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翁波/谢佳芳/贾宏鹏/郑煜铭Nature Reviews Clean Technology：用于环境修复的光辅助技术

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-13 14:54

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第一作者：翁波

通讯作者：翁波，谢佳芳，贾宏鹏，郑煜铭

通讯单位：中国科学院城市环境研究所

论文DOI： https://doi.org/10.1038/s44359-025-00037-1

【全文速览】

工业生产过程中会释放多种污染物，导致空气和水环境的污染，尤其是甲苯和抗生素等有机污染物的排放，可能对生态系统和人类健康造成严重危害。光辅助化学氧化技术通过利用光能激发反应，使这些有机污染物发生矿化降解，从而降低其环境危害并提高污染治理的效率。近日，中国科学院城市环境研究所翁波，谢佳芳，贾宏鹏，郑煜铭在 Nature Reviews Clean Technology 上发表题为“Photo-assisted technologies for environmental remediation”的综述性论文（图1）。该综述探讨了光辅助高级氧化工艺在废水处理中的机制与效率，以及光热催化氧化技术在空气净化中的应用。太阳能的引入可提高降解效率并降低能耗，从而获得更高效的修复方法。综述评估了光辅助技术，包括光-Fenton、光活化过硫酸盐、光催化臭氧化和光电化学氧化，的实际应用潜力。最后，该综述讨论了光辅助化学氧化技术在规模化应用中面临的挑战，以满足特定的环境修复需求。尽管光辅助技术已被证明在环境修复中具有良好效果，但大规模应用仍受高成本限制。未来，光辅助技术的应用前景将取决于针对特定污染场景的技术选择，以及优化工程工艺以降低成本。

图1. 光辅助技术用于水和空气净化示意图。

1. 研究背景

水体和空气的环境污染会对人类健康和生态系统产生不利影响。为消除有机污染物，已开发出多种修复技术，如化学氧化、吸附和过滤等方法。其中，高级氧化工艺（AOPs）和热催化氧化因其广泛适用性及能实现污染物的完全矿化而备受关注，同时避免了二次污染的产生。然而，这些方法通常成本较高，因此亟需更高效且经济可行的解决方案。将太阳能集成到污染修复技术中可提高其效率和可持续性。太阳能可与化学氧化过程相互作用，促进活性氧物种（ROS）的生成，从而加速污染物的降解并减少对外部能源的依赖。例如，在光-Fenton活化这一典型的光辅助AOP中，光的引入可增强AOP效率，通过产生更多羟基自由基实现污染物的完全矿化，减少外部能量输入。此外，其他基于光的氧化技术也被广泛应用于水和空气净化领域。

尽管光辅助化学氧化技术具有良好的应用前景，但其在实际环境应用中仍面临诸多挑战。首要问题是催化剂或氧化剂对光的吸收能力有限，这主要由两方面因素导致：材料的吸收光谱范围较窄，使其活性仅限于太阳光谱的一小部分；以及光辅助催化反应体系中存在杂质，会反射或吸收光线，从而影响光吸收效率。此外，催化剂的稳定性也是一个关键问题，许多催化剂在长期使用过程中可能发生降解或失活，导致催化效果下降，并可能引发金属离子泄漏。污染环境中的重金属和其他共存污染物可能会与催化反应竞争，降低光生活性物种的有效性，进而削弱修复效率。这种竞争通常需要增加催化剂用量或延长反应时间，从而影响整体技术的可行性。另一个不可忽视的因素是光辅助技术的经济可行性和可持续性，尤其是在大规模应用中，催化剂生产成本和能耗的平衡对技术的整体效率至关重要。因此，解决这些问题对于推动光辅助技术在环境修复中的应用至关重要。

在本综述中，我们介绍了光辅助技术在水和空气净化方面的应用，重点讨论了光辅助高级氧化工艺（包括光-Fenton、光活化过硫酸盐、光催化臭氧化和光电化学氧化）在水处理中的作用，并解析其反应机理和降解效率。本综述不涵盖基于半导体的光催化技术，因为我们主要关注光作为辅助方法，而非主要技术路线。此外，我们还探讨了光辅助热催化氧化技术在空气净化中的应用及优势，特别是在挥发性有机化合物（VOC）处理方面。最后，我们评估了光辅助技术的发展阶段及其经济成本，以分析其在实际应用中的可行性。

