综述：通过混合吸附光催化复合材料实现可持续的水净化：过去十年的进展

《Microchemical Journal》：Sustainable water purification through hybrid adsorption photocatalyst composite: Past decade insight

　　萨希尔·亚达夫（Sahil Yadav）|普贾·考希克（Pooja Kaushik）|安努·达拉尔（Annu Dalal）|尼希塔·夏尔玛（Nishita Sharma）|帕蒂克莎·潘加尔（Partiksha Panghal）|阿鲁娜·亚达夫（Aruna Yadav）|索尼卡·辛格（Sonika Singh）|苏伦德·库马尔（Surender Kumar）
印度哈里亚纳邦比瓦尼（Bhiwani）127031，乔杜里·班西·拉尔大学（Chaudhary Bansi Lal University）化学系

**摘要**
在单一复合材料中，吸附与光催化的协同过程已成为解决废水问题的有前景且可持续的方法之一。本综述介绍了双功能材料的最新发展，包括协同作用、光驱动的降解效率以及吸附剂-催化剂组件的长期可回收性。根据现有文献，这种混合系统对污染物（如染料、抗生素等）的光降解效率可达90–99%，并且混合结构的重复使用次数约为5–8次。本文还基于表面形态、化学反应性和一般设计原则，讨论了三种主要类型的混合结构：碳基结构、金属氧化物基结构和聚合物结构。特别关注了先进的电荷转移结构（如II型异质结）、等离子体增强过程以及纳米级改性，这些都能增强对太阳光的吸收和电荷载流子的分离效果。此外，还探讨了操作参数（如pH值、光照强度和污染物浓度）对过程效率和系统稳定性的影响。最后，强调了提高可回收性和促进大规模应用的策略。本手稿采取了以环境为导向的方法，重点关注低废物、太阳能驱动和可扩展的水净化技术。总之，所提出的见解有望支持符合循环经济和可再生能源使用原则的混合材料的发展，以确保高效的污染治理过程。

**引言**
水是所有生物过程的基础，对于维持人类文明的环境平衡至关重要。其重要性不仅体现在饮用方面，还影响农业产出、工业生产以及人口和健康的基础设施。目前全球正面临前所未有的淡水短缺问题，预计到2050年，对清洁水的需求将超过可用淡水资源，尤其是在人口增长和工业化迅速发展的国家[1]。自然水体的污染已成为这一危机中最紧迫的问题之一[2]。河流、湖泊和地下水系统受到农药、有毒金属、合成色素等有害物质的污染，这些物质不仅对人类健康构成威胁，也对水生生态系统的健康造成危害[3]。许多污染物难以通过自然方式分解，因此其长期环境影响加剧。水污染已从一个局部问题演变为一种全球性的威胁[4]。

有机污染物是纺织品加工、制药制造和食品工业等过程中排放的主要污染物之一[5][6]。据估计，每年有超过五万吨此类化学物质进入水生环境，其中近80%在排放前未得到适当处理[7]。这些化合物不仅改变水体的外观和化学性质，还妨碍光合作用并降低溶解氧水平[8][9]。某些染料具有致癌或致突变性，对人类和其他生物具有灾难性影响[10][11]。为应对日益严重的污染问题，采用了多种物理、化学和生物水处理技术[12]。电化学氧化[13]、生物过滤[14]、膜分离[15][16]和混凝[17]等技术在去除悬浮颗粒和粗大杂质方面效果显著。然而，由于运行成本高和二次污泥处理困难，这些技术的广泛应用受到限制[17]。氧化和氯化等化学处理技术虽然氧化能力强，但通常会产生有毒副产物[17]。近年来，吸附和光催化降解因具有环境安全性、可重复使用性以及能够分解顽固有机污染物而受到关注[18][19][20]。总体而言，吸附因操作简单、成本低且去除效果显著而常用于废水处理[21][22]。活性炭、沸石矿物、壳聚糖相关系统、木质纤维素材料、聚合物纳米复合膜和微结构片材等吸附材料已被证明非常有效[23][24]。不过，吸附在吸附剂再生、二次废物管理和重复使用次数增加方面存在局限性[23][24]。相比之下，光催化在光照下可将污染物分解为无害的最终产物，且不产生残留物[25]。ZnO、CdS、WO3、g-C3N4和多种改性TiO2等半导体光催化剂已被广泛研究用于太阳能驱动的净化[26][27][28]。

