如今，空氣污染已經(jīng)嚴(yán)重危害人類(lèi)健康和環(huán)境，因此需要高效且可行的處理技術(shù)。在眾多控制空氣污染物的技術(shù)，最常用的方法是使用活性炭或高度多孔的材料進(jìn)行吸附。然而，吸附劑需要經(jīng)常更換，在潮濕條件下，由于水蒸氣的競(jìng)爭(zhēng)性吸附，吸附效率顯著降低。雖然吸附劑的表面積很大，但是在低濃度的空氣污染物下，平衡吸附能力卻明顯降低。而紫外線輻射、電離和非熱等離子體分解等其他技術(shù)，可能會(huì)產(chǎn)生臭氧等有害副產(chǎn)物。熱催化降解是有效的，但需要消耗大量能量。生物降解通常需要大規(guī)模的設(shè)施，且其活性受到環(huán)境因素的強(qiáng)烈限制。光催化空氣凈化技術(shù)是一種模擬自然光化學(xué)過(guò)程的技術(shù)，但是近幾十年來(lái)其應(yīng)用領(lǐng)域仍很有限。

在2021年5月5日，Nature Communnications在線刊登了題為“Photocatalytic air purification mimicking the self-cleaning process of the atmosphere”的評(píng)論文章。在文中，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)Wonyong Choi（通訊作者）等人簡(jiǎn)要討論了與該技術(shù)有關(guān)的進(jìn)展和挑戰(zhàn)。鑒于常規(guī)方法的局限性，光催化氧化（PCO）可以在環(huán)境條件下利用太陽(yáng)能（或人工）光將各種空氣污染物降解為無(wú)毒或危害較小的物質(zhì)，是一種理想的空氣凈化技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，光催化劑（PC）過(guò)程（eq 1）與地球大氣中的自清潔機(jī)制（eq 2）有一些內(nèi)在相似之處，因?yàn)閮烧叨蓟陂g接（敏化）光氧化作用，在空氣中生成原位氧化劑（如?OH）。

光催化與熱催化的最大區(qū)別：光催化需要光子，而光子的通量限制了整個(gè)過(guò)程。因此，許多PCO反應(yīng)更受光子通量的限制，而不是活性表面積的限制。光催化劑吸收光子產(chǎn)生成對(duì)的電子和空穴，這些電子和空穴與氧氣、水和表面羥基反應(yīng)生成活性氧（ROS），成為分解空氣污染物的關(guān)鍵氧化劑。其中，研究最多的方法是將光催化劑的光吸收邊緣擴(kuò)展到可見(jiàn)光范圍，以便使用更多的光子。通過(guò)分析1999-2018年出版的關(guān)于空氣凈化光催化劑的研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在所研究的可見(jiàn)光催化劑中，改性TiO₂占比最大（55.9%），其次是Bi基材料（11.9%）和WO₃（7.3%）。對(duì)于改性TiO₂材料，大多數(shù)研究都是利用窄帶隙半導(dǎo)體或金屬納米粒子來(lái)研究雜質(zhì)摻雜和異質(zhì)結(jié)，有助于提高電荷分離效率，從而產(chǎn)生更多的ROS。需注意，TiO₂基光催化劑是空氣凈化應(yīng)用中研究最多、最實(shí)用的選擇。TiO₂價(jià)帶（VB）邊緣的強(qiáng)氧化電位，及其優(yōu)異的穩(wěn)定性、低成本和低毒性，成為一種實(shí)用的光催化劑。因此，大多數(shù)光催化空氣凈化應(yīng)用研究都采用了純的和改性的TiO₂，在短期內(nèi)不太可能被新的光催化材料所取代。

光催化材料需要尋找廉價(jià)、豐富、具有高可見(jiàn)光活性的材料作為T(mén)iO₂的替代物，使光催化技術(shù)更具可行性。其中，g-C₃N₄及其衍生物等碳基材料、碳納米材料已被測(cè)試用于替代昂貴的貴金屬助催化劑（Pt、Au、Pd等）。然而，碳基材料由于容易被光氧化而在輻照下表現(xiàn)出低的光活性和長(zhǎng)期的不穩(wěn)定性。需注意，對(duì)空氣凈化而言，可見(jiàn)光光催化劑并不總是最佳的實(shí)際解決方案。

一是光催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大。由于PCO工藝既要考慮傳質(zhì)參數(shù)，又要考慮光傳遞參數(shù)，因此PCO反應(yīng)器的優(yōu)化更復(fù)雜。理想的反應(yīng)器是允許足夠數(shù)量的光子到達(dá)光催化劑的全表面積，以最大限度地提高整體空氣處理效率。通常高溫焙燒可以獲得較高的結(jié)晶度和更強(qiáng)的附著力，但是需要大量的能耗和加熱設(shè)施，不利于大規(guī)模的實(shí)際生產(chǎn)。因此，成功開(kāi)發(fā)的室溫固定化過(guò)程將促進(jìn)光催化劑在各種用途上的商業(yè)應(yīng)用。

綜上所述，利用光凈化被污染的空氣是一種模仿自然過(guò)程的理想技術(shù)，很有潛力被開(kāi)發(fā)為空氣凈化的關(guān)鍵技術(shù)，但仍需要在幾個(gè)領(lǐng)域取得重大突破。當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究主要集中在材料開(kāi)發(fā)上，但用于商業(yè)化的工程需要對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行更多的研究。此外，預(yù)計(jì)TiO₂基光催化劑仍將是主要材料?？傊獯呋諝鈨艋淖詈线m應(yīng)用似乎是室內(nèi)空氣，其中污染物的濃度低于ppm級(jí)，并且可將灰塵和氣溶膠等干擾物質(zhì)的含量控制在最低水平。光催化室內(nèi)空氣凈化的理想方案是利用室內(nèi)環(huán)境光，因此需要開(kāi)發(fā)更具活性的可見(jiàn)光響應(yīng)材料。未來(lái)有關(guān)光催化空氣凈化的研究應(yīng)更認(rèn)真地解決實(shí)際問(wèn)題，以彌合實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)際問(wèn)題之間的差距。

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