2. 光辅助高级氧化技术在污水处理中的应用

在水净化过程中，Fenton 氧化等氧化工艺通常需要大量 H ₂ O ₂ 作为氧化剂，这不仅提高了化学药剂的消耗量，也增加了运行成本。尽管这些方法在污染物去除方面表现良好，但如何减少 H ₂ O ₂ 的用量并降低整体系统成本仍是亟需解决的问题。为此，研究人员提出了一些基于光能的策略，以降低成本并提高处理效率（图 2）。通过集成光化学技术，如紫外（UV）辅助催化，可以显著提升抗生素等污染物的降解效率，从而减少整体能耗，并充分利用可再生能源。此外，先进的光捕获材料和技术的引入可优化自然太阳光的利用，降低对化石燃料能源的依赖，从而提高水处理工艺的可持续性。

图2. 不同光辅助高级氧化技术原理示意图。（a）光-Fenton，（b）光活化过硫酸盐，（c）光催化臭氧化和（d）光电化学氧化。（e）不同光辅助高级氧化技术将1m ³ 水中污染物浓度降低一个数量级所需的电能（E _EO ）示意图。

3. 光辅助技术在空气净化领域中的应用

空气净化技术包括回收技术（如吸收、冷凝和膜分离）以及破坏性方法（如热焚烧和热催化氧化）。破坏性方法可将有机污染物（特别是甲苯和苯等挥发性有机化合物，VOCs）完全降解为 CO ₂ 和水等小分子。然而，此类方法通常需要外部能源和/或催化剂的辅助，以将污染物分解为最终产物。典型的热催化氧化工艺可通过引入可再生能源（如太阳能）作为辅助能源来提升效率。太阳能可通过光辅助热催化（或光热催化）直接转换为电能、热能和化学能，从而充分利用整个太阳光谱，包括可见光和红外光等扩展波长范围。因此，高能耗的热催化方法可利用光诱导加热效应或集聚太阳辐射，实现较高温度，从而降低系统的能源消耗。

图3. 光辅助技术在空气净化中的作用机制（a）；与传统电加热热催化相比，光热催化在 250°C 反应温度下对不同催化剂的性能提升（b）；通过光热催化（光照驱动）与传统热催化（电加热供能）对比，不同催化剂达到 90% 污染物转化率（T ₉₀ ）所需的温度下降情况（c）。

【总结与展望】

光辅助技术可用于去除水体和空气中的有机污染物。通过利用太阳能，这些技术不仅能够提高污染物去除效率，还能减少能源消耗。然而，尽管取得了一定进展，光辅助技术在大规模环境修复中的应用仍面临诸多挑战。

在废水处理过程中，水中的杂质可能会吸收或反射光线，从而降低光与催化材料或氧化剂（如 H ₂ O ₂ 和 O ₃ ）之间的相互作用，导致光辅助高级氧化工艺（AOPs）的效率下降。为应对这一挑战，可以设计减少光深度穿透需求的反应器，例如平板反应器，以提高光辅助技术的有效性。此外，开发具有高光吸收效率的先进催化材料，以利用低能量光子（如可见光或红外光），也是提高效率的重要策略。增强光吸收的方法包括：选择窄带隙催化剂、通过掺杂或缺陷工程引入中间能级以缩小半导体带隙、在催化剂表面包覆局域表面等离子共振材料（如贵金属或碳基材料）、使用染料敏化剂或量子点、整合上转换材料将红外光转化为紫外或可见光，以及构建纳米结构（如纳米棒、纳米线、光子晶体结构和表面微纳米纹理）。光吸收的提升将促进活性氧（ROS）的生成，从而提高污染物降解效率。此外，在办公楼、工厂和家庭等场景下，为室内光环境开发高效催化剂，将有助于推动光辅助空气净化技术的实际应用。

