综述：生物炭基光催化材料在污染物治理中的研究进展：结构调控、电子机制与工程挑战

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Research progress on biochar-based photocatalytic materials for pollutant treatment: Structural regulation, electronic mechanisms, and engineering challenges

本综述系统阐述生物炭基光催化材料在环境修复中的多尺度结构调控策略与协同机制。文章聚焦生物炭作为电子介体在Z型/S型异质结中的关键作用，通过表面官能团修饰、能带工程和缺陷调控增强光生载流子分离效率。重点分析材料对有机污染物（染料/抗生素）、重金属（Cr(VI)）及VOCs的协同降解机制，并指出原材料可控性、材料稳定性及工程化适配性等挑战，为绿色合成与数据驱动的光催化材料设计提供理论框架。

　　

生物炭基光催化材料的结构特性与调控策略

生物炭的物理化学性质受前驱体原料和热解条件显著影响。农业废弃物（如秸秆、稻壳）、市政污泥等生物质原料在限氧条件下热解，可形成高比表面积、多级孔结构和丰富表面官能团的碳材料。通过调控热解温度、异质原子掺杂（如N、S、P）和缺陷工程，可精确调节生物炭的导电性、能带结构和表面反应活性。例如，高碳氧比（C/O）有利于形成sp²杂化石墨化域，提升电子迁移效率；而含氧官能团（-COOH、-OH）则增强污染物吸附能力。

光催化系统中的协同机制

在Z型、S型和肖特基异质结中，生物炭作为电子介体或导电支架，通过π-π共轭网络促进光生电子-空穴对分离。例如，在g-ZnO/2H-MoS₂复合体系中，生物炭桥接两种半导体，加速界面电子转移，使Cr(VI)在25分钟内去除率达99.9%。生物炭的多孔结构还可富集污染物（如四环素、甲醛），通过吸附-光催化协同机制提高局部反应浓度，降解效率提升至97%以上。

活性氧（ROS）的调控途径

生物炭的表面缺陷和官能团（如羰基）可调控活性氧物种的生成路径。自由基路径（·O₂^?、·OH）主导有机污染物降解，而非自由基路径（¹O₂）则对特定结构污染物（如抗生素）具有高选择性。研究表明，g-C₃N₄中引入羰基后，三重态激子浓度增加，使¹O₂产率显著提升。

典型污染物的治理应用

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  有机染料与抗生素：Ru-TiO₂/PC复合材料在1小时内对RhB的降解率超过99%，其高比表面积和π-π堆叠作用增强染料吸附；BiOI/CdS异质结通过Z型机制生成·O₂^?，有效降解四环素。
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  重金属Cr(VI)：TiO₂/生物炭肖特基结驱动Cr(VI)还原为低毒Cr(III)，生物炭的羧基与羟基通过静电吸附富集Cr(VI)，提升界面反应速率。
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  VOCs净化：Ru₂VO₆/V₂O₅纳米线阵列在45分钟内对甲醛的去除率达98%，生物炭的介孔结构促进气体污染物扩散与光催化降解耦合。

技术挑战与前沿方向

当前研究面临生物质原料批次差异性、材料长期稳定性不足及工程化适配性低等挑战。未来需结合绿色合成（如低温水热法）与机器学习辅助设计，优化生物炭的孔道结构与表面化学。同时，应建立涵盖生态毒性（如大型溞急性毒性LC₅₀）的全生命周期评价体系，推动材料从实验室向实际环境应用转化。