绿色方法与活性炭在下一代光催化剂中作用综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Review on Green Approaches and Activated Carbon’s Role in Next-Generation Photocatalysts

　　

• 生物衍生化学决定了光催化剂的成型、结构和功能特性。
• BiVO?、金属氧化物及新兴平台推动了绿色光催化剂的设计发展。
• 活性炭将生物质增值利用与吸附及电荷转移联系起来。
• 条件感知分析揭示了合成—结构—性能之间的关系。
• LCA、TEA和TRL识别了绿色合成在可持续性和规模化方面的障碍。

## 引言

在当代材料科学中，纳米结构化光催化剂的设计日益受到将高功能性能与更低的化学、能源和环境成本相结合的需求所塑造[1]。半导体光催化剂在废水处理领域尤为值得关注，因为光生载流子可以驱动界面氧化还原反应并促进活性氧物种（ROS）的生成，这些活性氧物种能够降解水相中的持久性有机污染物[1]。然而，其效率不仅由化学组成或带隙能决定，还受相纯度、结晶度、粒径、形貌、表面缺陷、吸附能力和载流子分离等因素的影响。因此，包括二氧化钛（TiO?）[2]、[3]、氧化锌（ZnO）[4]、[5]、磷酸氧铋（BiVO?）[6]、[7]、二氧化铈（CeO?）[8]、三氧化钨（WO?）[9]、二氧化锡（SnO?）[10]、氧化铜（CuO）[11]、石墨相碳氮化物（g-C?N?）基体系[12]及其复合材料在内的金属氧化物及相关半导体已被广泛研究，用于去除染料、药物、农药、抗生素及其他新兴污染物。

尽管具有巨大潜力，光催化剂的实际应用仍受到多个相互关联因素的制约，包括可见光吸收不足、光生电子-空穴对快速复合、目标污染物吸附能力有限、形貌和表面化学难以控制，以及辐照条件下的稳定性丧失[13]。这些局限性与此类催化剂的合成路线密切相关，因为结晶度、相纯度、粒径、形貌、孔隙率、缺陷结构、表面官能团和光学性质在很大程度上是在材料制备过程中确定的[14]、[15]。与此同时，许多传统合成方法需要危险试剂、有机溶剂、高温、长反应时间或高能耗的后处理步骤，这与光催化剂的环境目的和其生产的可持续性之间存在矛盾[5]、[15]、[16]。因此，光催化剂的开发不仅需要关注光催化效率，还应考虑与材料制备相关的化学、能源和材料需求。

这些局限性推动了将可再生生物资源纳入现有材料制备策略的绿色方法的发展。植物提取物和农业废弃物尤其具有相关性，因为它们提供了化学多样化的生物衍生组分，包括低分子量植物化学物质（如多酚、类黄酮、生物碱和萜类化合物），以及蛋白质、碳水化合物、纤维素、半纤维素和木质素。在纳米颗粒（NP）形成过程中，这些化合物可作为还原剂、螯合剂、稳定剂、包覆剂、模板剂或结构导向剂[17]、[18]、[19]、[20]。更重要的是，它们不应仅仅被视为传统化学添加剂的替代品，而应被视为化学活性组分，可能参与金属离子相互作用、前驱体转化、成核、颗粒生长、稳定化和表面发展[17]、[21]、[22]。因此，即使具有相同名义组成的光催化剂，也可能根据生物前驱体、其化学组成以及材料形成的条件而发展出不同的结构和光催化性能。

生物衍生组分的贡献因此与其所应用的合成路线密不可分。pH值、前驱体浓度、溶剂组成、反应温度、加热方式、老化时间、煅烧条件和后合成处理等参数会影响前驱体的转化，并最终决定相组成、结晶度、形貌、表面化学、孔隙率和缺陷结构[22]、[23]。在此背景下，绿色合成不应被视为一类独立的制备方法，而应视为通过可再生前驱体、低危害试剂或溶剂、替代加热策略和生物衍生组分对现有路线的改进。重要的是，用生物前驱体替代传统试剂并不一定意味着整个工艺过程在环境上是无害的，如果仍然需要大量能源消耗、化学活化、反复洗涤或高温煅烧的话[18]、[24]。因此，在将合成与最终光催化剂性能联系起来时，必须同时考虑绿色组分的化学作用和所选合成路线的处理要求。

