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文章题目：Advances in powder nano-photocatalysts
as pollutant removal and as emerging contaminants in water: Analysis of pros
and cons on health and environment
出版信息：Adv. Powder Mater. 3(2024)100233
第一作者：Sahil Thakur
通信作者：Jai Prakash
光催化是一种高级氧化过程，通过光照触发半导体纳米材料（纳米光催化剂）产生电子-空穴对和自由基。这一现象被广泛用于光催化辅助的有机污染物和其他污染物的去除，为环境修复提供了一种有效的方法。然而，将粉末纳米光催化剂引入水系统通常会导致意料之外的二次污染，包括残留的纳米光催化剂、离子浸出、自由基、有毒副产物等。这些化学副产物和中间体可能诱导人类和水生生物的慢性中毒、神经和发育障碍、心血管缺陷和肠道疾病等，因此对水生生物和人类健康构成风险。尽管纳米光催化剂具有一系列健康和环境风险，但已报道文献对其安全隐患的探索和讨论相对较少。本综述探讨了粉末纳米光催化剂在废水处理中的优缺点，基于组成、尺寸、结构和活性对其分类，并讨论了提高其光催化效率的最新进展。本综述还总结了它们在光催化去除各种水污染物/新兴污染物（如有机污染物、微纳塑料、重离子、消毒等）方面的应用进展。根据健康和环境相关的最新研究，强调了纳米光催化剂作为水系统中的二次污染物的隐患。最后，指出了粉末纳米光催化剂应用于废水脱毒的关键问题，探讨了应对这些挑战的潜在解决方案以及未来前景。
地球上淡水资源有限，且经常受到有机染料、重金属、碳氢化合物、有害微生物、农业杀虫剂、微纳塑料等污染物的污染，对水生生态系统和其他生物体的健康和生存构成重大威胁。纳米技术为废水处理提供了高效、通用和省时的解决方案，与传统方法相比具有成本优势。先进的粉末纳米光催化剂具有独特的物理化学性质、较大的表面积/体积比和多功能性，对各种有机和无机污染物具有很高的降解效率。而且，由于其光驱动的活性，快速的光降解机制和较少的有害副产物使其成为绿色处理各种污染物的理想候选者。然而，由于其尺寸依赖性增强的物理化学活性/反应性，粉末纳米光催化剂也可能具有不良的生物活性，如毒性、氧化应激或细胞功能障碍等。粉末纳米光催化剂所带来的安全隐患成为一个备受关注的问题，但在文献中尚未得到充分探讨。本综述对粉末纳米光催化剂进行了平衡和系统的总结，对其在健康和环境方面的优缺点进行了全面的分析，重点介绍了它们作为有前景的污染物去除以及水中新出现的二次污染物的最新进展。
（1）系统总结了光催化剂的起源、分类和光催化活性增强策略，将降解范围扩展到有机污染物之外，包括去除微纳塑料、重离子和病原体等；
（2）重点介绍了粉末纳米光催化剂作为污染物去除以及二次污染物的最新进展，整合了光催化剂的技术进步及其对环境和健康的影响；
（3）明确了应用光催化方法进行废水脱毒的关键问题，解决了可扩展性、与处理水的分离、环境影响和健康风险等实际挑战，探索了前瞻性的潜在解决方案。
本综述全面总结了纳米光催化剂的起源和发展，根据其组成、形态、光活化、功能等特征进行了分类，突出了其驱动光催化活性的基本原理。此外，鉴于粉末纳米光催化剂对健康和环境的社会影响，讨论了其在废水处理中的优缺点。![]()
图1. 文章概述图
用于降解各种污染物的光催化剂可以根据成分进行分类。TiO2、ZnO、Fe2O3、WO3和Cu2O等金属氧化物在紫外线辐射下具有不错的稳定性和催化效率，是研究最广泛的光催化剂。CdS和ZnS等金属硫化物具有可见光响应特性，但由于其不稳定性和毒性而面临应用挑战。此外，石墨氮化碳（g-C3N4）和氧化石墨烯（GO）等非金属光催化剂具有优异的稳定性和环境效益。![]()
图2. 常见光催化纳米材料的晶体结构及其带隙值![]()
图3. 典型光催化纳米材料的结构或性能展示除了光催化剂的组成，形态是提高半导体材料光催化效率的另一个关键因素。纳米结构材料可以根据其大小、形状和尺寸分为各种类型：0D纳米材料，即量子点、纳米簇和纳米球等；1D纳米材料，即纳米管、纳米棒、纳米纤维等；2D纳米材料，即纳米盘和片、纳米层、纳米薄膜等；3D纳米材料，即树枝状大分子、纳米花等。目前，在光催化材料的形态控制合成以及理解形态特征与光催化性能之间的关系方面已取得了重大进展。![]()
图4. 不同形态纳米催化剂对污染物降解的性能比较![]()
