综述：对顽固性有机污染物光降解的系统性研究分析——重点探讨操作参数的重要性：一篇综述文章

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Systematic research analysis of photodegradation of tenacious organic contaminants emphasizing the significance of operational parameters: A critical review

　　摘要
光催化矿化是一种有效的绿色技术，可用于处理废水中的顽固有机污染物。然而，其性能不足常常限制了实际应用，进而影响先进光催化材料的作用。目前研究的主要焦点在于新型及改性光催化剂的合成，而操作参数的重要影响却未得到充分研究。本文主张将该领域的研究重点从以材料为中心的模式转向更广泛的工艺系统工程视角，强调优化反应环境对于实现更好效果和可规模化应用的重要性。研究探讨了催化剂负载量、反应时间、溶液pH值、污染物浓度、温度以及光照强度等关键操作变量对光催化过程的影响，并分析了它们之间复杂且往往相互矛盾的关联效应。通过研究苯酚和甲基橙的降解机制，阐明了多种污染物通过通用路径和特定路径实现光降解的原理。分析表明，由于光催化反应器设计及催化剂改性策略的限制，导致传质效率低下以及光能吸收不佳，这是实现可规模化应用的同时保持经济可行性的主要障碍。要解决实验室研究与工业应用之间的差距，需采用一种综合方法，将催化剂设计、操作参数及光催化反应器结构有机结合。

引言
随着人口增长以及农业和工业的发展，发展中国家的研究人员面临着日益严重的饮用水污染和有机废物问题[1]。化学、石油和纺织行业每年产生大量有害废物，威胁着环境、淡水资源以及人类、植物和水生生物的安全[2]。国际监管机构对化工行业的废物排放进行控制，并制定了旨在实现环保目标的有机污染物标准[3]。由于毒性及复杂性不同，水中允许存在的污染物浓度也各不相同。苯酚、苯、杀虫剂、镉和汞的允许浓度分别为0.001 mgL?1[4]、0.005 mgL?1[5]、0.1 μgL?1[6]、0.005 mgL?1[7]和0.002 mgL?1[8]。长期接触这些污染物可能导致癌症、肌肉无力、呼吸问题、昏迷以及呼吸不规律[9]。因此，从废水中去除这些潜在危险物质对于保护地下淡水、处理后的工厂污水以及地表水至关重要。在快速发展中，人们采用了化学、热力、生物和物理等方法来去除有机和无机污染物[10]。虽然这些方法显著减少了污染物含量，但其缺点包括会产生复杂的化学结构，进而形成需要进一步处理的中间产物和二次污染物[11,12]。传统处理方法能耗高、耗时长、对pH值敏感、依赖外部试剂、维护成本高且选择性有限。因此，开发一种有效的废水处理技术以去除有害化学物质已成为当务之急[13]。

半导体光催化技术作为高级氧化工艺的重要组成部分，展现出巨大潜力。其核心优势在于能够利用光这一环保能源，高效地将复杂污染物分解为水、二氧化碳和无机离子等无害副产品[14,15]。众多研究致力于新型催化剂及复合材料的合理设计与制备，包括掺杂纳米结构、缺陷工程化纳米结构以及复杂的异质结材料。这类新型及改性材料的固有特性与实际性能存在显著差异[16]。光降解速率取决于催化材料的性质及操作条件。催化剂的合成与改性过程会影响其形貌、结晶度、表面积和孔隙率，从而直接或间接影响催化效率[17]。在催化剂研发过程中，人们往往忽视了光催化反应环境的重要性。实际上，溶液温度、pH值、催化剂负载量、污染物质量与浓度及其类型、氧化剂浓度、光子类型与强度、照射时间、溶剂种类以及煅烧温度等都会影响光催化效果[18]。不理想的操作参数可能会使先进的催化剂失去作用，阻碍实验成果向实用且可规模化的技术转化[19]。有效的光催化效率取决于材料的能带结构及操作因素。要在实际应用中取得良好效果，就必须平衡以材料为中心的研究方式与工艺系统工程思维[20]。

本综述概述了影响光催化性能的操作参数，强调该领域应从以材料为中心的发展模式转向工艺系统工程思路。与那些侧重于列举新型光催化材料的综述不同，本研究聚焦于一个更为基础且常被忽视的问题——即通过改善反应条件来提升各类催化剂的利用效率。文章分析了光催化的基本原理、热力学规律、传质过程以及降解机制，旨在构建一个全面框架，以理解各参数对降解过程动力学和机制的影响。通过研究苯酚和甲基橙的降解机制，进一步加深了对光降解途径的理解，因为不同污染物具有不同的降解路径。本研究旨在超越对单一因素的简单描述，深入分析这些因素在传统方法中的复杂关联与适应性，最终迈向混合系统的发展方向。本文旨在通过为技术专家和研究人员提供可行路径，缩小实验研究（实验室规模）与实际应用之间的差距，重点探讨在现实环境中用于环境修复的高效、耐用且经济可行的光催化系统的设计与运行方法。

章节摘录
**异质光催化降解机制**
异质光催化是绿色应用中的主要技术，其有效性取决于半导体材料的电学性质。该过程依赖于光催化材料中电子充满的价带与空着的导带，二者之间由能带隙Eg隔开[21,22]。图1示意性地展示了有机污染物的光催化分解过程。当光子能量hv等于或大于Eg值时，光催化作用便开始发生。

