随着城市工业化进程的加快，大气污染物排放急剧增加，严重危害生态环境和人类健康。太阳能光催化在环境温度下对各种无机到有机污染物具有广谱活性，且无需苛刻的反应条件，在空气净化方面具有非常广阔的应用前景。然而，光催化技术存在反应机理不明确和光催化剂失活等问题，严重限制了其实际应用。目前，光催化空气净化领域的基础研究与工业应用之间仍存在较大差距。
电子科技大学董帆教授课题组在《国家科学进展》（National Science Open, NSO）发表了题为“Advances and challenges of photocatalytic technology for air purification”的最新综述，系统阐述了光催化降解空气污染物的最新进展。
基于三种典型的空气污染物（氮氧化物、甲醛和苯系物），从其去除重要性、光催化反应路径、光催化剂结构及光催化应用场景等方面进行了详细阐述；
广泛讨论了光催化反应机理、中间产物的识别鉴定方法以及反应路径调控策略；
对光催化空气净化的应用场景以及实际应用中的瓶颈问题进行了总结；
对光催化技术应用在实际生产过程中面临的主要挑战和发展前景进行了展望。
对氮氧化物来说，尽管目前已经开发出一系列去除氮氧化物的高效光催化剂，并通过原位红外和理论计算对反应机理进行了深入探讨，但仍存在许多挑战。例如，其光催化性能缺乏统一的评价标准，因此需要结合实际污染场景建立科学的评价体系。此外，有必要进一步研究大气中其他分子（如H2O、SO2、O3和VOCs）对其光催化净化性能的影响，然后选择性能优良的光催化剂来扩大其适用性。现阶段报道的去除氮氧化物的光催化剂仅在实验室研究中表现出优异的性能。然而，在实际应用方面仍有很大差距。需要进一步优化催化剂的合成工艺和负载工艺，系统评价光催化剂的经济效益和环境效应，为高效净化氮氧化物的大规模应用提供技术支持。
目前，在室温下将甲醛光催化氧化为二氧化碳和水，具有无能耗、完全净化、无二次污染、去除效率高等优点，是甲醛净化的主要发展方向之一。然而，具有上述性能的光催化剂大多是贵金属基催化剂或以贵金属作为活性组分的光催化剂。因此，开发用于常温下光催化净化甲醛的非贵金属基光催化剂是未来的一个重要研究目标。
对苯系物来说，破坏苯环的稳定性是实现苯系物高效矿化的关键因素，包括直接利用强羟基自由基、选择性生成开环能垒较低的苯甲酸或混合污染物之间的协同催化。由于苯系物氧化过程涉及多种复杂中间体，因此上述苯环开环途径的研究结果大多来自理论模拟。为了更准确地揭示其反应机理，仍需从原位形成的反应物种和中间体方面提供直接的实验证据。
目前，光催化空气净化技术已经发展了几十年，光催化剂技术已经应用于室内外空气净化。然而，实际应用效果并不理想，实现工业化和应用的研究成果还很少，从根本上讲，存在以下三大瓶颈：
光催化效率低
目前大多数光催化剂仅在紫外光下表现出较高的光催化活性，如商用光催化剂P25，而紫外光仅占太阳光的5%左右。若其能够有效吸收可见光，则可以在LED灯下实现对空气污染物的连续高效催化净化，从而有效解决空气污染问题。
难以实现批量生产
在实际的放大生产过程中，存在许多不可控因素，需要考虑成本、能耗、环保、稳定性等问题。因此，开发稳定可行的大批量制备方法是实现光催化剂工业化应用的关键。
粉末光催化剂负载
尽管在光催化的基础研究方面已经做了大量工作，但实验室应用和工业应用之间仍存在差距。例如，商业化P25作为一种粉末型光催化剂在实际反应过程中很容易吹失，这严重影响了P25的空气净化效率及其实际应用效果。因此，必须投入额外的成本和能源对其进行负载。
上述成果发表于National Science Open(NSO)。电子科技大学长三角研究院（湖州）耿芹博士为该论文第一作者，电子科技大学董帆教授为论文通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金 (22225606, 22176029, 21822601)项目的资助。
了解详情请读原文▼
[点击下方链接或阅读原文]
https://doi.org/10.1360/nso/20220025