农业和其他生物质残余物可以通过互补的途径促进光催化剂的发展。它们不仅仅是提供用于半导体形成过程中的可提取化合物的来源，生物质本身还可以被转化为功能性碳质材料。因此，生物质增值利用提供了废物利用与光催化剂设计之间的联系，将农业、林业、畜牧业和城市残余物作为碳前驱体材料[25]、[26]、[27]。生物炭（BC）是通过在氧气受限条件下加热可持续来源的生物质，经热解产生的富碳多孔固体，主要用于农业中的非氧化应用以及作为工业过程的原料。相比之下，水热炭是通过在水相中、250°C以下和高压条件下对生物质进行水热碳化（HTC）产生的富碳固体[28]。根据原料和转化路线的不同，生物质可以通过热解、水热碳化、微波辅助处理、共热解及相关热化学路线产生生物炭、水热炭、活性炭（AC）和其他碳质材料[29]、[30]、[31]。

这些碳质材料对光催化的相关性超越了其传统的吸附功能。在光催化剂设计中，生物质衍生碳材料可以作为半导体-碳复合材料的组分[32]，其中如TiO?或ZnO等半导体与石墨烯、碳纳米管或活性炭等材料耦合[33]。碳基材料可以充当支撑体、导电基底、电子转移介质、光敏剂和稳定剂，而合适的半导体-碳界面可以促进电荷分离[34]。然而，这种改善不能仅从碳相的存在来假设。其程度在很大程度上取决于石墨化程度、sp2畴的发展、导电性、孔隙率、表面化学和半导体-碳界面接触[33]、[35]、[36]。在此背景下，活性炭尤为相关，因为其贡献可能从污染物吸附和预浓缩扩展到半导体锚定、表面可及性和界面电荷转移过程[37]。

除了单个材料的设计和功能性作用外，一个更广泛的挑战在于如何批判性地评估绿色合成的光催化剂性能。报告的降解效率通常被作为光催化性能的直接指标呈现，尽管实验条件的巨大差异可能使这种比较产生误导。污染物的种类和初始浓度、催化剂用量、pH值、吸附平衡、辐照光源和强度、反应时间、对照实验和动力学处理都可能对报告的結果产生重大影响[38]、[39]。高污染物去除率不一定表示高光催化活性，特别是在吸附对测量终点有显著贡献的情况下，而脱色或母体化合物的消失也不能自动等同于矿化。因此，报告的效率应在实验条件、吸附贡献、材料特征和分析终点的背景下进行解释，而非作为单独的标准来对光催化剂进行排名。

这种条件感知解释的需求随着光催化剂设计从成熟的TiO?和ZnO体系向BiVO?等可见光响应材料以及日益复杂的掺杂、复合、碳辅助和新兴光催化架构扩展而变得更加重要。这种多样化的近期示例包括橙皮辅助合成ZnO-氧化石墨烯（GO）复合材料和钴铁氧体（CoFe?O?）尖晶石纳米颗粒，说明了生物衍生合成策略从传统金属氧化物向复合和多组分光催化体系的扩展[40]、[41]。尽管更大的材料复杂性可以改善光捕获、吸附、电荷分离和界面反应性，但这些优势可能伴随着额外的处理步骤、更高的试剂和能源需求、稳定性顾虑以及可重复规模化方面的困难[42]、[43]。因此，改善的光催化性能不一定意味着在环境上或技术上更优越的材料。更全面的评估还应考虑LCA、经济可行性、可重复性、稳定性、可扩展性和技术成熟度[44]、[45]、[46]。