**光氧化还原电位的热力学可行性**
半导体的光刺激会生成重要的活性载流子，而严格的热力学原理则调控着由此引发的氧化还原反应，进而促进污染物的降解（Yangyang Zhang等人，2025年）。图2直观展示了光催化系统整个能量转换机制所涉及的热力学环境。一个高效的光催化系统需要半导体材料的各种参数能够恰到好处地匹配。

**传质：影响光催化过程速率的因素**
任何异质光催化机制的整体效率和效果，在很大程度上取决于传质过程，此外还与半导体材料的固有电子特性密切相关[52]。尽管催化剂合成通常是研究中的重点，但反应物和副产物从反应部位向催化剂表面的传输往往是最关键的限速步骤[53]。这会导致显著的动力学瓶颈。

**影响光降解效率的操作参数与因素**
半导体材料的固有特性决定了其性能，但光催化降解过程的效率则受多种相互关联的操作参数控制。优化这些参数对于连接材料科学与工艺工程至关重要，有助于将实验室阶段的材料研发转化为实际可行的解决方案。深入理解催化剂负载量、初始条件等参数的作用十分重要。

**自由基清除剂的作用**
虽然优化催化剂用量和光照强度可以提高光催化效率，但了解微观反应机制同样重要。研究人员需要识别出在矿化过程中参与有机污染物降解的自由基，如羟基自由基(·OH)、超氧阴离子自由基(O2·-)、光生空穴(h+)和电子(e?)[179]。通常，研究这类现象会通过系统引入自由基来进行。

**催化剂改性**
由于单组分半导体容易发生电子/空穴复合，且对可见光的吸收能力较低，该领域逐渐转向对催化剂材料进行合理改性。这些先进的固态工程方法旨在抑制载流子复合，提高量子产率，同时缩小光活性材料的能带隙Eg，使其在可见光波段也能发挥光敏作用[198,199]。本章将对多种催化剂改性方法进行详细评述。

**光反应器结构对光催化的影响**
催化剂的一些基本特性，如能带隙Eg、表面积和晶体结构，决定了其理论上的潜在性能。然而，光催化反应器的结构设计与构思对于决定整个系统的实际运行效果和适应性起着至关重要的作用[217,218]。反应器不应被视为静态结构，而应看作是一种主动运行的复杂技术组件，负责调控两个最关键的过程要素。

**污染物光催化降解机制**
光催化的核心目标是将初始污染物完全且不可逆地分解为无害产物，而不仅仅是使其发生某种转化。这一转化过程涉及一系列复杂的氧化步骤，主要是由羟基自由基•OH对化合物中较弱化学键的强有力且非选择性的亲电攻击所驱动[135]。深入理解这些降解机制非常重要，因为有些污染物在降解后会形成更具抗性的有害物质。

**混合系统**
虽然优化某些操作参数可以提高传统光催化过程的性能，但由于该技术本身存在局限性，如产生的自由基数量有限，且依赖特定的降解机制，因此人们开始探索混合系统工程方案[260]。这种将光催化与化学、生物或物理过程相结合的创新策略，代表了向更高效处理流程的重大转变。

**结论与未来方向**
本文深入分析了影响光催化降解性能的各种操作参数，提出应从单纯以材料为核心的研究方向，转向更为综合的系统与工艺发展策略。设计具有特定电子结构和形貌的新型催化剂是该领域的关键。研究表明，这类材料的效率与其实际应用价值之间存在密切联系，而其反应条件则是影响这一联系的重要因素。

生成式AI使用声明
在撰写本综述时，作者使用了ChatGPT（免费版本）来协助内容组织，提升语言表达的准确性、文本的流畅性以及可读性。在使用该工具后，作者对内容进行了修改和审核，对文章的内容负全责。

资金支持声明
本研究得到了马来西亚高等教育部（MOHE）通过HiCOE项目（R.J130000.7809.4J657）以及马来西亚理工大学（UTM）通过Hi-Tech 869（F4）项目（Q.J130000.4609.00Q14）的资助。

CRediT作者贡献说明
Zeeshan khan：概念构建、形式分析、方法设计、软件应用、初稿撰写。
Mustafa Kamal：数据整理、资源获取、结果验证。
Asmat Ullah khan：实验研究、项目管理、结果验证。
Ghani Ur Rehman：数据整理、资源获取、结果验证。
Allah Bakhsh：形式分析、论文审阅与编辑。
Hamdan Dwi Rizqi：实验研究、方法设计、软件应用。
Hotaf Hassan Makki：形式分析、实验研究、结果验证。
Juhana Jaafar：概念构建、资金申请相关工作。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本综述所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
我们感谢马来西亚高等教育部（MOHE）通过HiCOE项目以及马来西亚理工大学（UTM）通过Hi-Tech 869（F4）项目所提供的研究支持。同时，我们也对巴基斯坦高等教育委员会（HEC）表示衷心的感谢。

Zeeshan khan | Mustafa Kamal | Asmat Ullah khan | Ghani Ur Rehman | Allah Bakhsh | Hamdan Dwi Rizqi | Hotaf Hassan Makki | Juhana Jaafar | Azmat Ali Khan | Masooma Irfan | Mukhlis A. Rahman
马来西亚柔佛州新山市UTM Skudai校区，化学与能源工程学院，先进膜技术研究中心（AMTEC），邮编81310