内陆水体有机污染物光催化转化及碳排放与固氮修复策略研究

为解决内陆水体有机污染物降解、碳排放控制及氮素固定等环境问题，研究人员系统研究了光催化技术在内陆水体环境修复中的应用。通过综述不同类型光催化剂（如TiO2 、g-C3 N4 、MOFs等）的作用机制与性能优化策略，揭示了光催化在CO2 还原（生成CH4 、CH3 OH等）和N2 固定（生成NH3 ）方面的巨大潜力，为内陆水体生态修复提供了创新解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，内陆水体正面临前所未有的环境挑战。这些仅占地球水资源不足1%的生态系统，却承担着维持生物多样性、调节气候等重要功能。令人担忧的是，城市化与工业化导致的水体污染日益严重，84%的内陆水体已成为CO₂
净排放源，85%贡献了N₂
O排放。更触目惊心的是，1970-2018年间淡水物种数量锐减83%，鲟鱼等物种濒临灭绝。传统治理方法难以应对这些复杂问题，亟需开发创新解决方案。

在此背景下，研究人员在《Materials Today Catalysis》发表重要综述，系统探讨了光催化技术在内陆水体环境修复中的应用潜力。研究整合了污染物降解、CO₂
减排和N₂
固定三大功能，提出了一种"人工光合作用"的协同治理策略。通过分析200余项研究案例，揭示了半导体光催化剂在转化有机污染物为无害产物、将CO₂
还原为CH₄
等燃料、以及将N₂
固定为NH₃
等方面的独特优势。

研究采用多种关键技术方法：通过溶胶-凝胶法、水热法等制备异质结光催化剂；利用紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)测定光吸收性能；采用电化学阻抗谱(EIS)分析电荷转移效率；通过气相色谱(GC)定量检测CO₂
还原和N₂
固定产物；结合密度泛函理论(DFT)计算阐明活性位点作用机制。

研究结果可分为几个重要方面：

1. 光催化剂分类与性能
   系统总结了金属氧化物(TiO₂
   、ZnO)、金属硫化物(ZnS、Bi₂
   S₃
   )、过渡金属硫族化合物(MoS₂
   )、金属卤化物(CsPbBr₃
   QDs)和金属有机框架(MOFs)等催化材料的特性。特别指出TiO₂
   -BiOBr-海泡石复合物在可见光下对土霉素的降解效率显著提升，归因于氧空位促进的电荷分离。

2. CO₂
   光催化还原机制
   详细阐述了光生电子将CO₂
   逐步还原为HCOOH、CO、CH₃
   OH等产物的多电子转移过程。研究发现3D MXene/GO/PDI气凝胶通过Z型异质结设计，甲基甲酸酯产率提升8倍；而ZnTCPP-1经N₂
   等离子体处理引入氮空位后，CO产率提高2.7倍。

3. N₂
   光催化固定途径
   比较了氮分子活化的解离机制和联合机制(包括远端和交替路径)。实验证明，Pt/O-NaNbO₃
   因氧空位和Pt纳米颗粒协同作用，NH₃
   产率达293.3 μmol/L g^-1
   h^-1
   ，较原始材料提高20倍；而Cu-Bi₂₄
   O₃₁
   Br₁₀
   通过构建Cu-O-Bi界面，NH₃
   产率高达291.1 μmol g^-1
   h^-1
   。

4. 环境影响因素
   分析了气候变化(温度、光照强度变化)、人类活动(工农业污染输入)和碳运输过程对光催化效率的影响。指出水体流动性和沉积作用会显著影响碳的归趋，光催化转化可以调节碳排放、运输和沉积之间的平衡。

研究结论强调，光催化技术为内陆水体治理提供了革命性的解决方案。通过合理设计异质结结构(如S型、Z型)、引入空位缺陷(氧空位、氮空位)和构建原子级活性位点，可显著提升光催化剂的性能。特别值得注意的是，将CO₂
还原与N₂
固定耦合的光催化系统，不仅能减少温室气体排放，还能生产有价值的化学品和燃料，实现"污染治理-资源回收"的双重目标。

讨论部分指出，未来研究应重点关注三个方向：开发全光谱响应光催化剂以提高太阳能利用率；优化规模化制备工艺降低成本；加强理论计算指导催化剂设计。这项研究为发展可持续的水环境修复技术提供了重要理论基础和技术路线，对实现碳中和目标具有重大战略意义。