光辅助技术的经济性分析往往被忽视。现有研究主要集中在运行成本和能源消耗方面，例如光源能耗，相较于传统方法，光辅助技术通常具有更低的能耗。然而，传统方法因具备成熟的基础设施，更容易实现规模化，而光辅助技术的初始资本成本较高，包括光反应器、光源、催化剂和相关基础设施的投资等，这些因素往往未被充分考虑。高质量光源、高效稳定的催化剂以及优化设计的光反应器是实现高效环境修复的关键。将光辅助技术与其他废水处理系统结合，可以有效降低系统成本。例如，在当前密度10 mA cm ^-2 条件下，太阳能光电-Fenton 过程用于厌氧消化系统中去除有机污染物的总能耗约为1.4 美元/小时，仅为传统活性污泥法（10.64 美元/小时）能耗的约十分之一。同样，将光-Fenton 或臭氧氧化与膜系统结合，可以通过减少总处理体积降低氧化过程的运行成本。因此，将这些技术整合至现有水处理系统中，具有降低成本和提高效率的潜力，使其成为大规模环境修复的可行选择。

此外，许多光辅助技术依赖于贵金属等稀缺或昂贵的催化材料，而这些材料的开采、加工和处理可能会对环境造成较大影响。因此，催化剂需具备经济性和长期稳定性，能够在长期暴露于光照和污染物环境中而不失活。为了提高光辅助技术的可持续性，开发新型反应体系同样至关重要。例如，具备双功能的光（电）催化过程，可在处理废水的同时回收能源，如生成H ₂ 或H ₂ O ₂ ，这将成为下一代光辅助水处理技术的发展方向。此外，全面的生命周期评估（LCA），涵盖从原材料提取到最终处置的全过程分析，对于验证光辅助技术的可持续性至关重要。然而，目前该领域的生命周期评估研究仍然较为缺乏，需要进一步加强。

【文献信息】

Weng, B., Zhang, M., Lin, Y. et al. Photo-assisted technologies for environmental remediation. Nat. Rev. Clean Technol. (2025).

https://doi.org/10.1038/s44359-025-00037-1

【作者介绍】

翁波，研究员，中国科学院BR计划候选人，福建省引进高层次创业创新人才，福建省高层次人才，欧盟玛丽居里学者，比利时FWO研究学者。2024年加入中国科学院城市环境研究所，主要从事能源与环境光/电催化研究。近年来，第一作者或通讯作者在Nat. Rev. Clean Technol. Angew. Chem., Adv. Mater., Nat. Commun.等期刊发表论文40篇。受邀担任NPJ Clean Water, Scientific Report期刊编委；Chem, Carbon Energy, Chin. Chem. Lett., EcoMat, EcoEnergy等期刊青年编委。担任Chem, Adv. Funct. Mater, Carbon Energy, ChemSusChem, RSC Mater. Adv.等期刊客座编辑。受邀担任国家自然科学基金，欧盟玛丽居里博士后基金项目评审专家。同时担任Nat. Water, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.等国际期刊审稿人。

谢佳芳，中国科学院城市环境研究所副研究员，硕士生导师。围绕环境电化学新材料与新过程开展研究。主持和核心参加国家和省部级等项目9项。在Nat. Rev. Clean Technol.、Nat. Rev. Chem.、Acc. Chem. Res.、Angew、Water Res.等期刊发表论文30余篇，h因子25；授权发明专利3项，参编英文专著1部。获中科院青促会会员、厦门市高层次人才。

贾宏鹏，中国科学院城市环境研究所研究员，博士生导师。围绕挥发性有机物（VOCs）净化新材料和新技术开展研究。主持国家自然科学基金区域联合重点项目、国家重点研发计划课题、中科院前沿科学重点项目等20余项。在Nat. Rev. Clean Technol.、Chem. Soc. Rev.、Angew、EST、APCATB等期刊发表论文110余篇；授权专利20项；参编专著2部。获国务院特殊津贴、中科院百人结题优秀、中科院优秀导师、卢嘉锡优秀导师、福建省创新之星、百千万人才工程等及环境保护科学技术二等奖、福建省自然科学三等奖、山东省科技进步二等奖。担任了环境学会青年科学家分会、VOCs污染防治专委会、材料学会环境材料分会委员及JES编委、CCL青年编委等。

翁波/谢佳芳/贾宏鹏/郑煜铭Nature Reviews Clean Technology：用于环境修复的光辅助技术

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