利用先進催化技術(shù)進行環(huán)境凈化的研究是當(dāng)今國際上化學(xué)、材料和環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點。利用光/熱催化技術(shù)進行水體和氣體污染的凈化處理，其關(guān)鍵在于研發(fā)先進的催化材料。

環(huán)境污染是當(dāng)前人類面臨的重大挑戰(zhàn)，也是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略優(yōu)先考慮的重大課題。水中有機污染物、重金屬和空氣中揮發(fā)性有機物，也對人體帶來致癌、致畸和致突變性的風(fēng)險，直接影響人們的生活質(zhì)量。發(fā)展高效的催化劑，利用光催化、熱催化和光熱協(xié)同催化作用對水中有機污染物、重金屬和空氣VOCs 進行深度處理具有廣泛的應(yīng)用前景。

光催化可以在室溫下直接利用太陽能降解和礦化水和空氣中的各種有機污染物，能將水中重金屬深度還原去除，具有低成本、無污染的優(yōu)點，對從根本上解決環(huán)境污染和能源短缺問題具有重要意義。目前光催化在室內(nèi)空氣凈化、消毒殺菌、自清潔材料、超親水性材料等方面已經(jīng)取得初步成功，光催化材料在環(huán)境方面的應(yīng)用市場正在逐步形成。目前實用的光催化材料只能利用紫外光，為了高效地利用太陽光，開發(fā)可見光響應(yīng)光催化材料勢在必行。因為紫外線只占太陽光能量的7%左右，而可見光占太陽光能量的50%。

另外，光催化在環(huán)境凈化反應(yīng)中能量轉(zhuǎn)換的量子效率低、成本高，制約光催化的可實際應(yīng)用性。因此，我們還必須著力解決光催化材料的一些科學(xué)基礎(chǔ)、理論基礎(chǔ)與技術(shù)基礎(chǔ)等關(guān)鍵科學(xué)問題和共性技術(shù)問題。這些關(guān)鍵科學(xué)問題包括研究新型高效光催化材料的構(gòu)建原則、制備與表征，探索能吸收更大范圍可見光的高量子轉(zhuǎn)換效率的新型納米光催化材料。研究新型高效納米光催化反應(yīng)的物理化學(xué)機制，發(fā)現(xiàn)和闡明光吸收、電子空穴載流子的激發(fā)、輸運和電子、空穴在表面化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律，從而優(yōu)化和提高光吸收率和光催化反應(yīng)速率。還要加強光催化材料應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究。研究利用太陽能等光能進行水、空氣凈化的光催化材料的高效利用、失活機制和再生方法，有機污染物和重金屬離子的吸附，反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計，降低光催化技術(shù)的使用成本。毫無疑問，光催化在環(huán)境凈化的應(yīng)用研究涉及材料、物理、化學(xué)、環(huán)境和能源學(xué)科的專業(yè)知識，只有進行多學(xué)科交叉、滲透和有機結(jié)合，才能解決光催化材料及反應(yīng)機理的關(guān)鍵科學(xué)問題和光催化技術(shù)應(yīng)用工程化問題。

相比于其他VOCs 的末端治理技術(shù)，如吸收、吸附、冷凝、膜分離、等離子體和生物降解等技術(shù)，熱催化和光催化氧化能夠在催化劑的作用下，將VOCs 污染物在較低溫度下較徹底轉(zhuǎn)化為無毒的CO? 和H?O，被認為是最有效的VOCs 消除方法。熱催化氧化技術(shù)是通過升溫供能的方式依靠催化劑將VOCs 氧化分解，使氣體得到凈化，其處理對象廣、二次污染少、市場認可度高，核心是研發(fā)高性能催化材料。

用于VOCs 催化燃燒的非貴金屬催化劑主要包括Mn、Ce、Fe、Co、Cu、Ni 等金屬氧化物，價格低廉，但往往遇到催化活性較低、起燃溫度高、運行能耗高等問題。貴金屬催化劑活性高、起燃溫度低，有利于降低設(shè)備運行能耗和費用，但價格昂貴，大量負載將加大投資成本，易與含硫含氯化合物作用而導(dǎo)致催化劑失效，高溫反應(yīng)易燒結(jié)引起材料活性降低。能在溫和條件下高效催化凈化VOCs 的新型非貴金屬及貴金屬催化材料是以后研究的重點。需要解決的問題包括設(shè)計催化劑制備方法，構(gòu)筑不同非貴金屬間的界面效應(yīng)或調(diào)控貴金屬活性組分與催化劑載體之間的相互作用，改善貴金屬有效負載和高度分散以及催化劑氧化還原性質(zhì)、氧遷移性、反應(yīng)物的吸附活化能力；通過調(diào)控催化劑表面功能基團，增強催化材料抗硫、抗氯、抗水汽、抗燒結(jié)能力；通過設(shè)計催化劑載體的形貌、多級孔結(jié)構(gòu)，促進貴金屬/非貴金屬活性組分的高度分散、VOCs 的擴散與限域富集。在熱催化氧化過程中，還要解決較大風(fēng)量且低VOCs 質(zhì)量濃度廢氣催化燃燒處理費用高和催化燃燒裝置氧化催化劑中毒問題。提高催化燃燒裝置的效率，也是非常必要的。

