综述：最近在含金属催化剂方面取得了进展，这些催化剂可用于从废水中去除硝基芳香化合物和有机染料，从而实现环境修复

有机污染物降解与金属基催化剂研究进展。

　　

阿布·塔哈 | 阿塔尔·阿迪尔·哈什米

印度新德里贾米亚纳加尔贾米亚米利亚伊斯兰大学化学系，邮编110025

摘要

从水源中降解和消除有机污染物是一项至关重要且具有挑战性的任务，因为这些有害物质对环境、水生生物以及整个生态系统都构成威胁。合成有机染料和硝基芳香族化合物是从各种来源释放到水中的非常有害的化学物质。科学家和学术界一直在寻找经济、环保且易于实施的方法来处理废水中的这些化学物质。目前，由于这些化学物质能够快速降解，催化方法在去除有机污染物方面引起了研究人员的极大兴趣。在这方面，已经开发出了多种含有金属离子或金属纳米颗粒的催化剂模型。在这篇综述中，我们广泛讨论了用于降解/还原有机污染物的最新催化剂技术，包括金属纳米颗粒、金属纳米复合材料、金属有机框架和金属氢凝胶等。此外，我们还探讨了这些催化剂的比较评估、其他相关方面以及未来的发展前景。

引言

由于20世纪以来的工业快速发展，湖泊、河流等水体的污染程度有所增加。工业产生的有害废弃物直接排放到水中，对动植物造成危害（N. Ali等人，2018；Kamal, Anwar等人，2016）。纺织、橡胶、聚合物、个人护理和制药等行业使用有机染料为产品着色（Pearce，2003）。纺织业是产生含有机染料废水的最大行业之一（I. Ahmad等人，2016；Kamal, Ahmad等人，2017）。此外，还有多种芳香族硝基化合物被用作制备其他有用化合物的起始原料。然而，这些芳香族硝基化合物具有毒性。由于相应的胺类物质毒性较低，因此建议通过还原反应将其转化为胺类衍生物（Kamal, Khan等人，2016）。目前，已有多种物理和化学方法用于去除水体中的这些有毒化学物质，如吸附、混凝、沉淀、过滤、电渗析、基于过滤膜的纳米颗粒、液相萃取、离子交换、还原和氧化等（F. Ali等人，2017；Haider等人，2016；Kamal, Khan等人，2017；Kamal等人，2015, 2018；Ennajih等人，2025）。其中，芳香族硝基化合物和有机染料的还原尤为重要，因为这会彻底改变它们的化学结构。尽管使用了强还原剂（如四硼氢化钠），某些化合物（如4-硝基酚、4-硝基苯胺、硝基苯和甲基橙）的化学还原反应在热力学上是有利的，但在动力学上却较为缓慢。为了解决这一问题，研究人员开发了大量基于金属的催化剂以加速这一反应过程。

纳米颗粒是一种尺寸小于100纳米的微小物质，可分为多种类型，包括富勒烯、金属纳米颗粒、陶瓷纳米颗粒和聚合物纳米颗粒（I. Khan等人，2019）。金属纳米颗粒可以由单一金属或多种原子组成。Ag、Au、Pt、Cu、Pd、Al和Ni是最常用的金属（“纳米吸附剂的性质和吸附机制”，2022）。纳米颗粒的小尺寸和大表面积使其成为催化和光催化应用的理想候选材料（Rogozea等人，2017）。由于纳米颗粒不需要配体，因此需要将其固定在某种表面上（Pachón和Rothenberg，2008；Tanji等人，2023）。为此，人们将纳米颗粒与聚合物材料结合，制备出具有电子导电性、等离子体共振、超顺磁性和增强催化活性等特性的纳米复合材料（Graf等人，2002；Kreibig和Vollmer，1995；Murray等人，2001；Berkowitz等人，1992；Okumura等人，2001）。为了实现可持续性，人们正在开发成本效益高的纳米复合材料，用于去除硝基芳香族化合物和合成染料（Badawi等人，2021）。金属有机框架（MOFs）也经过改良和掺杂后被用于降解有机污染物（Abonyi等人，2025）。MOFs是一种多孔材料，由有机连接剂通过配位与金属结合而成。由于其高度多孔的结构和可修饰的有机连接剂，MOFs在有机污染物降解方面具有广泛应用（Bhuyan和Ahmaruzzaman，2023；Sonowal等人，2022）。含金属离子的氢凝胶也是降解有机污染物的有前景的催化剂，其中三维分支的聚合物网络起到亲水作用，能够捕获金属离子（Q. Li等人，2025）。金属离子氢凝胶属于异相催化剂，由于金属离子与具有功能基团的聚合物材料结合，因此金属离子的浸出现象得到抑制（Naeem等人，2021）。与不同过渡金属形成的Schiff碱配体金属复合物被证明是多种有机转化反应的多功能催化剂（Juyal等人，2023）。特别是Schiff碱金属复合物也被用于还原芳香族硝基化合物（Jia等人，2016）。Schiff碱金属复合物还用于光催化降解和还原有机染料及硝基芳香族化合物（Goswami和Barman，2026）。本文将综述分为五个部分，分别讨论了五种含金属的催化剂模型：金属纳米颗粒、金属纳米复合材料、金属有机框架（MOFs）、金属氢凝胶和金属复合物在废水处理中的应用、它们的暴露时间、降解速率常数以及降解百分比。同时，我们还对这些催化剂模型进行了效率、无硼氢化物还原/还原能力、催化剂浸出性和稳定性等方面的比较研究，并对未来发展方向进行了展望。