图5. 典型二维纳米材料的结构及其光催化降解性能用于光催化降解的纳米材料半导体对电磁波不同区域的光响应不同。最佳的光催化材料应具有合适的带隙，以吸收宽波长范围的太阳光谱。根据光响应特性，光催化剂可分为三大类：紫外响应、可见光响应和红外响应光催化剂，每一类催化剂都有其独特的性质和应用，这主要取决于带隙的能量，带隙决定了可以吸收和利用的光波长。![]()
图6. 典型光催化纳米材料的带隙及其对光谱的利用用于水处理的光催化纳米材料可以根据其主要功能进行分类，即吸附、光催化、自清洁、双功能/多功能或可回收材料等。吸附剂通过表面相互作用从水中吸附污染物，而光催化纳米材料利用光能催化降解污染物。具有吸附和光催化性能的新兴材料引起了人们的广泛关注，这些材料具备大表面积，对于有效吸附、增强光吸收和改善污染物降解至关重要。吸附和光催化性能的协同为去除广谱水污染物提供了一种强大而有效的方法。![]()
图7. 典型光催化杂化纳米材料及其污染物降解性能纳米颗粒的吸附和光催化是两个不同但往往互补的过程，在各种环境基质中去除污染物方面发挥着关键作用。在吸附过程中，污染物分子通过各种相互作用力附着在纳米材料表面，由于其较高的表面积和孔隙率，纳米材料提供了许多吸附位点。随后，光催化可以将有害污染物分解成更小的无毒化合物。当入射光的能量等于或超过半导体带隙时，触发电子从VB到CB的激发，形成e-/h+对，在飞秒时间尺度内迁移到光催化剂表面。电子与周围的氧气反应产生超氧自由基（O2•-），同时空穴与水反应产生羟基自由基（OH•）。除了有机污染物的光降解外，光催化过程中产生的活性氧还可以灭活细菌、病毒和其他微生物。![]()
图8. 典型光催化污染物降解机理掺杂和缺陷工程：引入缺陷可以在VB和CB之间带来额外的能级，通过降低有效带隙来增强光吸收。构建异质结：两种不同材料之间的异质结形成可以促进电荷的有效分离，从而延长载流子寿命。半导体和金属纳米颗粒耦合：沉积在半导体上的贵金属纳米颗粒可以作为电子捕获位点，增强光催化系统中的电荷分离。构建有机分子半导体复合物：也称为染料敏化机制，染料吸收可见光并被激发，导致半导体材料CB中的电子转移。使用2D助催化剂形成纳米复合材料：石墨烯、MoS2、MXene和BP等2D材料具有优异的导电性和较大的表面积，可有效地增强电子转移并减少e-/h+复合。三元纳米光催化剂：三元光催化剂中半导体材料之间形成的异质结有助于更好地分离电荷，减少e-/h+对的复合，而且组合多个半导体通常会产生更宽的光吸收光谱。![]()
图9. 不同半导体光催化剂的带隙结构示意图![]()
图10. 2D助催化剂和三元纳米光催化剂的作用机理废水中的污染物严重影响水质，对人类和水生生物构成健康风险。半导体辅助光催化已成为降解废水中有机污染物的一种有前景的方法，许多研究人员利用金属氧化物、金属硫化物和碳基光催化半导体等有效地去除废水中的有机污染物。![]()
图11. 光催化去除有机污染物的机理与性能吸附技术在捕获重金属离子时具有效率高，操作方便，设计简单等优点，然而单一吸附材料往往不足以有效吸附水中的重金属，因为一些重金属根据其价态表现出不同的毒性。因此，需要一种互补且有效的技术来去除具有价态依赖性毒性的重金属离子。光催化通过光能驱动氧化还原过程可以将有害的重金属离子转化为毒性较小的形式，或有助于将其从水中去除，结合吸附和光催化技术为去除重金属离子和减轻其毒性提供了一种有前景的方法。![]()
图12. 光催化辅助重金属离子去除的性能与机理传统的病原体去除方法，如氯化和臭氧氧化，通常会直接合成有害副产物，而且无法对所有类型的微生物都有效。光催化提供了一种绿色高效的解决方案，反应过程中产生的活性氧具有很强的氧化特性，能够灭活大量病原体，包括细菌、病毒和原生动物。![]()
图13. 光催化辅助病原消毒的性能与机理微塑料是水生环境中普遍存在的污染物，它们能够作为危险化学品和病原体的潜在载体，其存在对水生生态系统和人类健康构成很大威胁。一些纳米材料可以有效地消除废水中的微塑料。![]()
图14. 光催化微纳塑料降解的性能与机理TiO2可以穿过血脑屏障进入大脑，引起神经毒性；ZnO的潜在副作用包括肝毒性、免疫毒性、神经毒性、致癌性以及发育和生殖毒性；Fe2O3可诱导线粒体结构异常和功能紊乱，导致线粒体肿胀、变性和嵴损伤等现象。摄入的Ag纳米颗粒会分布到各种器官中；Au纳米粒子在器官中积聚可引发早期氧化损伤；高剂量Pt纳米颗粒会导致人肝细胞的细胞毒性；其他几种金属，如Pb、Hg、和Cd等纳米颗粒，也具有致癌和损伤器官的特性。CdS可能导致水生生物的氧化应激；Zn2+离子可以在海洋微藻和斑马鱼等淡水鱼中累积并引起毒性，导致细胞死亡。碳基纳米光催化剂很容易与细胞膜、细胞器、核酸和蛋白质相互作用，并产生潜在的毒性；MXene纳米片锋利的边缘会导致细胞膜破裂，出现累积毒性作用。![]()