▲ 基于吸附+催化燃燒的VOCs 治理設(shè)備集成

盡管熱催化氧化技術(shù)在VOCs 控制治理中的應(yīng)用最為廣泛，但其催化反應(yīng)能耗也較高。為解決傳統(tǒng)VOCs 熱催化所需外部熱能供給及去除效率低等問題，以VOCs 治理能效為出發(fā)點，結(jié)合傳統(tǒng)光催化和熱催化特性，國內(nèi)外一些課題組提出VOCs光熱催化治理技術(shù)，研發(fā)高效光熱催化材料，利用太陽能儲存轉(zhuǎn)化驅(qū)動反應(yīng)，實現(xiàn)低能耗的VOCs 治理。光熱材料實現(xiàn)對太陽光的最大利用率，需要盡可能多地吸收從任何角度觸及其表面的電磁輻射，盡可能地減少太陽光的透射和反射，沒有過多損失而轉(zhuǎn)化為所吸收的光子能量。光熱協(xié)同催化材料須同時滿足具有強烈的全太陽光譜響應(yīng)能力；能夠?qū)⑽盏墓庾幽芰坑行У剞D(zhuǎn)化為活性氧物種和熱能；催化劑本身具有良好的熱催化性能。研究光熱協(xié)同催化作用機制，設(shè)計高效的光熱催化反應(yīng)器也是光熱催化技術(shù)走向應(yīng)用需要解決的理論和工程問題。

可以預(yù)見，隨著對環(huán)境治理要求的提高和光催化技術(shù)的成熟，光/熱催化在環(huán)境凈化中將發(fā)揮著越來越重要的作用。

為了促進我國光/熱環(huán)境催化材料的研究和運用，作者以多年來在國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重點項目、國家自然科學(xué)基金國際合作項目等資助下的光/熱催化材料合成和表征、光/熱催化反應(yīng)機理、光/熱耦合催化、光/熱催化反應(yīng)器，光催化技術(shù)在水體有機污染物、重金屬離子深度去除和光/熱催化處理VOCs 的應(yīng)用等方面所做的研究工作為基礎(chǔ)，組織撰寫了《光/熱環(huán)境催化材料與應(yīng)用》（紀紅兵，余長林著. 北京：科學(xué)出版社，2025. 2）。

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本書首先圍繞環(huán)境污染和催化技術(shù)在環(huán)境污染治理的應(yīng)用進行背景介紹。然后對光/熱催化基礎(chǔ)、光/熱催化環(huán)境凈化反應(yīng)器、光/熱催化處理VOCs、光催化處理水體有機污染物和重金屬離子、光/熱催化環(huán)境凈化的工業(yè)應(yīng)用案例等方面進行了系統(tǒng)闡述，以期給廣大從事環(huán)境催化材料研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的科研工作者，以及相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供相應(yīng)借鑒；特別是在“碳達峰與碳中和”的政策下，本書也為“碳達峰”與“碳中和”技術(shù)路徑的建立提供了參考。

參加本書撰寫的主要是來自從事光/熱環(huán)境催化材料設(shè)計、制備、表征和應(yīng)用研究的專家和老師，他們是紀紅兵、余長林、樊啟哲、王皓、劉珍、蘇通明、黃勇潮等。

本書是“十四五”時期國家重點出版物出版專項規(guī)劃項目“環(huán)境催化與污染控制系列”分冊之一，獲國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項(2020YFA0210900)資助。

本文摘編自《光/熱環(huán)境催化材料與應(yīng)用》（紀紅兵，余長林著. 北京：科學(xué)出版社，2025. 2）一書“第12 章 光/熱催化環(huán)境凈化展望”“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

(環(huán)境催化與污染控制系列)

ISBN 978-7-03-081273-5

責(zé)任編輯：霍志國

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本書可作為環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境化工、化學(xué)工程與工藝等專業(yè)的高年級本科生和研究生的教學(xué)和科研用書，也可作為工程專業(yè)設(shè)計、運行管理人員和科研工作者學(xué)習(xí)參考書，同時可作為生產(chǎn)經(jīng)營單位管理及技術(shù)人員的教育培訓(xùn)教材。