综述：用于有机污染物降解的混合光电催化剂：突破水处理技术的极限

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hybrid Photoelectrocatalysts for Organic Contaminant Degradation: Pushing the Boundaries of Water Treatment

光电催化技术通过整合半导体与共催化剂、碳基材料和金属有机框架（MOFs）提升有机污染物降解效率，涉及染料、药物/个人护理品（PPCPs）、内分泌干扰物（EDCs）及全氟化合物（PFAS）处理。当前局限包括PFAS针对性研究不足、真实废水测试缺乏及副产物毒性评估不完善，未来需发展绿色合成工艺、TiO?纳米管/MOF异质结构及三元混合体系以解决稳定性与效率问题。

　　

阿米拉·卡孙·阿贝辛格（Amila Kasun Abeysinghe）|陈佳宏（Chia-Hung Chen）|陈旭兴（Wu-Xing Chen）|钱博燕（Po-Yen Chien）|伊雷莎·普雷马拉特内（Iresha Premarathne）|梁芳瑜（Fang-Yu Liang）|黄博荣（Po-Jung Huang）|陈伟翔（Wei-Hsiang Chen）|董成迪（Cheng-Di Dong）|彭艳萍（Yen-Ping Peng）

国立中山大学环境工程研究所，台湾高雄市连海路70号，80424

摘要

混合光电催化剂（PECs）已成为去除废水中有机污染物的有前景的材料。通过将半导体与共催化剂、碳基材料和金属有机框架（MOFs）结合，这些混合物表现出更好的光吸收、电荷分离、光电流生成和催化效率。本综述批判性地评估了主要类别的混合PECs在合成、优化和性能方面的最新进展，重点介绍了它们在降解染料、工业化学品、个人护理产品（PPCPs）、内分泌干扰化学物质（EDCs）以及新兴的全氟和多氟烷基物质（PFAS）中的应用。同时，也评估了当前系统的主要局限性，包括针对PFAS的PEC研究较少、在实际废水基质中的测试有限，以及对毒性和转化副产物的评估不足，这些因素继续限制了其实际应用。未来的研究方向包括开发绿色合成路线、探索基于TiO₂纳米管阵列（TNA）/MOF的半导体，以及改进三元混合系统，以解决与可持续性、稳定性和效率相关的问题。本综述清晰地概述了最新进展，并支持混合PEC技术向可持续水处理应用发展的趋势。

引言

水污染已成为一个严重的环境问题，有机污染物对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁[1]、[2]、[3]。有机污染物包括一大类含碳化合物。近几十年来，快速的工业化、城市化和农业扩张显著增加了这些物质在自然水体中的存在。主要来源包括合成染料[4]、个人护理产品（PPCPs）[5]、农药[6]和除草剂[7]、工业化学品[8]，以及BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）[9]、多环芳烃（PAHs）[10]、挥发性有机化合物（VOCs）[11]、氯化有机化合物[12]、邻苯二甲酸盐[13]等。新兴污染物如内分泌干扰化学物质（EDCs）[14]和全氟及多氟烷基物质（PFAS）[15]，以及持久性PPCPs[16]，由于其稳定性和对传统处理的抗性，进一步加剧了人们的担忧。

与许多无机污染物不同，有机污染物通常具有复杂的分子结构，并经历多种转化途径，这使得它们的去除变得具有挑战性。COVID-19大流行进一步增加了药物排放到水生系统中的量[17]。因此，需要先进的缓解策略[18]、[19]、[20]。

传统的处理方法，包括过滤、混凝和生物降解，由于这些有机污染物的复杂化学结构和水环境中的高稳定性，往往难以有效去除它们[21]、[22]、[23]、[24]。高级氧化过程（AOPs）作为一种有前景的解决方案应运而生[25]、[26]、[27]、[28]。AOPs依赖于原位生成高活性物质，如羟基自由基（·OH），可以有效地将持久性有机污染物降解为无害的副产物[29]、[30]。已经研究了多种AOP技术，包括光催化[31]、[32]、[33]、[34]、电化学氧化[35]、[36]、[37]、芬顿反应[38]、[39]和臭氧氧化[40]、[41]。然而，这些方法可能涉及高能耗、二次污染或运营成本限制[42]、[43]。

在AOPs中，光电催化（PEC）作为一种结合了光催化和电化学的方法而脱颖而出[44]、[45]、[46]、[47]。PEC系统结合了光催化（PC）和电催化（EC）机制，以提高降解效率。与传统PC系统相比，PEC具有以下优势：

1.

