在全球环境问题日益严峻的背景下，人类活动引发的气候和环境变化已成为影响生态系统稳定的关键因素，如温室气体排放、工业废水和土壤污染等，导致生态失衡，并威胁人类健康。非均相催化技术通过催化剂加速化学反应，将有害物质转化为无害或低毒性产物，实现环境净化。考虑到非均相催化剂高效且可回收的优势，以及在不同污染物处理中的实际应用潜力，系统梳理该技术在环境领域的研究进展，将有助于为相关领域的研究者提供参考资料和研究框架，促进非均相催化技术的进一步发展与创新，为全球环境问题的解决贡献科学智慧与技术力量。
导读
你是否曾好奇，为什么现代工业中许多化学反应能够在短时间内高效完成？答案之一就是非均相催化技术。催化剂吸附处于不同相态的反应物分子并在其表面促进化学反应，从而提高选择性和效率。随着纳米技术和材料科学的进步，非均相催化剂的设计与制备愈加精细和高效。未来，非均相催化技术在环境修复等领域有望取得重大突破。
图1. 图文摘要
大气污染
空气污染被认为是全球三大风险因素之一，对气候变化和非传染性疾病的发展起到了显著的推动作用。空气污染物主要包括温室气体和有毒气体。温室气体二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和含氟气体，在与大气中的水蒸气混合后，能够吸收红外辐射，从而引发全球变暖。有毒气体如一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、硫化氢（H2S）和挥发性有机化合物（VOCs）则对人类健康构成严重威胁。在本综述中，我们根据中心元素对气态污染物进行分类：碳族（CO2、CO、CH4）、氮族（NO2、NO、NH3）、硫族（SO2、H2S）、氟族（CF4、SF6）和VOCs（图2）。催化转化技术包括热催化、电催化、光催化和生物催化，选择催化处理方法时这些污染物中心元素的价态决定了氧化或还原技术的适用性。
图2. 空气污染物分类和非均相催化处理方法
水体污染
随着全球经济和工业化的快速发展，对水资源需求显著增加，但工业废物排放导致水源污染，使清洁水资源日益稀缺。为应对水质下降和处理成本上升的挑战，研究人员正积极开发更高效的水处理技术。水体污染物分为有机和无机两类，其中有机污染物因种类繁多，单一方法难以全面去除，尤其是持久性有机污染物（POPs），因其长期存在和扩散性，处理难度较大。传统处理技术如混凝、絮凝和过滤，往往需要化学药品且多为转移污染物，无法彻底降解。高级氧化工艺（AOPs）通过生成高活性羟基自由基，有效降解有机污染物，避免简单的物理转移。本文关注了电催化氧化、光催化氧化和臭氧催化三种方法，并对无机污染物如六价铬（Cr6+）和硝酸盐的处理进行了深入的讨论（图3）。
图3. 水体污染物非均相催化处理方法
固体污染
塑料因其低成本、轻便和化学稳定性，被广泛用于包装、运输和建筑等领域。然而，许多塑料产品是一次性使用，使用寿命短，导致大量废弃物积累。虽然废塑料对环境有害，但它们也是重要的碳资源。因此，除了减少不可降解塑料的使用和开发可降解替代品外，合理处理现有的塑料废物也非常重要。现有的回收技术存在效率低、能耗高等问题，导致回收和再利用废塑料面临挑战，不仅对环境和人类健康产生不利影响，并造成碳资源浪费和经济损失。通过热催化、电催化降解、光催化降解和生物降解等方法，可将废塑料升级为高性能燃料和特种化学品，促进实现循环聚合物经济（图4）。
在生物质方面，木质纤维素生物质在固体废物中占有很大比例，处理不当会产生污染物。有效处理木质纤维素生物质不仅能减少废物，还能生产有价值的产品，对实现可持续发展目标至关重要。然而，木质纤维素生物质的转化过程面临挑战，其固有的复杂性需探索高效的催化系统。在转化过程中，主要通过断裂C-O和C-C键实现，其中C-O键的断裂可通过氢解、加氢脱氧等方式进行，而C-C键的断裂则可通过氢解、氧化等过程完成（图4）。
图4. 固体污染物非均相催化处理方法
总结与展望
迄今为止，现有的降解技术尚未能够同时满足三个核心要求：即高降解率、高能效、高附加值或无害产品。未来的研究和实践必须从物质流、能量流和数据流三个维度来应对这些挑战，综合考虑和优化水、空气和土壤污染物的催化降解过程。将人工智能 （AI） 技术与物质、能源和数据流集成，代表了跨学科优化复杂系统的一种变革性方法。通过利用 AI 在数据分析、模式识别和预测建模方面的能力，可以实现更具凝聚力和更高效的资源管理，推动降解技术的发展。
责任编辑
高文波 大连化物所
余志鹏 葡萄牙伊比利亚国际纳米所
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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2024.100090
本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Materials 第2卷第3期发表的REVIEW文章“Heterogeneous catalysis for the environment” (投稿: 2024-08-05；接收: 2024-09-14；在线刊出: 2024-9-16)。
DOI：https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100090
引用格式：Liu J., Burciaga R., Tang S., et al.(2024). Heterogeneous catalysis for the environment. The Innovation Materials 2(3): 100090.
作者简介
朱文磊 南京大学教授，江苏特聘教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者。南京大学学士，布朗大学博士，先后在华盛顿大学圣路易，哥伦比亚大学&特拉华大学做博士后，担任华盛顿州立大学研究员。长期开展“碳达峰”与“碳中和”目标引领的相关环境问题研究。在Nature Energy, Nature synthesis，Nature Communication 等学术期刊上发表SCI论文70余篇, H指数35，论文总引用>5000次。担任学术期刊《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》副主委，入选ACS Environ. Au 2023环境研究明日之星。主持国家自然科学基金面上项目，江苏省青年基金，参与江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金（重大科技示范）。
景亚轩 南京大学姑苏青年教授，特聘研究员，博士生导师，污染控制与资源化研究国家重点实验室，前沿科学学院环境与健康研究院（苏州校区）。华东理工大学学士，博士，新加坡国立大学联合培养博士，上海市超级博士后。主要研究方向为废塑料降解、生物质转化、绿色催化。以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., CHEM, Nat. Rev. Chem., Acc. Chem. Rec., ACS Catal., Chem. Sci., Appl. Catal. B.等知名期刊发表论文22篇，其中JCR一区18篇，IF>10论文12篇，High cited paper 3篇。PCT专利1项，中国发明专利4项。主持国家自然科学基金委、中央高校基础科研业务费、博士后基金委、上海市人社局等项目5项。获英国化学工程师协会IChemE & CCST Young Investigator Award，石化联合会—可持续发展青年创新奖等荣誉十余项，Green Carbon和EcoEnergy期刊青年编委，受邀担任多个知名期刊审稿人。
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