综述：基于水凝胶的光催化剂的最新进展与展望：综述

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Recent progress and perspectives on hydrogel-based photocatalysts: A review

本文综述了水凝胶基光催化剂的最新进展，涵盖其分类、制备方法、性能影响因素及协同效应，并探讨其在太阳能转化、污染物降解等领域的应用前景。

　　

作者：Byan Baihaqi | Muhammad Faikar Ihsan | Wibawa Hendra Saputera

可持续能源与技术研究小组，化学工程系，工业技术学院，万隆理工学院，Ganesha路10号，万隆，40132，印度尼西亚

摘要

随着对可持续化学生产需求的增加，光催化作为一种绿色且节能的清洁能和增值化学品生成方法受到了越来越多的关注。纳米级光催化剂在光吸收和表面活性方面展现了显著的改进。然而，由于其微小的颗粒尺寸，其在实际应用中的回收和再利用仍面临挑战。近年来，水凝胶因其三维结构、高吸水性和可调孔隙率而成为光催化剂的有效载体。本综述全面总结了基于水凝胶的光催化剂系统的最新研究进展，讨论了水凝胶的分类和制备方法，探讨了影响水凝胶-光催化剂复合材料效率的关键因素，并评估了其整体光催化性能。同时分析了水凝胶基质与光催化剂之间的协同效应，以阐明它们在提升催化活性、稳定性和可重复使用性方面的作用。此外，本文还提出了基于水凝胶的光催化剂在更可持续和实用的光催化技术中的新兴应用和未来发展方向。

引言

随着对气候变化、空气质量和水污染问题的日益关注，人们迫切需要寻找能够最小化排放和有害副产品的工艺。2024年，全球与能源相关的二氧化碳排放量达到了新的纪录高点，约为37-38亿吨，其中工业和市政废水是持久性有机和无机污染物的主要来源[[1], [2], [3]]。随着技术的进步和环境意识的提高，对绿色和可持续化学生产的需求显著增加。与传统的热驱动工艺相比，光催化作为一种安全、环境友好且高度选择性的方法脱颖而出，后者通常会产生不希望的副产品和二次污染。光催化系统以其温和的操作条件、最小的污染物生成、低能耗和降低的毒性而广受认可。通过添加金属或非金属添加剂[[4], [5], [6]], 在光催化剂基质中构建异质结构[[8], [9], [10], [11]], 将光催化剂尺寸缩小到纳米级别[[12], [13], [14], [15], [16]], 以及应用多种结构和表面改性[[17,18]]，光催化性能得到了显著提升。最近的研究表明，合理设计光催化剂可以显著增强其对污染物的降解能力和太阳能燃料的生成能力，进一步凸显了微观结构和成分控制在光催化系统中的重要性[[19]]。 将催化剂尺寸缩小到纳米级别已被广泛认为是提高光催化性能的有效策略，纳米催化剂在基础研究和实际应用中的使用也越来越普遍。大量研究表明，催化剂颗粒的大小对催化活性起着决定性作用。然而，纳米催化剂也带来了挑战，尤其是在反应后将其从反应介质和产物中分离出来的过程中。分离和回收不充分可能导致二次环境污染和催化效率的逐渐下降，从而限制了其大规模或长期的应用。因此，许多研究致力于解决与纳米光催化剂相关的这些问题。目前，克服这些挑战的最有效方法之一是固定纳米颗粒或引入磁性功能。特别是，通过引入Fe₃O₄ [20,21]或FeO [22]等铁基纳米颗粒，可以利用外部磁场实现高效的分离。然而，铁基物质的引入可能会降低催化剂系统的酸碱耐受性，并增加操作过程中颗粒聚集的可能性[[23]]。同时，铁离子的磁性和价态对温度变化非常敏感，高温处理可能导致磁性的丧失和离子价态失衡，从而破坏铁离子-催化剂混合物[[24]]。另一种广泛研究的策略是使用合适的载体或支架来固定纳米颗粒。除了物理锚定活性颗粒外，合适的支架还可以通过提供额外的功能来促进光催化性能。理想的支架应具备以下特点：(a) 具有高比表面积和良好的光透过性；(b) 有效的质量传递路径和吸附位点；(c) 在反应条件下具有很强的化学惰性；(d) 易于光催化剂的分离和回收。已经开发出多种材料作为光催化剂载体，包括金属或非金属泡沫[[25], [26], [27]]、玻璃[[28,29]]、有机化合物[[30,31]]、矿物[[32,33]]、植物纤维[[34], [35], [36]]等，这些材料在颗粒捕获效率、悬浮稳定性和整体光催化性能方面表现出色。 除了固体支架和磁性颗粒外，基于凝胶的基质也被引入作为固定光催化剂的策略，同时保持与反应介质的良好接触。传统的凝胶（如硅胶、聚合物凝胶和类凝胶复合膜）可以捕获光催化剂颗粒，从而改善分散性、增强污染物吸附效果，并便于在批量或连续流动系统中的回收[[37,38]]。在某些情况下，基于凝胶的光催化剂显示出比粉末形式更高的降解效率和更好的可重复使用性。然而，基于凝胶的光催化剂也存在一些局限性，如密集凝胶区域中的质量传递受限、吸水能力有限以及灵活性降低。这些因素促使人们开发出更具水润性和可调性的凝胶平台，从而增加了对基于水凝胶的光催化剂作为先进载体的兴趣。 作为传统光催化剂载体的替代品，水凝胶最近受到了广泛关注。水凝胶含有许多带电官能团，如-COOH、-NH₂、-OH等强极性官能团，这些官能团可以相互交联并吸引水和其他极性化合物。水凝胶可以通过极性吸引吸收大量水分，而不会像使用离子矿物和金属作为载体时那样产生腐蚀风险。水凝胶还为液相反应系统提供了有利条件，能够有效吸附大量带电污染物，因此在分离过程中表现出色[[39], [40], [41], [42], [43], [44]]。此外，通过调整单体组成，可以方便地调节水凝胶的化学性质，使特定聚合物能够调节和增强水凝胶的化学性能，以满足不同的光催化需求。 尽管水凝胶本身不具备内在的降解能力，且常常表现出复杂的脱附行为，但它们为固定光催化剂提供了丰富且稳定的位点，从而便于催化剂的回收和再利用。当光催化剂嵌入水凝胶基质中时，被水凝胶吸附的反应物可以原位直接转化，有效减少了复杂的脱附步骤[[45,46]]。因此，水凝胶不应仅仅被视为被动载体，而应被视为具有光催化系统中巨大潜力的功能性组件。将水凝胶与光催化剂结合使用，为实现更高效和环保的能量转换及污染物治理提供了有前景的策略。此外，通过修改官能团、构建块或表面结构，可以合理调整水凝胶的物理化学性质，进一步提升光催化性能。在本综述中，我们全面概述了基于水凝胶的光催化剂的最新进展，重点关注水凝胶的分类、制备策略、关键性能参数及其在光催化系统中的新兴应用。与以往主要关注水凝胶-光催化剂复合材料在能量转换、水净化和环境修复方面的应用不同，本文系统地将水凝胶结构与多种应用场景相关联，并强调了新的和创新的应用。此外，还概述了水凝胶研究的进展、当前面临的挑战及未来发展方向，旨在为水凝胶基光催化剂系统的设计和应用提供明确指导。