图15. 纳米材料引起的毒性机制示意图大规模合成需要精确控制粒径、形态和组成，同时防止结块，以确保最佳的催化性能。此外，确保抗金属浸出和结构退化的稳定性对于保持长期稳定性至关重要。需要在材料合成、表征和应用方面采用创新方法，以提高纳米光催化剂在废水处理过程中的效率和可靠性。由于纳米光催化剂的小尺寸、高表面积、相互吸引力、高表面官能团、静电相互作用等特性，在处理废水后将其从水中分离具有挑战性。使用负载型纳米光催化剂比悬浮型光催化剂具有显著优势，简化了分离过程并降低了二次污染的风险。开发纳米光催化剂的高效分离技术，如先进的过滤方法、磁分离和其他创新方法等有望解决从水中分离纳米光催化剂的挑战。金属浸出发生在光催化材料的使用或降解过程中，可能对环境安全和人类健康产生严重影响。可以使用表面改性、光催化剂封装和材料筛选等几种措施来减轻金属的浸出，还可以借助先进的表征工具和计算模拟研究金属浸出的潜在因素。当有机污染物的降解没有进行完全时，可能会形成比原始污染物更有害的中间化合物。解决这些有毒副产品的形成问题需要彻底了解光催化降解途径，并制定确保污染物完全矿化的策略。而且，需要在废水的光催化处理过程中评估毒性，从而提高光催化废水处理的效率和安全性。光催化的有效性在很大程度上取决于光的可用性。设计具有优化光分布的反应器或加入提供有效照明的光源可以显著提高光催化性能。生活和工业废水通常含有多种污染物，其来源、浓度和成分可能各不相同。为解决这一问题，针对特定类型的污染物定制光催化剂材料或开发具有通用性和对一系列杂质作用的复合光催化剂可能是一种有效的方法。缺乏标准化的协议和熟练的人员来评估纳米光催化剂在废水处理中的性能和安全性，可能会阻碍其全面采用和实施。为此，需要为全光谱纳米光催化剂的安全使用、安全处置和测试标准制定明确的指导方针。（8）解决粉末纳米光催化剂毒性和环境影响的潜在方案开发毒性较小的纳米材料或优化现有的纳米材料，进行表面功能化，微调纳米光催化剂的尺寸、形状和结构等，以减少纳米材料潜在的有害影响。实施严格的监测协议和风险评估框架，开发去除和回收纳米光催化剂的有效方法，建立全面的监管框架和指导方针，对于管理纳米光催化剂的安全使用、处置和环境影响评估至关重要。![]()
图16. 废水处理过程中使用纳米光催化剂的各种挑战这篇综述深入分析了用于去除水中污染物和其他二次污染物的粉末纳米光催化剂的最新进展。它建立了对光催化和吸附的扎实理解，为掌握这些材料的机制和有效性奠定了基础。强调了对粉末纳米光催化剂的开发和应用需采取平衡和谨慎的方法，重点是解决与人类健康和环境相关的各种挑战。展望未来，材料设计的创新、对反应过程的更好理解，以及将这些技术与现有水处理系统整合的改进，可以为水污染提供更有效和可持续的解决方案。研究人员、行业参与者和政策制定者之间的有效合作对于应对这些技术的复杂性并确保其安全和成功实施至关重要。![]()
图17. 纳米光催化剂的分类、去除污染物的活性以及对健康和环境的不利影响
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Jai Prakash博士在印度国家信息技术学院化学系担任助理教授。他曾在印度坎普尔印度理工学院担任“INSPIRE Faculty”（2016-2018）。在新德里IUAC获得博士学位（2007-2012年）。曾在加拿大INRS-EMT、法国艾克斯马赛大学、比利时布鲁塞尔自由大学和南非自由州大学担任博士后研究员。获得了多项国家和国际科学奖项，包括DAAD学术奖（2018年）、优异奖学金（排名第一）（2017年）（加拿大）、NRF（南非）颁发的“有前途的青年研究员奖”（2016年）、DST（印度）颁发的著名INSPIRE教员奖（2015年）和“青年科学家快车道奖”（2012年），以及NIMS（日本）颁发的客座科学家奖（2014年）。在ACS Appl. Mat. & Interface,
Langmuir, J. Mat. Chem. A, Carbon, Energy Storage Mat., Adv. Energy Mat.等知名期刊上发表了100多篇研究文章。被列入斯坦福大学创建的世界前2%科学家名单（2021、2022和2023）。被印度法国研究所选为MSDE（RSC）新兴研究员（2023年）和科学高级访问研究员（SSHN-2024年）。担任多本期刊的客座编辑，担任Frontiers of
