《Applied Catalysis A: General》：Green-derived 3D-printed photocatalytic reactors (3D-PCRs): Design strategies, integration, performance optimization, and sustainability perspectives
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光催化技术通过绿色衍生材料与3D打印反应器结合，提升污染物降解效率与系统可持续性，但仍需解决材料兼容性、长期稳定性和规模化生产等挑战。
Rabia Tasaduq Hussain|Baala H. Anandapadmanaban|Chi-Wen Lin|Shu-Hui Liu|Jun Haslinda Shariffuddin
马来西亚彭亨大学化学与过程工程技术学院，Al-Sultan Abdullah校区，Tun Khalil Yaakob大道，Gambang，Kuantan，彭亨 26300，马来西亚
摘要
光催化技术作为一种有前景且可持续的技术，在环境修复和能源相关应用中展现出巨大潜力，包括废水处理、空气污染控制以及太阳能驱动的化学转化。近期研究重点开发了由生物废弃物、植物提取物和农业残余物合成的绿色光催化剂，旨在减少环境负担的同时提升表面反应性和电荷转移效率。与此同时，增材制造技术（尤其是3D打印）的进步使得能够制造出具有精确几何形状的光催化反应器，从而更好地控制光分布、物质传输和催化剂固定。本文综述了将环保光催化剂与3D打印反应器平台结合的最新进展，涵盖了整体结构、微通道设计以及LED辅助配置等方面。重点讨论了反应器结构对光催化性能、可扩展性和运行效率的影响。同时系统性地探讨了材料与反应器的兼容性、长期稳定性、可重复性和经济可行性等关键挑战，并提出了提高催化剂耐用性、可重复性和工艺稳健性的策略。通过识别当前局限性和研究空白，本文强调了将绿色光催化剂与3D打印反应器技术结合的潜力，认为这是实现可扩展、低成本且可持续的污染物处理和未来清洁能源应用的有效途径。
引言
人口增长、工业化加速、城市化进程以及自然资源的快速消耗，使得在全球范围内寻找新的回收和再利用技术变得至关重要[1]。虽然已经开发并应用了多种技术，如膜过滤、高级氧化、生物法和电化学方法，但主要问题在于反应时间较长——有效去除污染物或废水需要数小时甚至数天，导致产生的废物量超过回收产品的数量[2]。因此，在短时间内实现废物回收对于平衡污染物/废水的产生与降解尤为重要。近年来，光催化剂成为最具前景的技术，它们能够在几分钟内通过光的作用完全矿化污染物或废水。这些催化剂环保无害，无需处理废弃物，并且能够在温和的温度和压力条件下运行[3]。
这种半导体材料在光照（可见光或紫外线（UV）作用下，会从价带释放电子（e?）到导带，生成正空穴（h+）。生成的h+和e?会进一步产生H2O2、O2?和•OH，这些物质参与污染物的降解[4]。然而，使用这些光催化剂的主要缺点是它们往往依赖于昂贵、有毒的工业化学品。传统的光催化剂合成方法可能涉及有害化学物质、高能耗或不可再生前体，从而引发环境问题[5]。在这种情况下，基于天然物质或废弃物资源通过更可持续的制备路线合成的绿色光催化剂受到了越来越多的关注[6]。例如，菠萝皮等植物衍生材料可以作为可持续的前体，其多酚成分有助于稳定金属离子并控制颗粒大小[7]。开发此类催化剂有助于推动全球可持续发展，符合联合国可持续发展目标，促进可持续的工业创新和负责任的消费[8]。
光催化反应器（PCRs）是在光催化剂存在下进行光催化反应的系统。不同类型的PCR被用于污染物/废水处理过程，如填充床式、薄膜式、膜式等[9]。在传统类型中，悬浮光催化剂会导致分离和回收问题、光利用率低、催化剂团聚以及可持续性差等问题[10]。通过增材制造（AM）技术发展的3D结构使得可以制造出3D打印的光催化反应器（3D-PCRs），从而在反应器几何形状和流路设计上具有更大的灵活性[11]。这些特点还有助于改善反应器内的物质传输和光分布[12]。本文中的“3D-PCR”指的是反应器系统本身，而“固定化催化剂载体”则指用于固定光催化剂的基底或结构材料。这些载体可以纳入3D-PCR架构中，但不应被视为等同于整个反应器。这种区分对于清晰讨论反应器设计、催化剂集成和系统性能非常重要[13]。混合光催化-微生物燃料电池是一种新兴技术，它利用固定化的光催化剂浸渍在阳极/阴极上，从而实现污染物降解和生物电力的生成[4]、[14]、[15]、[16]。利用生物炭制备的3D多孔电极可为光催化剂提供大表面积和丰富的反应位点[17]。
