域分离，产氢速率提升2倍。理论计算显示，二维C₂
N/α-In₂
Se₃
异质结在极化反转时可转变为S型异质结，带隙从0.63 eV降至0.56 eV，显著提升可见光吸收。

水凝胶复合体系
将g-C₃
N₄
嵌入羧甲基纤维素（CMC）-海藻酸盐水凝胶网络，不仅解决了纳米颗粒回收难题，其多孔结构还使染料降解率保持在80%以上（5次循环）。BiVO₄
/石墨烯水凝胶通过三维导电网络加速电子传输，对四环素的降解效率达91%。

缺陷协同调控
钨空位与OVs共存的Bi₂
WO₆
使电荷转移电阻降低，带隙缩窄。相邻Ti空位与OVs作为配对活性位点，将CO₂
选择性转化为CH₄
的效率提升80倍。

工业化挑战与解决方案

传质强化技术
微米马达通过光驱动自主运动产生局部对流，打破边界层限制；3D打印的rGO@ZnO/地质聚合物光催化剂具有定制化流道结构，传质效率较粉末催化剂提升3倍。

催化剂失活对策
CdS@g-C₃
N₄
核壳结构通过界面空穴提取抑制光腐蚀；单原子Co锚定在硫掺杂g-C₃
N₄
上（Co–CN@G），通过Co-N/S配位稳定活性中心，连续运行24小时无失活。

有毒中间体控制
氟掺杂BiVO₄
通过表面电荷重排，将草甘膦降解路径导向C-N键断裂，使有毒代谢物AMPA产率降至10%以下。BaCO₃
/C₃
N₅
复合材料可调控NO氧化路径，抑制NO₂
生成。

新兴合成方法的革命性突破

等离子体辅助电解能在10分钟内制备N掺杂TiO₂
（12-24 nm），比传统水热法快60倍；原子层沉积（ALD）可在MOF骨架上精准沉积1.7 nm的Cu_x
O团簇，避免液相法的团聚问题。3D打印的SrNbO₂
N光催化剂具有毫米级有序孔道，光吸收效率提升40%。

未来展望

机器学习将加速高性能催化剂的设计，如通过算法预测双空位缺陷的最佳构型。光催化-电催化耦合系统有望突破单一过程的效率极限。规模化生产需结合绿色工艺（如机械化学法）与智能反应器设计，最终实现"人工光合作用"的工业化应用。