综述：光催化高级氧化过程在环境污染修复与能源转化应用中的进展、挑战与未来方向

本综述系统探讨了光催化高级氧化过程（P-AOPs）在环境治理与能源转化中的前沿动态。文章重点总结了新型光催化剂（如TiO2、g-C3N4及复合纳米材料）的设计策略、反应机理（包括·OH自由基生成途径及Z型电子转移机制）及性能优化手段，分析了其在难降解有机物去除、光解水制氢（H2）及CO2还原中的应用潜力，同时指出催化剂稳定性、光能利用率及系统集成等挑战，为绿色能源与污染控制技术发展提供重要参考。

　　

光催化高级氧化技术

光催化高级氧化过程（P-AOPs）是一种利用光能驱动半导体材料产生强氧化性活性物种（如羟基自由基·OH、超氧自由基·O₂^•?）以降解污染物或转化能源的绿色技术。其核心机制涉及光生电子-空穴对的分离与迁移，以及后续的氧化还原反应。常见的光催化剂包括TiO₂、ZnO、CdS及石墨相氮化碳（g-C₃N₄）等，其中TiO₂因稳定性高、成本低而应用最广。

反应机理与活性物种

在紫外光照射下，半导体价带电子被激发至导带，形成电子-空穴对。空穴可氧化表面吸附的H₂O或OH^?生成·OH，而电子可还原O₂生成·O₂^•?，进一步转化为·OH。这些自由基具有强氧化性，可无选择性地降解有机污染物至CO₂和H₂O。例如，TiO₂基催化剂通过Z型电子转移机制（如MIL-88A@TiO₂异质结）可高效降解四环素和亚甲基蓝。

影响因素与性能优化

光催化效率受多种因素影响，包括催化剂晶体结构（ anatase TiO₂活性高于rutile）、粒径（纳米化增加比表面积）、表面特性及溶液性质（pH、氧浓度、共存离子）。通过掺杂（如Ag₂O/Bi₁₂O₁₇Cl₂）、构建异质结（如PI-BiPO₄）或引入助催化剂（如MXene、MoS₂）可增强光吸收与电荷分离，减少电子-空穴复合。

新型光催化材料进展

近年来，新型材料如g-C₃N₄（可见光响应）、钙钛矿及金属有机框架（MOFs）受到广泛关注。复合材料和纳米结构（如ZnO-rGO、CdS-Au-TiO₂ Janus结构）通过协同效应提升性能。光热辅助催化（如Co₃O₄@ZnIn₂S₄）利用全光谱太阳能，进一步提高反应速率与能量利用率。

环境修复应用

P-AOPs在废水处理中可高效降解染料、农药、 pharmaceuticals等难降解有机物。例如，TiO₂/UV系统对纺织废水可实现>90% COD去除率，且污泥产量极低。在空气净化方面，TiO₂负载活性炭可去除室内甲醛（HCHO）等VOCs，并用于自清洁涂层与抗菌材料。

能源转化潜力

P-AOPs在光解水制氢领域展现巨大潜力。改性CdS纳米棒（碳层与Ni-P共催化剂）的产氢速率可达纯CdS的19倍。g-ZnO基二维异质结构也显著提升水解产氢性能。此外，CO₂光还原为CO或CH₄（如Ga掺杂Fe_2?xGa_xO₃）为碳中和技术提供新途径。

挑战与未来方向

当前P-AOPs面临催化剂光腐蚀、稳定性差、可见光利用率低及规模化成本高等挑战。未来研究需聚焦高效稳定催化剂设计、反应机理原位表征、多技术联用（如光-电-生物耦合）及智能控制系统开发。通过跨学科合作与绿色工艺集成，P-AOPs有望在环境可持续性与清洁能源领域发挥核心作用。