Carbon Research | 固体废物衍生的碳质催化剂在环境和能源领域的应用

SW-CCs在催化领域具有极好的应用前景。SW-CCs的理化性质可以通过选择合适的原料和制备方法来改变。含有内源金属或非金属的原料可以在热解过程通过原位掺杂获得SW-CCs，包括超富集植物、污泥和含金属固体废物（赤泥、金属尾矿和煤矸石）。另外，它们也可以与有机固废共热解制备SW-CCs，增强催化活性。SW-CCs的不同性质会影响催化活性，如SSA、表面电荷、元素组成和官能团含量，所有这些都会影响CCs表面活性位点的分布和数量。目前，SW-CCs已被逐渐应用于环境修复（PS活化、Fenton-like和光催化氧化）和能源领域（生物柴油和H₂生产以及CO₂转化）。含金属的SW-CCs应用前景广阔，金属可以在高温热解过程中转化为适合催化反应的活性位点。SW-CCs已被应用于光催化降解污染物并生产燃料。当用作独立的光催化剂时，它们主要依赖于表面功能结构，例如表面官能团、石墨结构和缺陷结构。当SW-CCs被用作光催化剂载体时，它们抑制 e ^- -h ⁺ 复合，加速电子转移，减小带隙宽度，并增加可见光响应范围。富钙的CCs已被证明是通过酯化反应生产生物柴油的优异催化剂，原料来源丰富，例如贝壳和蛋壳。将CCs与钙源结合可减少 Ca ^{2 +} 浸出并提高CCs的可回收性。 在CO₂转化方面，SW-CC可以作为光催化剂/电催化剂将CO₂转化为高附加值产品。 尽管SW-CCs在催化领域的应用仍处于早期阶段，但已成为一个热门话题。 对未来研究的建议包括但不限于：

（1）新兴污染物已成为全球关注的热门话题，研究SW-CCs吸附和降解新兴污染物的潜力。CCs表面降解过程中形成的中间产物难以量化。目前大多数研究仅评估水中的中间产物，而忽略吸附在碳质材料上的中间产物，可能会在回收过程中造成二次污染。此外，迫切需要对中间体进行毒性评估。目前大多数研究依赖模型进行评估，得出的结果不够精确。很少有研究用真菌进行实验，但结果有限。未来的研究可以引入毒理学评估模型生物（如斑马鱼）来系统地评估中间毒性。

（2）另一个值得关注的问题是回收和处置废弃的SW-CCs以促进可持续发展。目前使用的方法包括磁化和膜分离，但磁分离很少用于大规模应用。此外，经过多次重复使用循环后，SW-CCs中的金属可能会渗入反应系统中。在扩大应用之前，需要进行全面的环境和生命周期影响评估。

（3）各种AOPs被用于降解有机污染物，例如亚硫酸盐、碘酸盐和过碳酸盐，受到广泛关注。然而，SW-CCs作为AOPs的催化剂仍处于早期阶段，应尽快探索其效率和机制。未来应开发合适的淬灭实验、探针实验和电子自旋共振光谱方法来准确检测反应体系中产生的ROS。

（4）传统的CCs制备方法主要通过因素控制和响应面分析，耗时且低效。机器学习已成功应用于催化剂合成，阐明材料设计与实际应用之间的内在联系。未来，通过机器学习对CCs进行逆向设计可以为催化剂制备提供合理指导。

（5）废水中的有机化合物也是一种资源。一些研究正在探索通过基于AOPs的聚合反应将水中的有机污染物转化为有价值的副产品。由于SW-CCs表面化学特征的复杂性和异质性，其选择性和稳定性仍然受到限制。进一步研究应深入研究碳质材料表面官能团与催化活性之间的协同效应，这将推动SW-CCs的进一步发展。为了探索协同效应，可以使用一些先进的表征设备来阐明碳质材料在反应过程中表面官能团的变化，例如原位XPS、原位FTIR、原位EPR和原位拉曼光谱，特别是阐明官能团的类型和数量与ROS形成之间的关系。此外，还可以通过氧化等化学方法选择性去除碳质材料上的表面官能团，探讨官能团在反应过程中的作用。该综述系统地总结了SW-CC在环境和能源领域的应用，为SW-CC在催化领域的发展提供技术支撑。