章节摘录

关于含金属催化剂处理废水的文献计量分析

为了进行文献计量分析，我们选择了Scopus数据库，因为该数据库包含大量与科学和环境修复相关的出版物。在数据库分析中，我们使用了关键词“废水处理”和“金属催化剂”，并排除了综述文章、书籍、书籍章节、会议论文和会议报告（Donthu等人，2021）。从Scopus数据库的分析结果来看，近年来（2020年至2025年）发表了大量关于含金属催化剂处理废水的研究文章。

金属纳米颗粒在还原有机污染物中的应用

近年来，纳米科学和纳米技术取得了显著进展。凭借其极小的尺寸、较大的表面积、形状依赖性的独特性质、规则的大小分布以及良好的重复使用性，纳米颗粒在工程、物理、生物、工业和化学等领域得到了广泛应用（N. Singh等人，2021；Chong等人，2010；Dreaden等人）

比较评估

从我们已经讨论的多种催化剂来看，金属纳米颗粒和金属复合物在还原/降解有机污染物方面比金属纳米复合材料、MOFs和金属氢凝胶更有效。此外，金属纳米颗粒和金属复合物的合成过程相对简单，通常只需一步或两步即可完成。在金属纳米颗粒中，我们重点讨论了银纳米颗粒和金纳米颗粒的应用

无硼氢化物还原/降解

钠硼氢化物和钾硼氢化物常被用作有机污染物的还原剂（Taha等人，2025；Jacob等人，2024；Vidya Sagar等人，2024）。然而，过量使用NaBH₄的主要缺点是会产生副产物，如B(OH)₃、BO₂^?等。此外，去除过量的NaBH₄及其副产物是一项复杂且耗时的工作（Islam等人，2019）。因此，有必要寻找替代的还原剂

催化剂的浸出性和稳定性

催化剂的稳定性是其能够长期重复使用的重要特性。在催化过程中，催化剂中的金属离子会释放到反应混合物中，这种现象称为浸出（Z. Wu等人，2022；Z. Xie等人，2026）。稳定性较高的催化剂在反应混合物中的金属离子浸出量较少。根据近期文献的研究，某些纳米颗粒表现出良好的稳定性

可接受的金属离子浸出水平

催化剂中的金属离子浸出会导致副产物的产生，并缩短催化剂的使用寿命（M. Yang等人，2025）。在含金属催化剂处理废水的过程中，部分金属离子会浸出到水中，这对人类和水生生物都有害。铜对人体生理功能至关重要，但过量摄入铜会对肠道、肝脏和胃造成不良影响

废水处理中的副产物标准和法规

印度不时制定相关法律法规来规范废水处理和管理。例如《1974年水（污染防治）法》、《1977年水（污染防治）修正法》以及《1986年环境（保护）法》（MoEF，2004）。中央污染控制委员会（CPCB）负责监测全国的水质，并制定了统一的排放标准（环境标准，2005）。对于副产物的容忍度也有相应规定

金属固定化策略

将金属固定到固体表面是为了便于处理、回收和分离。由于在均相催化中分离过程较为困难，固定化技术使得催化剂更容易从反应介质中分离出来，可以通过离心、过滤和倾析等方法实现（Sherrington和Kybett，2001）。固定化方法有多种，包括无机固定化等

多功能催化剂

多功能催化剂具有多个活性位点，能够同时吸附污染物并进行催化降解。开发多功能催化剂的关键在于具有明确孔结构和稳定性的活性位点（Kim等人，2019；S. Li等人，2018）。本文综述了多种先进的多功能催化剂，这些催化剂是通过使用LDH（Chakraborty和Acharya，2023）或LTH（Bhuvaneswari等人，2021）等方法制备的

成本分析、人工智能和机器学习的作用

很少有研究人员评估他们开发的催化剂的成本效益，因为这关系到催化剂在现实世界废水处理中的大规模应用（Lagdali等人，2023）。成本分析包括资源投入、催化剂开发与生产成本以及从实验室到工业规模转化的可行性（Miyah等人，2022）

结论与未来展望

本文综述了多种含金属的催化剂模型在降解/还原硝基芳香族化合物和有机染料方面的应用。文献显示，大多数研究集中在金属纳米颗粒、金属纳米复合材料和金属有机框架上。在一定程度上，金属氢凝胶也被用于这些有机污染物的降解。某些Schiff碱金属复合物（无论是游离状态还是其他形式）也显示出一定的应用潜力

CRediT作者贡献声明

阿布·塔哈：负责撰写综述和编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、数据分析及概念构建。阿塔尔·阿迪尔·哈什米：负责撰写综述和编辑工作，并提供监督。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

阿布·塔哈感谢UGC提供的NFOBC奖学金[F. 44-1/2018 (SA-III)]。阿塔尔·阿迪尔·哈什米也感谢新德里贾米亚米利亚伊斯兰大学提供的必要研究设施。