活性炭在光催化中的多功能界面调控作用：从惰性载体到吸附-电子-光学协同组分

《Materials Today Catalysis》：The role of activated carbon in photocatalysis

　　

活性炭（AC）传统上因其高吸附容量和高比表面积而被引入光催化体系。然而，越来越多证据表明，其作用远超惰性载体。AC可作为光催化微环境的多功能调控器，同时影响污染物富集、半导体分散、界面电荷转移、光利用与表面反应活性。文献计量分析显示，近十年AC基光催化剂研究快速扩张，并从传统吸附辅助应用转向环境及能源过程用多功能材料。研究人员特别关注TiO2/AC复合材料这一被最广泛研究的体系。需注意这些功能并非总具协同性：提高AC含量可增强污染物富集并促进电荷传输，但同时会遮挡TiO2接收入射光，说明光催化性能由功能平衡而非单一AC性质最大化决定。表面化学、孔结构、AC负载量、合成路线与界面性质决定主导功能。金属助催化剂与半导体异质结（heterojunction）可进一步提供电荷分离与氧化还原活化路径。尽管环境污染治理仍为主流应用，制氢、CO2转化与选择性光催化合成等方向正在兴起。综上，应将AC视为多功能界面组分，其有益效应取决于吸附、电子、结构与光学贡献之间的平衡，这为超越“高比表面积或高碳负载”指标的材料理性设计提供框架。

《Materials Today Catalysis》刊发的综述围绕活性炭（AC，activated carbon）在光催化中的角色重构展开。研究背景方面，太阳能是最丰富自然资源，半导体光催化可利用光生电子（e^?）与空穴（h⁺）驱动氧化与还原反应。TiO₂自1972年Fujishima与Honda实现光电水分解后成为最常用光催化剂，但其约3.2 eV带隙使其仅吸收约5%太阳光谱，且光生电子-空穴对复合率高。传统观点认为AC只是高比表面积、高孔隙率的惰性吸附载体；但近十年文献增长与关键词演化表明，AC正在从“补充材料”转变为先进光催化体系的关键界面组分。开展该项研究的原因在于：若仅把AC当作吸附剂或支撑体，会忽视其对半导体分散、界面电荷转移动力学、光场分布与表面反应微环境的多重调控作用，也不利于解释AC含量升高时“吸附增强却光屏蔽加剧”的反常现象。

研究人员通过Scopus数据库文献计量、SCImago归一化分析以及VOSviewer关键词共现与时序分析，结合TiO₂/AC体系的应用案例表证，系统梳理2015—2025年AC在光催化中的研究演进，并提出“多功能界面组分”框架。结论上，AC不是被动载体，而是同时调节污染物浓度场、半导体分散度、电荷分离、光利用效率和表面反应性的组分；性能优化依赖吸附、电子、结构、光学四类贡献的功能平衡。该研究意义在于为AC基光催化剂的理性设计提供概念框架，推动水处理、制氢、CO₂转化与选择性合成等应用从经验配比走向机理驱动。

主要关键技术方法如下：研究人员采用Scopus检索“activated carbon”与“photocatalysis”获得至2025年出版物数据；用SCImago Journal & Country Rank总量出版物做归一化，得到标准化趋势数据；用VOSviewer对2015—2025年文献做关键词共现聚类与按时间着色的演进图谱，筛选在至少3%文献中出现的关键词以降低噪声；并汇总TiO₂/AC复合材料在污染物降解、染料脱色、无机物还原、灭菌与合成中的合成方法、光源、底物与循环次数等信息。

1. 1.
   The photocatalytic process：研究人员介绍光催化由光与半导体催化剂共同加速反应，本征/外衍半导体、p型/n型导电、带隙（E_g）与光生e^?/h⁺ redox作用；指出效率由电子-空穴转移与复合竞争决定，优化形貌、掺杂、敏化剂、助催化剂与异质结可降低复合。
2. 2.
   Carbon-based nanomaterials: types, characteristics, and properties：研究人员梳理富勒烯、碳纳米管（CNT）、石墨烯、碳量子点（CQD）与AC；说明AC为三维多孔碳，比表面积通常900—1200 m²/g，含微孔（<1 nm）、中孔（1—50 nm）与大孔（>50 nm），并可作光敏化组分、减缓e^?-h⁺复合。
3. 3.
   Evolution of research on the use of activated carbon in photocatalysis：研究人员用文献计量证明该方向自2000年后指数增长，归一化后仍上升；VOSviewer显示红、绿、蓝三簇分别对应光催化半导体、AC与吸附、工艺变量；时序图由蓝到红显示从TiO₂经典光催化转向纳米复合材料、异质结、金属纳米颗粒、MOF及废水处理成本效益等应用导向主题。
4. 4.
   Use of TiO₂/activated carbon composites in photocatalysis：研究人员汇总Table 1案例，覆盖有机/合成化合物、药物与个人护理品、农药、微塑料、染料、Cr(VI)还原、大肠杆菌与扩展青霉孢子、4-氯酚氧化合成等；合成方法含sol–gel、impregnation、hydrothermal、physical mixture等，光源含UV、可见光、模拟太阳光。子节4.1 Impact of the Synthesis Method指出sol–gel、impregnation、hydrothermal与physical mixture等路线决定TiO₂在AC上的分散、界面接触与孔径占用，从而改变吸附预富集与光生载流子迁移的平衡。

讨论部分总结：研究人员强调AC功能具有双刃性，增加AC可提升污染物富集与电荷通道，但深色碳骨架会屏蔽入射光并可能成为复合中心；因此不存在“AC越多越好”。表面化学含氧官能团、孔隙层级、AC原料来源、负载比例、半导体-碳界面与热处理程度共同决定哪类功能占优。引入金属助催化剂可提供电子汇或等离子体增强，半导体异质结可拓展可见光响应与空间电荷分离；但设计时必须同时评估吸附、导电、遮光与活性位点暴露。未来应从“支持材料”范式转为“界面功能组件”范式。

研究结论部分翻译：总体而言，本综述提出将AC从载体重新理解为多功能界面组分；其有益效应取决于吸附、电子、结构与光学贡献之间的平衡。该视角为理性设计含AC光催化剂提供框架，而不再主要依赖高比表面积或碳负载量作为性能指标。尽管环境污染修复仍占主导应用，制氢、CO₂转化与选择性光催化合成等新兴研究正扩大AC基体系的功能边界。