纪红兵教授、余长林教授：光/热催化环境净化展望

利用先进催化技术进行环境净化的研究是当今国际上化学、材料和环境领域的研究热点。利用光/热催化技术进行水体和气体污染的净化处理，其关键在于研发先进的催化材料。

环境污染是当前人类面临的重大挑战，也是我国实施可持续发展战略优先考虑的重大课题。水中有机污染物、重金属和空气中挥发性有机物，也对人体带来致癌、致畸和致突变性的风险，直接影响人们的生活质量。发展高效的催化剂，利用光催化、热催化和光热协同催化作用对水中有机污染物、重金属和空气VOCs 进行深度处理具有广泛的应用前景。

光催化可以在室温下直接利用太阳能降解和矿化水和空气中的各种有机污染物，能将水中重金属深度还原去除，具有低成本、无污染的优点，对从根本上解决环境污染和能源短缺问题具有重要意义。目前光催化在室内空气净化、消毒杀菌、自清洁材料、超亲水性材料等方面已经取得初步成功，光催化材料在环境方面的应用市场正在逐步形成。目前实用的光催化材料只能利用紫外光，为了高效地利用太阳光，开发可见光响应光催化材料势在必行。因为紫外线只占太阳光能量的7%左右，而可见光占太阳光能量的50%。

另外，光催化在环境净化反应中能量转换的量子效率低、成本高，制约光催化的可实际应用性。因此，我们还必须着力解决光催化材料的一些科学基础、理论基础与技术基础等关键科学问题和共性技术问题。这些关键科学问题包括研究新型高效光催化材料的构建原则、制备与表征，探索能吸收更大范围可见光的高量子转换效率的新型纳米光催化材料。研究新型高效纳米光催化反应的物理化学机制，发现和阐明光吸收、电子空穴载流子的激发、输运和电子、空穴在表面化学反应的基本规律，从而优化和提高光吸收率和光催化反应速率。还要加强光催化材料应用技术基础研究。研究利用太阳能等光能进行水、空气净化的光催化材料的高效利用、失活机制和再生方法，有机污染物和重金属离子的吸附，反应器的优化设计，降低光催化技术的使用成本。毫无疑问，光催化在环境净化的应用研究涉及材料、物理、化学、环境和能源学科的专业知识，只有进行多学科交叉、渗透和有机结合，才能解决光催化材料及反应机理的关键科学问题和光催化技术应用工程化问题。

相比于其他VOCs 的末端治理技术，如吸收、吸附、冷凝、膜分离、等离子体和生物降解等技术，热催化和光催化氧化能够在催化剂的作用下，将VOCs 污染物在较低温度下较彻底转化为无毒的CO₂ 和H₂O，被认为是最有效的VOCs 消除方法。热催化氧化技术是通过升温供能的方式依靠催化剂将VOCs 氧化分解，使气体得到净化，其处理对象广、二次污染少、市场认可度高，核心是研发高性能催化材料。

用于VOCs 催化燃烧的非贵金属催化剂主要包括Mn、Ce、Fe、Co、Cu、Ni 等金属氧化物，价格低廉，但往往遇到催化活性较低、起燃温度高、运行能耗高等问题。贵金属催化剂活性高、起燃温度低，有利于降低设备运行能耗和费用，但价格昂贵，大量负载将加大投资成本，易与含硫含氯化合物作用而导致催化剂失效，高温反应易烧结引起材料活性降低。能在温和条件下高效催化净化VOCs 的新型非贵金属及贵金属催化材料是以后研究的重点。需要解决的问题包括设计催化剂制备方法，构筑不同非贵金属间的界面效应或调控贵金属活性组分与催化剂载体之间的相互作用，改善贵金属有效负载和高度分散以及催化剂氧化还原性质、氧迁移性、反应物的吸附活化能力；通过调控催化剂表面功能基团，增强催化材料抗硫、抗氯、抗水汽、抗烧结能力；通过设计催化剂载体的形貌、多级孔结构，促进贵金属/非贵金属活性组分的高度分散、VOCs 的扩散与限域富集。在热催化氧化过程中，还要解决较大风量且低VOCs 质量浓度废气催化燃烧处理费用高和催化燃烧装置氧化催化剂中毒问题。提高催化燃烧装置的效率，也是非常必要的。

▲ 基于吸附+催化燃烧的VOCs 治理设备集成

尽管热催化氧化技术在VOCs 控制治理中的应用最为广泛，但其催化反应能耗也较高。为解决传统VOCs 热催化所需外部热能供给及去除效率低等问题，以VOCs 治理能效为出发点，结合传统光催化和热催化特性，国内外一些课题组提出VOCs光热催化治理技术，研发高效光热催化材料，利用太阳能储存转化驱动反应，实现低能耗的VOCs 治理。光热材料实现对太阳光的最大利用率，需要尽可能多地吸收从任何角度触及其表面的电磁辐射，尽可能地减少太阳光的透射和反射，没有过多损失而转化为所吸收的光子能量。光热协同催化材料须同时满足具有强烈的全太阳光谱响应能力；能够将吸收的光子能量有效地转化为活性氧物种和热能；催化剂本身具有良好的热催化性能。研究光热协同催化作用机制，设计高效的光热催化反应器也是光热催化技术走向应用需要解决的理论和工程问题。

可以预见，随着对环境治理要求的提高和光催化技术的成熟，光/热催化在环境净化中将发挥着越来越重要的作用。

为了促进我国光/热环境催化材料的研究和运用，作者以多年来在国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金国际合作项目等资助下的光/热催化材料合成和表征、光/热催化反应机理、光/热耦合催化、光/热催化反应器，光催化技术在水体有机污染物、重金属离子深度去除和光/热催化处理VOCs 的应用等方面所做的研究工作为基础，组织撰写了《光/热环境催化材料与应用》（纪红兵，余长林著. 北京：科学出版社，2025. 2）。

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本书首先围绕环境污染和催化技术在环境污染治理的应用进行背景介绍。然后对光/热催化基础、光/热催化环境净化反应器、光/热催化处理VOCs、光催化处理水体有机污染物和重金属离子、光/热催化环境净化的工业应用案例等方面进行了系统阐述，以期给广大从事环境催化材料研发、生产和应用的科研工作者，以及相关领域的研究人员提供相应借鉴；特别是在“碳达峰与碳中和”的政策下，本书也为“碳达峰”与“碳中和”技术路径的建立提供了参考。

参加本书撰写的主要是来自从事光/热环境催化材料设计、制备、表征和应用研究的专家和老师，他们是纪红兵、余长林、樊启哲、王皓、刘珍、苏通明、黄勇潮等。

本书是“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目“环境催化与污染控制系列”分册之一，获国家重点研发计划纳米科技重点专项(2020YFA0210900)资助。

本文摘编自《光/热环境催化材料与应用》（纪红兵，余长林著. 北京：科学出版社，2025. 2）一书“第12 章 光/热催化环境净化展望”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(环境催化与污染控制系列)

ISBN 978-7-03-081273-5

责任编辑：霍志国

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本书可作为环境科学、环境工程、环境化学、环境化工、化学工程与工艺等专业的高年级本科生和研究生的教学和科研用书，也可作为工程专业设计、运行管理人员和科研工作者学习参考书，同时可作为生产经营单位管理及技术人员的教育培训教材。