综述：利用废弃物衍生催化剂中的多活性位点实现高效光催化臭氧氧化

《Journal of Water Process Engineering》：Harnessing multi-active sites in waste-derived catalysts toward efficient photocatalytic ozonation

　　**亮点**- 废物衍生催化剂实现高效且可持续的光催化臭氧氧化- 多活性位点协同促进臭氧活化和电荷分离- 缺陷工程与异质结优化活性氧生成路径- 生命周期评估和经济技术分析证明其环境效益和经济优势- 提出机器学习与原位技术用于下一代催化剂设计---**引言**全球水危机正以前所未有的速度加剧，目前已有超过30亿人面临严重的水资源短缺问题。新兴污染物（ECs）持续释放到水环境中进一步加剧了这一挑战，包括医药个人护理品（PPCPs）、内分泌干扰物（EDCs）和抗生素等，这在很大程度上是由快速工业化驱动的[1]。这些难降解污染物无法被常规污水处理工艺有效去除，通常去除效率低于50%，且在地表水、地下水甚至饮用水中普遍以纳克至微克每升的浓度被检出。其持久性引发了重大的生态和公共健康担忧，包括抗菌耐药性的扩散和水生生物中内分泌干扰效应的出现[2]、[3]。与此同时，工业和农业活动的加剧导致固体废弃物的大规模累积。冶金和矿物残余物，如钢渣、赤泥和粉煤灰，富含多种过渡金属氧化物。尽管这些材料传统上被视为环境负担，但它们实际上代表着未被充分利用的催化资源储备[4]、[5]、[6]。例如，仅中国每年就产生超过1.9亿吨钢渣，但其综合利用率仍低于30%[7]。同样，全球赤泥的堆积量已超过40亿吨，由于碱性浸出液和重金属释放而带来严重的环境风险[8]、[9]、[10]。因此，将这些固体废弃物转化为高性能水处理催化剂——体现"以废治废"的理念——已成为循环经济与环境可持续性交叉领域的重要研究前沿。高级氧化技术（AOPs）被广泛认为是应对不可生物降解有机污染物最具前景的策略之一，因为它能够产生高反应活性的活性氧（ROS）[11]。然而，单一的高级氧化技术存在固有的局限性。单独臭氧氧化受限于臭氧（O?）的选择性反应性，且对难降解中间产物完全矿化的能力有限。同时，光催化往往受限于光生载流子的快速复合和低量子效率[12]、[13]。光臭氧氧化将光催化和臭氧氧化整合在同一系统中，通过显著的协同效应提供了极具吸引力的解决方案，报道的协同指数（SI）最高可达5.8[14]、[15]。这种协同效应源于以下关键机制：(i) 光生电子（e?）与O?反应生成超氧自由基（•O??）并进一步生成•OH，从而抑制电子-空穴的复合；(ii) O?作为高效的电子受体，增强电荷分离和光催化量子产率；以及(iii) 多金属活性位点同时促进O?的分解和光催化氧化还原反应。这些过程共同产生多样化的活性氧谱，包括•OH、1O?、•O??和O?•?，实现对污染物的非选择性"交叉降解"，克服了单一氧化剂系统的局限性[15]、[16]、[17]。值得注意的是，钢渣和赤泥等矿物和冶金废弃物天然含有多种金属元素（如Fe、Ti、Al、Ca、Mn和Mg）。这些组分的共存促进了复杂异质结和富含缺陷结构的形成，在结构上与合成的高熵氧化物（HEOs）类似[18]、[19]。其通常为无定形或半晶态的特性进一步赋予它们丰富的表面缺陷，特别是氧空位（O_V），对臭氧的吸附和活化表现出强亲和力[20]、[21]、[22]。此外，废物衍生催化剂近乎零的边际成本和良好的生命周期碳足迹与绿色化学和可持续发展的原则高度一致[23]、[24]。尽管具有上述优势，但仍存在若干亟待解决的关键挑战。首先，多金属废物系统固有的"高熵效应"尚未得到系统阐明或定量描述。其次，缺乏指导低反应性废物向高效光臭氧氧化催化剂进行可控结构转化的理论框架。第三，面向大规模实施的综合生命周期评估（LCA）和经济技术分析（TEA）仍然稀缺。在此背景下，本综述旨在建立废物衍生光臭氧氧化系统的全面知识框架，为可持续催化剂的合理设计和规模化应用提供机理见解和实践指导。---**各章节摘要****钢渣**钢渣（SS）是钢铁工业的主要副产品，年产量超过1.9亿吨，迫切需要有效的资源化利用策略[7]。SS由复杂的矿物相组成，包括硅酸二钙（C?S）、铝酸四钙（C?AF）以及各种氧化铁（FeO、Fe?O?、Fe?O?）。铁相的丰富赋予其固有的磁性，便于磁分离和回收再利用[9]、[25]。**缺陷工程：氧空位**氧空位（O_V）是过渡金属氧化物中最普遍的缺陷之一，在光催化臭氧氧化系统中发挥双重功能作用（图3）。一方面，O_V作为路易斯酸位点优先吸附O?的末端氧原子，削弱O-O键并促进其分解为活性氧（ROS），如•OH和•O??。另一方面，它们作为电子陷阱中心，延长光生载流子的寿命。**多金属位点驱动的表面臭氧活化**在非均相催化臭氧氧化（HCO）系统中，废物衍生催化剂通过提供丰富的表面活性位点来促进臭氧的吸附和分解，从而产生活性氧（ROS）。嵌入废物基质中的过渡金属氧化物作为主要的催化中心，其配位环境决定臭氧活化路径和整体氧化效率[26]、[121]、[122]。特别是Fe和Mn物种的引入……**生命周期评估（LCA）与经济技术分析（TEA）**固体废弃物衍生催化剂在高级氧化技术（AOPs）中的实际实施不仅取决于催化性能，还取决于其整体可持续性，这通常通过生命周期评估（LCA）和经济技术分析（TEA）进行评价。这些互补方法为环境影响和经济可行性提供了关键见解，构成了大规模部署的基础。**技术挑战与未来展望**尽管固体废弃物衍生材料已展示了催化效率和可持续性方面的优势，但要实现从实验室规模研究向大规模工业部署的转变，仍需解决若干关键瓶颈问题。**结论**将冶金和矿物固体废弃物转化为功能性催化剂是循环经济驱动的环境修复领域的关键前沿。光催化和臭氧氧化在同一系统中的整合有效克服了单一工艺的局限性，通过扩展的活性氧（ROS）网络实现对难降解污染物的快速矿化。赤泥和钢渣等固体废弃物提供了天然的多金属平台……**CRediT作者贡献声明****于燕**：撰写——审阅与编辑。**曹佳鑫**：撰写——原稿撰写。**纪泽华**：撰写——审阅与编辑、资金获取。**吴梦雁**：概念构思。**杨会喜**：概念构思。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本工作由**国家重点研发计划**（2023YFC3207100）、**内蒙古自治区科技计划**（2025YFDZ0049）和**国家自然科学基金**（52200164）提供资助。于燕 | 曹佳鑫 | 纪泽华 | 吴梦雁 | 杨会喜