精读｜Nature子刊：光催化空气净化的前景与挑战！

如今，空气污染已经严重危害人类健康和环境，因此需要高效且可行的处理技术。在众多控制空气污染物的技术，最常用的方法是使用活性炭或高度多孔的材料进行吸附。然而，吸附剂需要经常更换，在潮湿条件下，由于水蒸气的竞争性吸附，吸附效率显着降低。虽然吸附剂的表面积很大，但是在低浓度的空气污染物下，平衡吸附能力却明显降低。而紫外线辐射、电离和非热等离子体分解等其他技术，可能会产生臭氧等有害副产物。热催化降解是有效的，但需要消耗大量能量。生物降解通常需要大规模的设施，且其活性受到环境因素的强烈限制。光催化空气净化技术是一种模拟自然光化学过程的技术，但是近几十年来其应用领域仍很有限。

在2021年5月5日，Nature Communnications在线刊登了题为“Photocatalytic air purification mimicking the self-cleaning process of the atmosphere”的评论文章。在文中，韩国浦项科技大学Wonyong Choi（通讯作者）等人简要讨论了与该技术有关的进展和挑战。鉴于常规方法的局限性，光催化氧化（PCO）可以在环境条件下利用太阳能（或人工）光将各种空气污染物降解为无毒或危害较小的物质，是一种理想的空气净化技术。研究发现，光催化剂（PC）过程（eq 1）与地球大气中的自清洁机制（eq 2）有一些内在相似之处，因为两者都基于间接（敏化）光氧化作用，在空气中生成原位氧化剂（如•OH）。

光催化与热催化的最大区别：光催化需要光子，而光子的通量限制了整个过程。因此，许多PCO反应更受光子通量的限制，而不是活性表面积的限制。光催化剂吸收光子产生成对的电子和空穴，这些电子和空穴与氧气、水和表面羟基反应生成活性氧（ROS），成为分解空气污染物的关键氧化剂。其中，研究最多的方法是将光催化剂的光吸收边缘扩展到可见光范围，以便使用更多的光子。通过分析1999-2018年出版的关于空气净化光催化剂的研究文献发现，在所研究的可见光催化剂中，改性TiO₂占比最大（55.9%），其次是Bi基材料（11.9%）和WO₃（7.3%）。对于改性TiO₂材料，大多数研究都是利用窄带隙半导体或金属纳米粒子来研究杂质掺杂和异质结，有助于提高电荷分离效率，从而产生更多的ROS。需注意，TiO₂基光催化剂是空气净化应用中研究最多、最实用的选择。TiO₂价带（VB）边缘的强氧化电位，及其优异的稳定性、低成本和低毒性，成为一种实用的光催化剂。因此，大多数光催化空气净化应用研究都采用了纯的和改性的TiO₂，在短期内不太可能被新的光催化材料所取代。

光催化材料需要寻找廉价、丰富、具有高可见光活性的材料作为TiO₂的替代物，使光催化技术更具可行性。其中，g-C₃N₄及其衍生物等碳基材料、碳纳米材料已被测试用于替代昂贵的贵金属助催化剂（Pt、Au、Pd等）。然而，碳基材料由于容易被光氧化而在辐照下表现出低的光活性和长期的不稳定性。需注意，对空气净化而言，可见光光催化剂并不总是最佳的实际解决方案。

一是光催化反应器的设计、优化和放大。由于PCO工艺既要考虑传质参数，又要考虑光传递参数，因此PCO反应器的优化更复杂。理想的反应器是允许足够数量的光子到达光催化剂的全表面积，以最大限度地提高整体空气处理效率。通常高温焙烧可以获得较高的结晶度和更强的附着力，但是需要大量的能耗和加热设施，不利于大规模的实际生产。因此，成功开发的室温固定化过程将促进光催化剂在各种用途上的商业应用。

综上所述，利用光净化被污染的空气是一种模仿自然过程的理想技术，很有潜力被开发为空气净化的关键技术，但仍需要在几个领域取得重大突破。当前的学术研究主要集中在材料开发上，但用于商业化的工程需要对实际问题进行更多的研究。此外，预计TiO₂基光催化剂仍将是主要材料。总之，光催化空气净化的最合适应用似乎是室内空气，其中污染物的浓度低于ppm级，并且可将灰尘和气溶胶等干扰物质的含量控制在最低水平。光催化室内空气净化的理想方案是利用室内环境光，因此需要开发更具活性的可见光响应材料。未来有关光催化空气净化的研究应更认真地解决实际问题，以弥合实验室研究与实际问题之间的差距。

Photocatalytic air purification mimicking the self-cleaning process of the atmosphere. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-22839-0.