Environmental Chemistry期刊副编辑，担任Sustainable Chemistry
One World Journal期刊的Early Career Researcher Editorial
Board member。研究方向包括等离子体、聚合物、半导体光催化剂纳米材料和用于环境和能源应用的纳米复合材料。被引次数超过4000次，H指数40（2024年9月）。
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Shuhui Sun教授于加拿大蒙特利尔国家能源、材料和电信研究所工作并指导可持续纳米技术实验室。获中国科学院物理学硕士/博士学位和西安大略大学材料工程博士学位。是加拿大工程院院士、加拿大皇家学会成员和国际电化学能源科学院副院长。担任Electrochemical Energy Reviews（IF=32.8）执行主编。研究方向主要集中在能源转换、环境和存储应用、光催化应用、氢燃料电池、制氢、锂电池、锌空气电池、钠离子/锌离子电池、二氧化碳减排等领域。发表了300多篇文章，引用次数>20700次，H指数81。
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Andrej Kuznetsov教授，挪威奥斯陆大学，在半导体物理和纳米技术方面拥有30多年的经验，发表了250多篇期刊，被引>7300次，H指数44。研究重点是了解新型半导体，寻找新的基本现象并实现新的器件功能。提供理学士的凝聚态物理入门课程，并指导多名硕士生和博士生。受俄罗斯、瑞典、挪威、欧盟和国际研究基金资助。
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Hendrik C. Swart教授是B1
NRF研究员，是自由州大学物理系高级教授。发表1000多篇论文，被引25000多次，H指数70。在凝聚态物理学中排名第一，在物理学中排名第42，在传感器中排名第155，在物理科学和数学中排名第207，在所有领域排名第969，获得Highly
Ranked Scholar（前五年）。是Solid State and Materials Sciences（IF=8.1）期刊的编委会成员。2009年，因在纳米物理学领域培养学生的能力而获得南非国家科学技术论坛奖。南非研究主席倡议授予他固态发光和先进材料研究主席一职。研究重点是用于能源和环境应用的半导体/光催化剂材料，用于平板显示器、太阳能电池、固态照明等应用的发光材料的改进。Sahil
Thakur, Abhijeet Ojha, Sushil Kumar Kansal, Navneet Kumar Gupta, Hendrik C. Swart,
Junghyun Cho, Andrej Kuznetsov, Shuhui Sun, Jai Prakash. Advances in powder
nano-photocatalysts as pollutant removal and as emerging contaminants in water:
Analysis of pros and cons on health and environment. Adv. Powder Mater.3(2024)100233. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100233.
1-s2.0-S2772834X24000642-main.pdfOxygen vacancy mediated bismuth-based photocatalysts中文导读(点击标题进入阅读)：
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奥斯瓦尔德熟化构建高效水净化的二元空心氧化物光电催化剂
Advanced Powder Materials（先进粉体材料（英文））创刊于2022年1月，由中南大学与KeAi合作创办，粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心承办的粉体材料领域的学术期刊。主编是黄伯云院士和Chain-Tsuan Liu院士。致力于发表国内外粉体材料领域及其交叉学科具有原创性和重要性的最新研究成果。
l 坚持高质量办刊，审稿原则“高效、双盲、严格”
l IF：28.6
l 获得奖项：
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