多种3D打印设备有助于设计高效反应所需的结构，从而提高污染物/废水的去除效率。最常用的3D-PCR类型包括整体结构、基于LED的类型和微通道结构等。将绿色光催化剂应用于多孔3D-PCR中，其整体性能将优于单独使用[18]、[19]、[20]。构建高效的设计，以实现光催化剂在3D-PCR中的有效定位，并结合光照、耐化学/温度性、可扩展性和多次重复使用等必要条件，对于大规模应用更具前景。
催化剂与载体之间的相互作用较弱、光催化剂失活以及3D打印技术与其材料的结合不足，仍然是阻碍放大生产和长期运行的关键障碍。本文的创新之处在于同时关注绿色或可持续光催化剂来源及其在3D-PCR中的应用。这一主题在大多数以往的综述中尚未得到系统探讨。因此，本文旨在架起材料开发与反应器设计之间的桥梁，重点强调增材制造在提高光催化水处理系统可持续性和适用性方面的作用[21]。
3D打印材料的合成过程中使用了多种化学物质，现在正逐渐被生物相容性和可生物降解的聚合物（如聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚（ε-己内酯）所取代。纤维素、生物纤维和纳米纤维素等生物复合材料也被用于不同的3D打印设备中，从而生成支持环境保护的可持续和可回收材料[22]。通过对2020至2025年间Web of Science数据库中关于绿色材料在3D-PCR和传统反应器应用中的文献进行统计分析，发现相关出版物数量从2020年逐渐增加，2025年达到峰值45篇（图1）。这表明3D-PCR的使用正在逐渐增加。而在3D反应器中集成绿色光催化剂的相关出版物在2025年达到了最多。这表明需要更加重视绿色光催化剂的应用及其在3D反应器研究中的使用。本文批判性地分析了使用绿色光催化剂的3D-PCR的最新进展，指出了材料与反应器兼容性方面的挑战，并展望了实现可持续水处理的未来发展方向。
部分内容摘录
绿色光催化剂
用于制备半导体材料的最常见前体包括金属化合物（如氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO2）、氧化铜（CuO/Cu2O）和氧化铁（Fe2O3、Fe3O4），以及非金属材料（如石墨碳氮化物（g-C3N4）[23]、[24]、[25]。常用的制备方法包括溶胶-凝胶法、水热法、热解法、共沉淀法和溶液燃烧法[2]。在本文中，重点讨论了绿色光催化剂的相关内容
传统结构
传统的反应器结构（如浆液式、平板式、填充床式和固定化薄膜式）已在环境修复应用中得到广泛研究（图3）。每种结构在光子利用、催化剂暴露、物质传输和操作可行性方面具有不同的优势和局限性。PCR的性能受复杂的反应动力学、物质传输和光子分布的影响，这些可以通过无量纲参数进行分析不同的3D打印技术
3D打印是一种利用CAD设计结构的成本效益高的增材制造技术，为工业4.0提供了有力支持。航空航天、物联网、医疗、机器人技术、建筑与设计、生物技术、电化学设备等多个领域都在应用3D打印技术[10]、[106]。传统的反应器制造方法通常采用减材制造技术，这会导致大量材料浪费将绿色光催化剂与3D-PCRs结合
将绿色光催化剂有效整合到3D-PCR架构中是实现可持续、可重复和高性能光催化系统的关键步骤[128]。这类系统的成功很大程度上取决于固定化策略以及光催化剂与打印基底的兼容性。表面涂层是最常用的集成方法，其中绿色光催化剂被沉积在3D打印基底的表面上使用绿色光催化剂的环保应用
绿色光催化剂在环境应用中受到越来越多的关注，包括污染物降解、水处理、毒素去除和气相污染物处理，因为它们结合了光催化活性、结构化的反应器设计以及更可持续的材料选择。然而，由于光催化性能不仅取决于催化剂组成，还受到其他因素的影响，因此直接比较不同系统的结果较为困难挑战、瓶颈和未来展望
尽管在将绿色光催化剂与3D-PCRs结合方面取得了一些显著进展，但仍存在许多限制大规模应用和长期运行的挑战。解决这些问题对于将实验室成果转化为实际应用至关重要。可扩展性和制造限制仍然是主要瓶颈。尽管3D打印能够实现精确的反应器定制，但大规模或工业级反应器的制造仍然面临挑战
结论
本文强调了将绿色光催化剂整合到3D-PCR中以应用于环境的兴趣日益增长。催化剂固定化是实际应用光催化过程中的一个重要挑战，已经探索了多种策略来解决这一问题，包括整体结构载体、基于膜的系统和结构化催化剂反应器。在此背景下，3D打印作为一种灵活且有效的方法脱颖而出
CRediT作者贡献声明
Jun Haslinda Shariffuddin：验证、概念构思。Chi-Wen Lin：撰写与编辑、监督、研究、资金获取、概念构思。Shu-Hui Liu：撰写与编辑、可视化、数据分析。Rabia Tasaduq Hussain：撰写初稿、研究。Baala H. Anandapadmanaban：撰写初稿、方法学设计。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢台湾“国家科学技术委员会”在合同编号#112–2221-E-224–005-MY3的支持下资助了本研究。
