江苏科技大学施伟龙/郭峰Molecules：g-C3N4基光催化自芬体系降解新兴污染物的研究进展与展望

背景介绍

自 20 世纪中叶以来，工业化的快速发展伴随着环境问题的日益严重，有毒物质的不断释放导致了越来越多的新兴污染物（如抗生素、染料等）在地表水中被发现，从而导致严重的环境污染问题。越来越多的污染物，如工业染料、抗生素和农药，在环境中以极低的浓度广泛存在，难以生物降解，因此有效去除这些有毒物种与人类和生物健康以及可持续繁殖息息相关 。

为了应对这些问题，科学家们开发了一系列的水污染处理方法，如吸附、絮凝、光降解、水裂解和高级氧化过程（ AOPs ）。其中， AOPs 由于其氧化能力强，且在氧化过程中没有选择性，被认为是解决水污染问题的最具潜力的绿色处理工艺，这引起了研究者的广泛关注。然而，传统的光催化降解技术依赖于半导体催化剂在光照下产生的活性物质辐照导致反应速率慢，反应适用性有限，光依赖性高，从而影响其降解性能。值得注意的是，光芬顿技术被认为是一个最具成本效益的 AOPs 由于其性质可以使足够的亚铁离子（ Fe ²⁺ ）激活过氧化氢（过氧化氢）反应生成具有强氧化能力的羟基自由基（ · OH ）并充分降解有机污染物最终矿化成无害的小分子（ CO ₂ 、 H ₂ O 等），因此，在环境修复和废物处理等领域具有重要的应用潜力。然而，由于以下缺陷，单一的 Fenton 技术极大地限制了其在降解有机污染物领域的应用： (i) 需要添加大量过氧化氢，导致加工成本高；（ ii ） Fe ³⁺ /Fe ²⁺ 还原动力学较慢，阻碍了反应效率使有机污染物未能充分矿化。从可持续发展的角度来看，光催化自芬顿系统可以将光催化与芬顿氧化技术有机结合，不仅可以解决传统芬顿技术中添加额外过氧化氢的风险问题，还可以加速 Fe ²⁺ /Fe ³⁺ 循环，从而提高新兴污染物的去除效率。光催化自芬顿技术主要是利用阳光，使光催化剂通过光催化氧还原反应（ ORR ）原位生成过氧化氢（ H ₂ O ₂ ），通过与 Fe ²⁺ 连锁反应促进多相自芬顿反应的发生，产生强氧化自由基活性物质（如 OH 、 O ₂ ⁻ 、 ¹ O ₂ ），从而降解和矿化水环境中的有机污染物，形成环境友好型物种。

近年来，研究人员不懈努力开发了一系列高效生产 H ₂ O ₂ 的光催化材料，如 TiO ₂ 、 CdS 、石墨氮化碳（ g-C ₃ N ₄ ）和三嗪共价有机骨架（ CTF ）等无机半导体。其中， g-C ₃ N ₄ 作为一种新型有机半导体材料，由于其独特的三聚氰胺（ melam ）结构，有利于 O ₂ 分子通过双电子路径还原为 H ₂ O ₂ ，是一种潜在的 ORR 光催化剂。此外， g-C ₃ N ₄ 具有稳定性高、制备简便、成本低、无毒等优点在光催化领域引起了广泛关注。