基于金属氧化物的光催化剂

基于金属氧化物的光催化剂是研究最广泛且应用最广泛的光催化材料之一。常见的代表包括二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、氧化铜（Cu₂O）等半导体金属氧化物。它们的光催化性能主要受关键性质的影响，包括带隙能量、根据催化需求定制的形貌、化学稳定性和可重复使用性。

基于水凝胶的光催化剂的制备与制造

将各种纳米光催化剂与水凝胶结合的方法主要有三种。首先，水凝胶可以作为载体，保护纳米光催化剂免受液相或循环反应系统中的腐蚀和降解。通过为纳米光催化剂提供防护环境，水凝胶有助于维持其长期稳定性和催化性能[[83,84]]。其次，具有强吸附性能的水凝胶可以进一步增强...

水凝胶的分类与类型

在选择水凝胶作为光催化剂载体之前，必须确保所选水凝胶能够有效提升光催化剂的性能和整体效率。光催化系统中的水凝胶通常分为两大类：分散型水凝胶和整体型水凝胶。每种类型都具有不同的结构和功能特性，这些特性会影响催化剂的分散性、质量传递、稳定性和可回收性...

参数

水凝胶基光催化剂的性能和效率受吸附过程和光催化过程的共同影响。多个参数会影响催化活性，包括水凝胶（作为吸附组分）与光催化剂（作为活性组分）的比例、pH值、反应介质的离子组成、初始底物浓度、反应时间以及导电聚合物的掺入量...

基于水凝胶的光催化剂应用

基于水凝胶的光催化剂在工业规模应用中展现出巨大潜力，因为它们在性能、稳定性和可重复使用性方面具有独特优势。本节总结了基于水凝胶的光催化剂在氢气生产、二氧化碳转化、废水处理等领域的最新进展...

结论

基于水凝胶的光催化剂是在应对气候变化、水污染以及减少传统化学工艺排放需求背景下应运而生的。通过将吸附、光驱动的氧化还原反应和可回收性集成在一个平台上，这些系统为更可持续的污染物去除和绿色化学生产提供了有前景的途径。凭借其潜力、优势和多样化的应用，基于水凝胶的光催化剂将继续发挥重要作用...

CRediT作者贡献声明

Byan Baihaqi：撰写原始草稿、可视化处理、数据分析、概念构思。 Muhammad Faikar Ihsan：撰写原始草稿、可视化处理、数据分析。 Wibawa Hendra Saputera：撰写修订稿、编辑工作、验证结果、监督研究、资源协调、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究由国际研究合作计划（2024-2025年）、万隆理工学院（资助编号：8404/IT1.B07.1/TA.00/2024）以及代表印度尼西亚高等教育部、科学技术部的教育基金（LPDP）资助（资助编号：4298/B3/DT.03.08/2025）支持。