整体式光催化材料的制备及应用研究进展

张瑞阳^1,2，李成金²，张艾丽²，周莹^1,2

1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室2. 西南石油大学材料科学与工程学院新能源材料及技术研究中心

摘 要：随着工业的快速发展以及人口增长对能源的巨大需求,化石燃料的过度消耗导致了严重的环境污染和能源危机,威胁人类未来的生存和发展。光催化技术（Photocatalysis）利用绿色的太阳能为能源,被认为是解决环境污染和能源危机最有前景的技术之一。在太阳光的照射下,光催化剂可以吸收光能并将其转化为化学能,用于污染物处理和清洁能源生产。因此,光催化技术的开发和应用受到了世界范围内的广泛关注。光催化技术的核心是光催化材料。在过去的几十年里,随着制备技术的发展以及对光催化技术理解的加深,光催化材料已经从最初的TiO₂发展到各种金属氧化物、硫化物、氮化物以及金属单质、非金属和有机光催化材料,其应用也从液相的污染物去除、水分解发展到有机合成和各种气相光催化反应,包括NO氧化、CO₂还原、CH4活化等。目前大部分研究集中在如何提高光催化活性,然而,由于光催化材料主要以粉末形式存在,其具有强烈的聚集倾向,在实际的应用过程中,只有表层的光催化材料可以吸收光能以及吸附污染物,大部分的光催化材料对活性没有贡献,导致光催化效率较低。另一方面,粉末的飞散不仅造成回收操作复杂,而且易引起二次污染。近年来,整体式光催化材料（Monolithic photocatalyst）受到了极大的关注,其具有丰富的孔结构和大的比表面积,有效提高了与污染物的接触面积以及对光能的利用率。此外,整体式光催化材料优异的宏观特性使其具有极高的可操作性和简单快捷的回收能力,避免了二次污染。随着制备技术的不断发展,整体式光催化材料已经从均相的整体式气凝胶光催化材料（Aerogel photocatalyst）发展到不同组成的整体式复合型光催化材料（Hybrid photocatalyst）,同时,其应用也从简单的物理吸附扩展到光化学反应,包括环境修复以及清洁能源生产。本文总结了整体式光催化材料的制备策略,特别强调了整体式气凝胶光催化材料和复合型整体式光催化材料的典型合成路线及在液相污染物的去除、气相污染物的去除、水分解和光催化CO₂转换方面应用的最新研究进展。

关键词：整体式光催化材料;光催化;环境修复;清洁能源生产;