综述：工程化TiO2光催化剂在废水处理中增强可见光活性的研究

这篇综述系统探讨了TiO2光催化剂在废水处理中的改性策略，重点分析了金属/非金属掺杂、染料敏化、碳基材料复合和异质结构建（如BiVO4/TiO2、Z型/S型异质结）对可见光吸收和电荷分离效率的提升机制，为开发高效环境修复技术提供了理论依据。

　　

工程化TiO₂光催化剂在废水处理中的应用

引言

随着水资源短缺和污染加剧，传统水处理方法因效率低、易产生副产物等局限性，促使高级氧化工艺（AOPs）尤其是半导体光催化技术快速发展。其中，二氧化钛（TiO₂）因其无毒、光化学稳定和高活性成为最广泛应用的光催化剂，但其宽禁带（3.2 eV）导致仅能利用5%的紫外光，且存在光生电子-空穴对快速复合等问题。

异相光催化机制

TiO₂在紫外光激发下产生电子（e^-）和空穴（h⁺），进而与H₂O或O₂反应生成羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂^-），实现污染物矿化为CO₂和H₂O。然而，其实际应用受限于紫外光依赖性和低量子效率。

改性策略

1. 掺杂与共掺杂

   • 金属掺杂：银（Ag）掺杂TiO₂通过表面等离子体共振（SPR）效应将光吸收拓展至可见区，4% Ag-TiO₂对亚甲基蓝（MB）的降解率达96%。

   • 非金属掺杂：氮（N）掺杂通过形成O-Ti-N键将带隙降至2.85 eV，使RhB降解效率提升至90.3%。

   • 共掺杂：N-W共掺杂TiO₂带隙降至2.38 eV，30分钟内对孔雀石绿（MG）降解率达98.7%。

2. 染料敏化

   有机染料（如Squarlium ISQ）通过电子注入机制将可见光响应效率提升至98%，但需牺牲剂（如EDTA）再生染料分子。

3. 碳基材料复合

   石墨烯氧化物（rGO）与TiO₂复合形成Ti-O-C键，带隙降至2.9 eV，对柠檬黄的降解率达92%。

4. 异质结构建

   • Z型异质结：C-MoS₂/TiO₂通过电子桥加速电荷分离，对MB和四环素（TC）的降解率均超99%。

   • S型异质结：TiO₂/W₁₈O₄₉利用内建电场定向迁移载流子，保留强氧化还原能力。

   • 铋基材料复合：BiVO₄/TiO₂（带隙2.4 eV）和Bi₂WO₆/TiO₂（降解RhB效率99.1%）显著提升可见光响应。

实际应用与挑战

尽管实验室研究取得进展，规模化应用仍面临催化剂回收、复杂水质适应性和成本问题。例如，电辅助光催化（BEEP）技术可将盐水中全氟化合物（PFAS）降解效率提升740%，但需进一步优化能耗。

未来展望

研究方向包括：开发多功能复合材料（如掺杂-异质结协同体系）、结合人工智能预测材料性能、开展生命周期评估（LCA）以推动工业化应用。铋基材料与TiO₂的协同效应、以及S型异质结的设计将成为突破可见光催化瓶颈的关键路径。