生物炭/光催化复合材料去除水环境有机污染物研究进展
引用本文:周通，任旭阳，王晨阳，等.生物炭/光催化复合材料去除水环境有机污染物研究进展[J]. 化学试剂，2024,46(5)：53-62.
DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0771
背景介绍
在“碳达峰、碳中和”的背景下，“以废治废”逐渐成为对污染治理的新要求，为提高环境治理水平和社会可持续发展能力，利用生物废弃物等资源转化为生物炭已成为当前研究热点。而以光催化材料为基础的高级氧化处理技术被公认为是处理水环境中有机污染物最具潜力的绿色方法之一。充分发挥生物炭材料与光催化技术的优势，将吸附-催化功能协同是一种极具发展前景的有机污染物去除研究体系。
文章亮点
1.归纳总结了生物炭/光催化复合材料的制备方法；
2.深入探讨了生物炭/光催化复合材料对污染物的吸附-光降解的整体作用机制；
3.分析了复合材料中生物炭和光催化材料二者界面关系、电子迁移性质等相互影响；
4.梳理了国内外生物炭/光催化复合材料的针对最新重点管控污染物相关研究进展。
内容介绍
1 生物炭/光催化复合材料的制备
制备方法对于生物炭/光催化复合材料的功能性具有较大影响，目前常见的制备有溶剂热法、溶胶凝胶法、煅烧法、水解法、球磨法和浸渍法等[28]。
2 生物炭与光催化材料的相互作用影响
2.1 增大材料比表面积
生物炭表面孔结构丰富，可修饰性强，而光催化材料比表面积较低，因此研究者发现将光催化材料负载于生物炭表面，虽然会受到团聚和微孔聚集等因素对生物炭的比表面积带来一定影响，但是对光催化材料而言比表面积一般都有大幅提升，从而有效提升活性位点数量[34]。
2.2 提升电荷传输效率
生物炭作为载体具有导体特性，不仅在复合材料中起到电子储存受体的作用，也可以通过转移电子来提高反应活性[36]。
2.3 减小材料禁带宽度
由于生物炭、石墨烯、碳纳米管、氮化碳等碳基材料均可以捕获半导体材料导带产生的电子，同时形成金属氧-碳结构促进了电荷的传输与转移，因此能够有效降低光催化剂的禁带宽度[39]。
3 光催化/生物炭复合材料对污染物的去除机制
3.1 生物炭吸附机制
3.1.1 静电吸附
静电吸附是吸附的一种主要作用形式，可实现依靠不同受体电荷性质将污染物吸附到生物炭表面，从而提高生物炭/光催化复合材料对污染物的去除速率和效果。
3.1.2 π-π堆积
π键是由共面原子的平行p轨道交迭而成，可以在吸附质与吸附剂之间形成络合从而实现吸附分离。
3.1.3 氢键作用
3.1.4 孔隙扩散
3.2 光催化降解机制
在生物炭/光催化复合材料对水环境污染物的吸附-催化体系中，污染物首先通过材料表面吸附位点进行富集，然后在光照条件下实现对污染物降解。·O2-作为一种弱氧化剂能够有效参与污染物的氧化反应过程，在水处理领域有巨大的应用潜力。1O2作为一种强亲电试剂和氧化剂，具有使用寿命长、淬火敏感性较低等特性，在生物炭/光催化复合材料对污染物的降解体系中有巨大的优势和潜力。
4 光催化/生物炭复合材料的应用
除了生物炭本身的吸附作用，生物炭较大的表面积、合适的孔隙结构和生物炭本身所具有的优良的光学和导电性能均有利于光催化材料在降解污染物过程中产生更多的ROS。因此，生物炭/光催化复合材料可广泛应用于氨氮、染料以及重金属离子还原等传统有机污染物的降解。
5 结论与展望
目前，越来越多的科研工作者利用生物炭表观结构可修饰性强、表面官能团丰富、导电性能好等特征与光催化剂在一定条件下进行复合，利用光照条件下所产生的ROS降解吸附于复合材料表面的污染物，有效提高吸附-催化协同性能。本文重点介绍了生物炭/光催化材料的制备、协同关系，归纳了复合材料对污染物去除机制研究，并对传统污染物以及“十四五”规划提出的新污染物的研究进展进行了总结。尽管生物炭光催化复合材料对光生电子空穴分离效率提升，比表面积提高，电子转移等方面具有促进作用，但是对于其未来发展，仍有许多工作需要展开。
（1）生物炭与光催化剂界面结合关系对光降解性能的影响。不同的原料与制备方法获得的复合材料结构与性能均不一致，而这极大的影响到了光生载流子在不同介质间的传递与转移，从而影响到活性自由基产生效率。
（2）光生电子迁移规律及迁移数量对吸附-降解性能的影响。生物炭具有良好的导电性能，光催化材料在光激发条件下产生的光生电子可以通过生物炭材料进行“中转”，从而延长与光生空穴的复合，提高光催化活性，但是光生电子的迁移规律目前研究较少，有待进一步探究。
（3）目前针对生物炭与光催化材料的复合制备主要仍然以粉体材料为主，对可回收性研究或负载研究较少，因此限制了其推广应用。
（4）生物炭/光催化复合材料目前主要以单一污染物研究去除为主，而综合性污染水体中环境复杂，吸附去除竞争关系与机制研究较少，仍需进一步研究。
