综述：可见光驱动的光动力技术在环境和能源应用方面的进展：综述

《Journal of Water Process Engineering》：Visible-light driven photodynamic technology toward environmental and energy applications: A review

本文系统综述了可见光驱动光动力技术（PDT）在环境污染控制及能源转化中的应用进展，重点分析了光敏剂类型、光催化机制、异质结设计优化策略，以及规模化应用中面临的催化剂稳定性、光腐蚀和能耗挑战，提出了基于LED光源和低成本催化剂的解决方案。

　　可见光驱动的光动力技术（Photodynamic Technology, PDT）近年来在环境污染治理和能源应用领域引起了广泛关注。作为一种先进的氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs），PDT利用可见光激发光敏剂（Photosensitizer, PS）产生具有高反应活性的物质，如羟基自由基（•OH）和单线态氧（1O?），从而实现对污染物的有效降解和去除。相比传统的化学氧化方法，PDT不仅具备操作简便、无人值守、无二次污染等优势，还能适应污染物负荷的变化，使其在实际应用中具有更高的灵活性和可持续性。

光动力技术的核心在于光敏剂的选择及其对光的响应能力。光敏剂是一类能够吸收特定波长光能并将其转化为化学能的物质，常见的包括天然和合成的有机或无机化合物。这些光敏剂在光照下发生电子激发，进入激发态，进而与周围的分子氧（O?）发生反应，生成具有强氧化能力的活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）。这些ROS能够对污染物进行氧化降解，同时还能通过光毒性作用杀灭微生物，如细菌、病毒和抗生素耐药基因（ARGs）。PDT的这一特性使其在处理有机污染物、染料、药物残留、内分泌干扰物、细菌消毒以及氢气和二氧化碳的转化方面展现出广阔的应用前景。

然而，PDT在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，光敏剂的长期稳定性和耐久性是限制其大规模应用的关键因素之一。许多光敏剂在光照条件下容易发生光腐蚀，导致其活性下降，影响处理效率。其次，实际废水成分复杂，包含多种有机物、无机盐、自然有机物（NOM）和碳酸盐等物质，这些成分可能对光敏剂的光响应产生干扰，降低ROS的生成效率。此外，PDT在实验室环境下的成功往往难以直接转化为工业应用，主要原因是其在实际条件下的性能可能受到多种因素的影响，如光照强度、反应器结构、污染物浓度以及反应环境的pH值等。

为了解决这些问题，研究人员正在探索多种策略。例如，通过设计和优化异质结（Heterojunction）结构，可以有效减少光生电子和空穴的复合率，提高光催化效率。异质结的构建通常涉及两种半导体材料的结合，通过调整能带排列、金属掺杂、引入支撑材料或改变层结构等方式，使电子和空穴能够分别迁移至不同的半导体材料中，从而延长其寿命并提高反应活性。这种方法不仅增强了光催化反应的效率，还为PDT在实际废水处理中的应用提供了新的思路。

同时，光敏剂的选择和优化也是提升PDT性能的重要方向。目前，许多研究集中在开发高效、低成本、易于回收的光敏剂上。例如，使用低带隙的半导体材料，如蓝光LED，可以提高对可见光的吸收能力，从而在更广泛的光谱范围内实现ROS的生成。此外，光敏剂的负载方式也对PDT的性能产生重要影响。一些研究尝试通过将光敏剂固定在载体上，以减少其在反应过程中的流失，提高系统的稳定性和可重复使用性。这种方法虽然能够降低处理成本，但其合成过程往往较为复杂，限制了其在实际应用中的推广。

另一个重要的研究方向是通过调整光动力反应的参数，如光照强度、反应时间、催化剂浓度和pH值等，来优化PDT的处理效果。这些参数直接影响ROS的生成效率和污染物的降解速率。例如，光照强度越高，通常意味着更多的光能被光敏剂吸收，从而促进ROS的生成。然而，过高的光照强度可能会导致光敏剂的过快消耗或光腐蚀，因此需要找到一个平衡点。此外，反应时间的长短也会影响处理效果，较短的反应时间通常意味着更高的处理效率，但可能需要更高的催化剂浓度或更优化的反应条件。

在实际应用中，PDT还面临一些技术难题。例如，光敏剂在水中的分散性和稳定性是影响反应效率的重要因素。如果光敏剂不能均匀分散在反应体系中，可能会导致局部光照不足，进而影响整体的处理效果。此外，光敏剂的回收和再利用也是当前研究的热点之一。由于光敏剂在反应过程中可能会发生沉淀或吸附，因此需要开发高效的分离和回收技术，以降低处理成本并提高系统的可持续性。

为了推动PDT在实际环境中的应用，研究人员还关注如何将PDT与其他水处理技术相结合，以提高处理效率和系统的稳定性。例如，将PDT与膜分离技术、吸附技术或生物处理技术相结合，可以形成多级处理系统，从而更全面地去除污染物。这种集成方法不仅能够提高处理效果，还能降低单一技术的局限性，使其在实际应用中更具可行性。

从经济角度来看，PDT的推广还需要考虑其成本效益。尽管PDT在实验室条件下表现出良好的处理效果，但在实际应用中，其运行成本和设备投资可能较高。因此，研究人员正在探索低成本、高效的光敏剂和反应器设计，以降低PDT的总体成本。例如，使用太阳能作为光源可以显著降低能源消耗，同时结合低成本的半导体材料，如二氧化钛（TiO?），可以提高PDT的经济可行性。

此外，PDT在处理不同类型的污染物时，其效果可能有所不同。例如，对于染料类污染物，某些异质结光催化剂表现出较高的降解效率，而对药物残留或内分泌干扰物的处理则可能需要不同的光敏剂和反应条件。因此，针对不同污染物的特性，开发专用的PDT系统是未来研究的一个重要方向。

总的来说，可见光驱动的光动力技术在环境污染治理和能源开发方面具有巨大的潜力。尽管目前仍面临一些技术挑战，如光敏剂的稳定性、废水成分的复杂性以及实际应用中的成本问题，但随着研究的深入和技术的进步，这些问题正在逐步得到解决。未来，PDT有望成为一种高效、环保、可持续的水处理技术，为解决全球水资源污染问题提供新的解决方案。