**结论**
近年来，结合吸附和光催化的方法逐渐成为高效处理方法，因为这两种过程可以相互补充。首先，吸附剂在催化剂界面吸附污染物，使其集中在界面处而非沉积在光敏催化剂上，从而创造更有利的降解条件。光照后，光催化成分使吸附物质完全矿化，生成二氧化碳和水等无害物质[29][30]。该方法不仅能够恢复吸附剂表面，还能保持系统的长期催化性能，使其在实际水处理中具有经济可行性[31]。2006年至2025年间相关出版物数量显著增加，包括260篇以上的研究论文、约12篇综述文章以及140多项化学相关研究，表明结合吸附和光催化活性的多功能材料制备取得了显著进展[32]。数据显示，吸附-光催化混合系统在污染物去除方面具有高效率。例如，玉米芯衍生活性炭-TiO?混合物对头孢曲松钠的吸附能力高达844 mg/g，光催化降解效率达99.6%。自由基清除实验表明，复合材料的光催化降解主要依靠超氧阴离子和羟基自由基。玉米芯衍生活性炭-TiO?可重复使用五次后仍保持80%以上的光催化降解效率，使该过程更具经济性[33]。功能化TiO?/MWCNT复合材料对煤油的去除效率高达84%，显示出其在石油污染物治理方面的巨大潜力[34]。微波辅助热解可生产出具有优异性能的高质量生物炭，适用于可持续环境和农业应用[35]。功能化碳纳米管基纳米复合材料具有高吸附能力（130–180 mg/g），能有效去除废水中的重金属离子[36]。V:Ce/MWCNT纳米复合材料对煤油的去除效率达85%，吸附能力为4270 mg/g，显示出作为碳氢化合物污染水体高级吸附剂的优越性[37]。碳纳米管与其他材料结合可增强净化效果。水热合成的α-MnO?在400°C时表现出最高催化活性，在H?O?分解方面优于MnO?-TiO?复合材料[38]。高压高温环境下的高压釜可生成高度结晶的材料。良好的结晶度意味着更少的结构缺陷，从而减少光生电子-空穴对重新结合（竞争反应）的机会，提高光降解效率。通过刮刀技术制备的TiO?–CuxS–粉煤灰对亚甲蓝染料的光催化降解效率可达99%，吸附等温线符合朗缪尔（Langmuir）和弗伦德里希（Freundlich）模型，强调了协同作用对整体性能的提升[39]。因此，本综述重点探讨了环保且经济可行的吸附剂-光催化剂混合材料在废水处理中的应用策略。

**部分摘录**
**吸附**
吸附是一种表面过程，其中污染物（称为吸附质）沉积在固体材料（称为吸附剂）的表面[32]。吸附局限于界面，而吸收则涉及介质内部的渗透。吸附可分为物理吸附（受弱范德华力控制，通常是可逆的）和化学吸附（受强化学键控制，通常是不可逆的）。

**光催化降解**
光催化降解作为一种高效且可持续的方法，能够利用太阳能驱动氧化还原反应，是一种清洁、经济且可再生的能源，不同于仅将污染物从水相转移到固相的吸附或膜基技术。光催化系统能将有机化合物完全矿化为无毒的最终产物（如CO?和H?O）。

**吸附与光催化的结合**
吸附与光催化的结合是消除环境中污染物的有效方法。图3展示了吸附与光催化共同作用的过程。通过这两种方法的协同整合，可以减少各自的缺点，并获得高效率、经济性、多功能性、催化剂可重复使用性和完全矿化等优势[119]。

**现代吸附-光催化复合材料**
本章综述了结合吸附和光催化以有效去除污染物的混合材料的最新进展。这些材料可分为三类：含碳材料、含金属氧化物材料和含聚合物材料。

**未来展望**
未来发展方向包括在吸附-光催化混合系统的实际应用中取得重大突破。未来的研究方向包括合理设计带隙结构和复杂的异质结架构（如II型（Z型、S型）以改善对太阳光的利用和电荷分离。需实现吸附与光催化之间的平衡，因为过度吸附可能会抑制催化作用（因为光是光催化的关键）。

**结论与未来展望**
本综述分析了当前吸附-光催化混合复合材料在废水处理中的高效性能，强调了材料物理化学性质、结构、孔隙率和表面积对性能优化的重要性。

**作者贡献声明**
萨希尔·亚达夫（Sahil Yadav）：撰写原始草稿、方法论、概念构建。
普贾·考希克（Pooja Kaushik）：撰写原始草稿、方法论、概念构建。
安努·达拉尔（Annu Dalal）：撰写、审稿与编辑、可视化、方法论。
帕蒂克莎·潘加尔（Partiksha Panghal）：撰写、审稿与编辑、可视化、方法论。
阿鲁娜·亚达夫（Aruna Yadav）：撰写、审稿与编辑、方法论。
索尼卡·辛格（Sonika Singh）：可视化、资源准备。
苏伦德·库马尔（Surender Kumar）：可视化、监督。

**伦理声明**
本研究未涉及任何人类或动物实验。

**资助**
本研究得到了印度哈里亚纳邦科学技术委员会的支持（资助编号：HSCSIT/R&D/2025/1550, 2025）。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了印度哈里亚纳邦科学技术委员会（资助编号：HSCSIT/R&D/2025/1550, 2025）的支持。同时感谢印度科学和工业研究委员会-HRD小组及印度大学教育委员会（UGC）的研究支持。