鉴于上述背景，本综述的主要目标是将通常分开处理的几个方面联系起来：(i) 评估绿色方法的最新性能以及活性炭在下一代光催化剂中的作用；(ii) 批判性地评估常用合成方法的优缺点；(iii) 在共同框架内整合不同的绿色辅助策略；(iv) 研究金属氧化物形成过程中植物和废物衍生生物分子的金属离子相互作用及结构导向作用；(v) 评估生物质衍生活性炭作为吸附材料和半导体复合材料中潜在电子活性界面组分的功能；以及(vi) 通过LCA、技术经济评估（TEA）、可扩展性和TRL评估考虑更广泛的环境和技术意义。本综述汇总了最新文献，特别关注2020年以来发表的研究，同时保留必要的早期研究以建立基本概念或提供相关基准信息。本综述不是将绿色合成、生物质增值利用、光催化性能和可持续性作为独立主题，而是通过合成—结构—性能的视角对文献进行批判性审视，特别关注前驱体化学和加工如何影响材料特性、吸附行为、界面现象和光催化响应。这些目标在结论部分被综合在一起，其中总结了主要发现、局限性以及对绿色辅助光催化材料进一步发展的更广泛意义。

因此，本综述首先研究植物提取物和农业废弃物在光催化剂形成中的化学作用，然后考虑这些组分如何通过不同的绿色改进合成路线引入以及相关的处理权衡。生物质衍生活性炭随后作为废物增值利用、吸附和半导体-碳界面设计之间的功能性联系进行讨论。然后对代表性的绿色合成光催化剂进行批判性评估，包括BiVO?作为可见光响应的案例研究、成熟的TiO?和ZnO体系、其他金属氧化物和新兴光催化平台，特别关注影响其报告光催化行为的因素以及直接跨研究比较的局限性。讨论随后从材料性能扩展到LCA和经济可行性。最后，讨论了关键挑战、TRL和未来展望，以识别目前将实验室规模开发与实际应用分隔开的障碍。新兴方法，包括机器学习（ML），也被视为模拟环境吸附系统中复杂非线性相互作用的工具，支持未来的材料和过程开发。

## 分节摘要

### 文献检索策略与文献计量制图

本综述纳入的文献通过Scopus和Web of Science核心合集的结构化检索确定，检索在综述准备期间进行并于2026年9月22日定稿，同时在ScienceDirect和Google Scholar中进行目标检索，并对相关出版物进行回溯参考文献检索。使用了三个互补的检索模块，涵盖：(i) 半导体光催化剂的绿色和生物辅助合成，包括代表性的TiO?、

### 植物提取物和农业废弃物在光催化剂形成中的作用

植物提取物和农业废弃物被广泛用于绿色光催化剂合成，因为它们提供了化学多样化的生物衍生组分，可能直接参与光催化剂的形成。这些天然前驱体含有能够与金属离子相互作用的功能分子，并可能影响半导体形成过程中的成核、颗粒生长和稳定化[17]、[18]、[19]。因此，它们的作用不仅限于部分替代传统

### 半导体光催化剂的绿色合成：机制与路线

在确立植物提取物和农业废弃物在光催化纳米材料形成中的作用之后，重要的是考虑生物衍生和绿色组分如何被引入实际合成路线中。在此意义上，绿色合成并不代表完全独立的制备方法类别，而是对现有路线的调整，旨在通过使用可再生前驱体、生物质衍生添加剂、无害

### 生物质衍生活性炭作为下一代光催化剂的功能组分

生物质衍生活性炭是废物增值利用与光催化剂设计之间的重要纽带，因为它可以在半导体-碳体系中同时充当吸附相、多孔支撑体和界面组分。生物质的热转变之后经历多种化学修饰，包括脱水、脱羧、聚合、芳构化、碳化和石墨化[112]。这些过程在植物源和动物源生物质之间通常有所不同，以

### 结论

绿色辅助合成为半导体光催化剂的制备和改性提供了灵活的平台，通过在材料形成的不同阶段引入植物衍生分子、农业残余物和生物质衍生材料来实现。所综述的研究表明，这些组分可以发挥超越简单替代传统试剂的功能。通过金属离子络合、控制成核和颗粒生长、稳定化、表面

### CRediT作者贡献声明

Dragana Marinkovi?：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，资源，项目管理，概念化。Bojana Vasiljevi?：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，资源，调查，形式分析，数据整理，概念化。

娜塔莎·托特：撰写——审阅与编辑、撰写——原始稿件、可视化、方法学、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本文所报告的工作。致谢：本研究由塞尔维亚共和国科学技术发展与革新部资助（项目编号：451-03-33/2026-03/200017）。利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本文所报告的工作。娜塔莎·托特 | 博扬娜·瓦西列维奇 | 德拉加纳·马林科维奇