增强的电荷分离：在PEC系统中施加外部偏压可以显著减少电子-空穴复合，这是PC的主要缺点[17]、[48]、[49]。

2.

更高的氧化效率：PEC系统通过光催化和电化学氧化的共同作用生成更多的活性氧物种（ROS），如羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H₂O₂），从而加快污染物的降解速度[50]、[51]、[52]。

3.

更低的能耗：与电化学氧化不同，大多数PEC反应可以利用太阳光或可见光，而不需要高能量输入[45]、[53]、[54]。

4.

选择性污染物降解：通过调整施加的偏压和电极性质，PEC系统可以针对特定污染物进行降解，而在PC系统中这很难实现[17]、[55]、[56]。

第一代PEC系统依赖于单一组分的半导体，如TiO₂和WO₃。然而，这些材料存在固有的局限性，包括快速电荷复合、有限的可见光吸收和长期稳定性问题。例如，TiO₂的带隙较宽（约3.2电子伏特），使其活性仅限于紫外线区域（约占太阳光谱的5%）[57]、[58]。虽然WO₃具有更好的可见光吸收能力，但它容易发生光腐蚀，导致长期稳定性问题[59]。这些缺点限制了整体效率，促使人们开发混合PEC系统。

混合光电催化剂（PECs）旨在增强界面电荷分离、扩展光吸收范围并提高催化性能[60]、[61]、[62]。例如，将TiO₂与g-C₃N₄结合可以改善可见光响应和电荷转移[63]，而将BiVO₄与WO₃结合则可以增强载流子分离和稳定性[64]。这些策略旨在克服单一组分PEC系统的固有瓶颈。

尽管取得了显著进展，PEC技术仍主要处于实验室阶段。关键挑战包括长期稳定性、可扩展性、材料成本以及实际废水处理（WWT）的系统集成。需要进一步优化和混合设计策略来推动其在现实世界中的应用。

本综述全面而系统地概述了用于有机污染物降解的混合PECs。第2节简要介绍了与混合设计相关的PEC基本原理。第3节对主要混合架构（a、b1–b2、c1–c4和d）进行了分类，并讨论了它们的合成策略、界面特性和电荷转移机制。第4节批判性地评估了它们在不同污染物类别（包括染料、PPCPs、工业化学品、EDCs和PFAS）上的性能，重点关注性能趋势和潜在的机制行为。最后，第5节讨论了当前的限制、实际挑战和未来研究方向，以支持高效和可持续的混合PEC技术的发展。使用关键词混合光电催化剂、有机污染物降解、混合电极、光电催化降解和光电催化氧化在Web of Science数据库中搜索，发现了2000年至2024年间发表的3,356篇研究文章，显示出过去十年的增长趋势（图1）。尽管增长迅速，但专门针对有机污染物降解的混合PECs的综述仍然相对较少[45]、[65]。因此，本综述提供了对混合PECs的结构化和批判性评估，将材料架构与电荷转移机制和特定污染物的降解性能联系起来。

PEC技术概述

光电化学系统描述了光驱动的电化学过程，其中光照和外部电路共同作用，驱动电极表面的氧化还原反应。在这些系统中，光激发在光活性材料中生成载流子，而施加的电势指导它们的传输，并影响氧化或还原途径的 dominant。作为 umbrella concept，光电化学系统包括水分解等应用[66]

定义和重要性

混合PECs是复合材料，结合了两种或更多具有互补性质的组分，以提高其整体PEC性能。在用于有机污染物降解的PEC系统中，这些混合材料旨在克服单一组分系统的局限性，如较大的带隙、有限的可见光吸收、低效的电荷传输和快速的$e^{?}$$h^{+}$$O^{?}$${·}^{}$