综述：无金属碳材料在水污染物去除中的高级氧化工艺（基于过硫酸盐）中的应用进展与前景

《Sustainable Materials and Technologies》：Advances and prospects of metal-free carbon materials for persulfate-based advanced oxidation processes in aquatic pollutant removal

金属-free碳材料（CMs）作为过硫酸盐高级氧化过程（PS-AOPs）的催化剂，因其高比表面积、丰富的表面官能团和可调控的微观结构，在环境污染物降解中展现出潜力。本文系统综述了CMs的分类、催化机制（包括自由基和非自由基途径）、性能优化策略（如维度调控、缺陷工程、掺杂改性等），并探讨了CMs微结构与催化性能的关联性。同时分析了经济性和生命周期评估，指出未来需进一步研究多污染物协同降解机制及规模化应用挑战。

　　近年来，随着对复杂有机化合物污染问题的关注日益增加，基于过硫酸盐（Persulfate, PS）的高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）因其在去除难降解污染物方面的巨大潜力而受到广泛重视。在众多AOPs催化剂中，金属自由碳材料（Metal-Free Carbon Materials, CMs）因其独特的物理化学特性而成为研究热点。这些材料具有高比表面积、丰富的表面官能团、良好的结构可调控性、优异的生物相容性、环保性以及简便的制备方法，使其在清洁能源生产、环境修复、医药等多个领域得到广泛应用。在PS-AOPs体系中，CMs表现出优良的催化性能，有望成为高效且可持续的催化剂。

金属自由碳材料之所以在PS-AOPs中具有吸引力，是因为它们能够激活过硫酸盐产生高活性的自由基，如硫酸盐自由基（SO?^·-）、羟基自由基（·OH）以及超氧自由基（O?^·-）。这些自由基具有强大的氧化能力，可以有效降解多种有机污染物，包括一些传统的难以处理的污染物。此外，金属自由碳材料还具有非自由基反应路径，如单线态氧（1O?）和空穴（h?）等，这些非自由基物种同样可以参与污染物的去除过程。这种多元化的反应机制使得CMs在PS-AOPs体系中展现出更高的灵活性和适用性。

尽管金属自由碳材料在PS-AOPs中表现出良好的催化性能，但其催化活性通常不如金属基催化剂。这可能与CMs的活性中心不明确、结构复杂性以及非化学计量结构（如缺陷、石墨化程度、表面官能团和孔隙率）等因素有关。为了进一步提升CMs的催化性能，研究人员提出了多种调控策略，包括维度调控、微结构形貌控制、缺陷调控、杂原子掺杂、碳电子结构调控、孔隙结构调控以及表面官能团调节等。这些策略不仅能够改善CMs的表面性质，还能够增强其对污染物的吸附能力，从而提高整体的催化效率。

在实际应用中，CMs的微结构与其催化性能之间存在密切关系。例如，CMs的比表面积、孔隙结构、表面官能团以及电子分布都会影响其对过硫酸盐的激活效果。比表面积越大，通常意味着更多的活性位点，从而提高了催化反应的效率。孔隙结构可以促进污染物的扩散和吸附，而表面官能团则能够调节材料的电子转移能力和反应活性。此外，电子结构的调控可以通过改变材料的化学组成和结构来实现，从而影响其对自由基的生成和传递。

为了更好地评估CMs在PS-AOPs中的环境影响，研究人员还开发了一系列环境影响评估方法。这些方法不仅关注催化剂的性能，还考虑了其在实际应用中的经济性和可持续性。例如，CMs的制备成本包括原材料收集、化学试剂、设备维护、实验室运营、电力消耗、运输等，这些因素都会影响其商业化应用的可行性。因此，在设计和开发CMs催化剂时，需要综合考虑其性能、成本以及环境影响，以实现更高效、经济和环保的污染物去除。

近年来，关于CMs在PS-AOPs中的应用研究取得了显著进展。多个综述文章系统地总结了CMs的分类、特性及其在不同污染物去除过程中的应用。这些综述不仅涵盖了CMs的物理化学特性，还深入探讨了其在PS-AOPs中的催化机制、调控策略以及环境影响评估方法。例如，一些研究强调了不同维度的CMs（如零维、一维、二维和三维）在PS激活中的作用，而另一些研究则关注了CMs的微结构对其催化性能的影响。此外，还有研究讨论了如何通过杂原子掺杂（如氮、硫等）来优化CMs的催化活性，使其在实际应用中更加高效。

随着研究的深入，CMs在PS-AOPs中的应用潜力逐渐显现。然而，目前仍然存在一些挑战，如如何进一步提高CMs的催化活性、如何优化其微结构以适应不同的污染物去除需求、如何降低其制备和应用成本等。这些问题的解决将有助于推动CMs在PS-AOPs中的实际应用。未来的研究方向可能包括开发新型CMs材料、优化其调控策略、提高其在复杂环境中的稳定性以及探索其在不同应用场景中的适应性。

总的来说，金属自由碳材料在PS-AOPs中的应用研究为环境修复提供了新的思路和方法。通过深入理解CMs的物理化学特性、催化机制以及调控策略，研究人员可以设计和制备出性能更优的CMs催化剂，从而提高污染物去除的效率和可持续性。此外，这些研究也为CMs在其他领域的应用提供了理论支持和实践指导，推动了其在清洁能源、医药等领域的进一步发展。未来，随着技术的不断进步和研究的深入，CMs在PS-AOPs中的应用将更加广泛和深入，为解决环境污染问题提供更加有效的解决方案。