1. 引言
光催化是一种环保工艺，通过光照激发催化剂材料来推动氧化还原反应。为提升光催化活性，人们将金属原子以孤立单原子形式分散并固定在半导体光催化剂载体上，从而形成单原子催化剂（SACs）。(1)从理论上讲，SACs具备良好的可持续性，但由于应用条件的限制，其潜力未能充分发挥。现有研究多聚焦于提升单一环节的可持续性，而为确保整个工艺的可持续性，人们引入了全生命周期概念，从研发、使用及回收三个阶段探讨SACs的工业化与可持续性之间的平衡关系（图1）。
图1
图1. 从全生命周期视角看单原子光催化剂的工业化与可持续性之间的矛盾与平衡。
2. 单原子光催化的可持续性潜力
SACs不仅能通过增加活性位点、促进载流子分离与迁移来优化光催化过程(2)，还能在工业应用中从多个维度提升工艺的可持续性。
减少对贵金属资源的依赖：可通过过渡金属制备SACs，使其具备与贵金属相当的催化效率，从而降低对贵金属资源开发的需求。
降低催化剂成本：理论上，SACs可实现100%的原子利用率，进而节省催化剂成本与消耗。
减少副产物生成：SACs表面的每个活性中心结构几乎一致，这有助于抑制副反应，提升整体资源利用率，减少工艺带来的环境污染。(3)
3. SACs工业化与资源可持续性之间的矛盾
尽管SACs在理论上具有较高的可持续性，但在实际应用中仍存在诸多问题，阻碍其潜力发挥。
制备过程不够环保。为保证工业用光催化剂的稳定性，需要更复杂的载体来固定单原子，而这些载体的合成通常涉及多重有机反应，会消耗大量溶剂并产生有毒副产物。此外，单原子与载体的负载过程也需要比实验室更复杂的条件，进一步增加了能源消耗，这些都与低碳可持续的目标相悖。
使用寿命较短。在强催化条件下，单原子活性位点容易发生自发迁移和聚集，导致催化活性下降。(4,5)由于催化剂活性衰减较快，需要频繁更换，大幅增加了整体资源投入。
回收成本较高。载体上的金属颗粒尺寸极小且分布极为均匀，回收这些金属原子所需的能源与化学成本可能远高于其自身价值，这与资源回收的初衷背道而驰。
4. 基于全生命周期视角的SACs工业过程管理
全生命周期涵盖了从原材料获取到最终处置的完整闭环。通过整体平衡各阶段的需求与影响，可避免环境负担在不同阶段之间盲目转移，从而确保该技术路径在长期运行中的环境友好性与经济可行性。严格的生命周期评估反馈机制能够让各阶段协同运作，保障SACs在整个工业应用过程中的可持续性。
为解决制备过程中的环保问题，需从研发阶段就开始考虑可持续性。(8)研究人员应优先选择绿色合成路径，而非依赖高耗溶剂的多元有机反应，例如对污水污泥等废弃物原料进行原位转化(9)。这种策略用天然的废弃物结构替代复杂的工程化载体，从源头大幅减少溶剂消耗与能源投入。此外，从实用性角度出发，还需将耐久性、可回收性与催化活性同等视为设计参数。为解决原子迁移导致的短寿命问题，研发工作需重点致力于构建稳定的金属-载体相互作用机制或实现空间限制。在应用层面，应将目标从追求峰值活性转变为最大化累计产出，通过更温和的反应条件避免催化剂快速失活，进而降低整体资源投入。
在应用阶段，应优化工艺参数，避免出现加速催化剂失活的极端条件。工业应用无需一味追求理论上的最高活性，而应找到反应效率与催化剂稳定性之间的最佳平衡点。实际的催化效率可作为反馈信息，反哺研发阶段。此外，开发原位再生技术可以延长催化剂使用寿命，减少整个系统使用寿命内的生产周期总数，这正是催化剂应用中生命周期思维的核心体现。
在产品寿命终结后的处理阶段，最有效的解决办法是在合成过程中就预设可回收特性。例如，加入铁磁成分即可通过低能耗磁分离的方式回收催化剂，无需采用成本高昂的化学浸出法。当回收率超过90%时，整体资源消耗可降低50%(8)。回收后的材料可重新用于制备SACs，但在进行寿命终结处理时，需权衡这些益处与潜在的二次污染问题，确保最终的环境影响为正。如果回收成本远高于其带来的收益，那么相比回收，更应考虑低排放处置方式。
综上所述，要实现SACs的工业化与可持续性平衡，需要在应用阶段与研发阶段之间建立反馈机制，同时持续将回收材料转化为SACs用于研究或实际应用。这样既能保持SACs作为可持续光催化剂的优势，也有助于进一步提升资源的可持续利用水平。
