综述：生物质的光催化转化：当前挑战与新机遇

本综述系统探讨了光催化技术在生物质转化领域的最新进展，重点介绍了新型光催化剂（如TiO2、g-C3N4）的设计及其在木质纤维素（LCB） valorization中的应用。通过分析光催化在生物质预处理、水解和木质素解聚等关键环节的作用机制，揭示了该技术在实现低碳能源解决方案和可持续化学生产方面的巨大潜力，并为未来规模化应用提供了环境与经济双重视角的前瞻性评估。

　　

Principles of Photocatalysis in Biomass Conversion

光催化作为一种光驱动催化过程，通过半导体材料在光照下产生电子-空穴（e^-/h⁺）对，驱动氧化还原反应。纳米光催化剂（如TiO₂、ZnO、Au、CdS）因高比表面积和可调控能带结构，在生物质转化中表现出显著增强的活性。其核心机制涉及光生载流子的分离与迁移，以及与生物质分子（如纤维素、木质素）的界面反应，从而实现高效、低能耗的化学转化。

Photocatalysts for Biomass Conversion

钛 dioxide（TiO₂）因其高光化学稳定性和低成本被广泛应用，但宽 band gap（~3.2 eV）限制其对可见光的利用。锌 oxide（ZnO）和石墨相氮化碳（g-C₃N₄）通过掺杂或异质结构建（如CdS-SH QDs/Bi₂MoO₆ S-scheme heterojunction）拓展了可见光响应范围。纳米纤维素作为绿色载体，与半导体复合后兼具高吸附性和光催化协同效应，显著提升污染物降解与生物质转化效率。

Applications of Photocatalysis in Biomass Conversion

光催化在木质纤维素 valorization 中主要用于：

1. 1.

   预处理阶段：TiO₂等催化剂选择性降解木质素，增强纤维素与半纤维素的可及性；

2. 2.

   水解过程：光催化加速碳水化合物分解为可发酵糖，促进生物燃料合成；

3. 3.

   木质素解聚：S-scheme异质结等先进催化剂在常温常压下实现木质素高效断裂，生成芳香族化学品；

4. 4.

   环境修复：纳米纤维素-TiO₂复合膜用于水中有机污染物光催化降解，体现“绿色水处理”潜力。

Challenges in scaling-up biomass photocatalysis

规模化面临的主要挑战包括：

• •

  催化剂成本高、合成步骤复杂；

• •

  光利用效率低（尤其是可见光区间）；

• •

  固-固反应体系中传质限制；

• •

  反应条件（如pH、光照强度）需精密控制；

• •

  产物选择性调控困难。这些问题导致当前过程经济性不足，难以实现工业级应用。

Integration with Other Technologies

光催化与超声、电化学、酶催化等技术联用可突破固有局限。例如：

• •

  超声辅助增强生物质颗粒分散与催化剂-底物接触；

• •

  光电催化（PEC）通过外加电场促进电荷分离；

• •

  酶-光催化耦合实现纤维素特异性降解。多技术协同显著提升反应速率与产物得率。

Environmental and Economic Perspectives

光催化生物质转化有望减少70%以上化石能源相关CO₂排放，但其经济可行性依赖催化剂寿命、太阳能转化效率及产物附加值。生命周期评估（LCA）显示，纳米纤维素基光催化剂因可再生性兼具环境优势，但规模化成本仍需优化。

Future Directions and Research Opportunities

未来研究应聚焦：

• •

  开发低成本、可见光响应型催化剂（如非贵金属掺杂材料）；

• •

  设计连续流反应器解决传质问题；

• •

  利用人工智能优化反应参数与催化剂设计；

• •

  探索木质素衍生高值化学品（如香兰素）的定向合成路径。

Conclusion

光催化生物质转化通过太阳能驱动实现了常温常压下的高效反应，为可持续燃料与化学品生产提供了绿色路径。纳米催化剂设计与多技术融合是提升效率与经济性的关键，未来需跨学科合作推动其从实验室向工业应用过渡。