综述：光催化膜反应器作为光氧化（Photo-AOP）平台与二氧化碳制燃料模块的集成：从光电催化协同作用的角度出发

《Journal of Environmental Management》：Photocatalytic membrane reactors as Photo-AOP platforms integrated with CO 2-to-fuels modules: A paired photoelectrocatalysis perspective

光电催化膜反应器耦合二氧化碳电催化还原系统的研究，提出PMRs替代氧析出反应，实现废水处理与碳资源化同步，降低系统能耗。

　　

Mohd Hazarel Zairy Mohd Harun | Jin Kwei Koh | Abdul Latif Ahmad | David Wang | Mohd Asyadi Azam

马来西亚科学大学工程学院，Nibong Tebal，14300，槟城，马来西亚

摘要

光催化膜反应器（PMRs）作为一种多功能平台，已在高级氧化过程（AOPs）中得到广泛应用，实现了污染物的同时降解和膜过滤。然而，其在大规模应用中的推广仍受到光子效率低下、污染以及长期稳定性不确定性的限制。与此同时，电化学和光电化学二氧化碳还原（CO₂RR）技术已发展到具备工业应用所需的电流密度，但阳极处的氧气演化反应（OER）仍是一个瓶颈。本文系统地整合了PMRs和CO₂RR领域的最新技术进展，将其置于统一的光电催化框架内。提出了一种机制耦合方法，用于分析氧化还原电位对齐、电子流分布、pH值解耦、膜介导的离子传输以及阳极PMR氧化与阴极CO₂转化之间的流体动力学同步性。研究表明，PMRs在热力学上优于OER，能够在降低全电池电压的同时实现废水处理和碳 valorization。文章指出了包括自由基-膜相互作用、污染引起的光子衰减、基质清除以及阳极电子供应不稳定性在内的关键限制因素，这些因素是实现两者结合的重要障碍。本文为PMR耦合的CO₂-to-fuel系统建立了机制和工程路线图，将PMRs定位为循环水-碳技术和低排放环境系统的多功能阳极平台。

引言

全球水和碳循环正面临日益严重的挑战，这源于水生系统中微量有机污染物的持续存在以及大气中人为二氧化碳（CO₂）的加速积累。如今，表面水、地下水和废水排放物中的微量有机污染物（如药物、农药、内分泌干扰化合物（EDCs）和全氟及多氟烷基物质（PFAS）的含量已达到ng/L至μg/L的水平（Bulawska等人，2025年）。与此同时，不断增长的CO₂排放继续推动气候变化，促使国际政策框架不仅强调减排，还注重碳捕获和利用以及循环过程设计（Liu等人，2020年）。因此，能够同时解决水污染和碳管理问题的技术越来越被视为可持续和循环环境系统的关键组成部分。

高级氧化过程（AOPs）通过高活性氧物种（ROS，包括羟基自由基（^•OH）、超氧阴离子（O₂^•-）、硫酸根自由基（SO₄^•-）和单线态氧（¹O₂）有效降解顽固性有机污染物。尽管AOPs具有广谱降解能力，但传统方法受到高能耗、化学氧化剂消耗、催化剂不稳定性和操作复杂性的限制（Zhu等人，2020年）。光辅助AOPs利用太阳光或人造光子生成ROS，无需添加化学试剂，显示出广阔的应用前景（Lu Wang等人，2022年）。然而，催化剂回收、膜污染、光子衰减和长期稳定性等实际问题仍阻碍了其大规模应用（Xiao等人，2023年）。

光催化膜反应器（PMRs）作为一种将光催化和膜分离结合在单一单元中的集成平台，受到了越来越多的关注（Yin等人，2023年）。这种配置避免了催化剂回收的需求，增强了污染物与ROS的接触，并通过部分自清洁作用减轻了膜污染（Yin等人，2023年）。近期进展包括对可见光响应的光催化剂、改进的质量传输技术和抗污染表面改性（T. Liu等人，2023年）。连续流式PMR配置和试点规模的应用进一步证明了其在实际废水处理中的潜力。然而，光子利用效率、自由基渗透深度、复杂基质下的污染以及长期结构稳定性仍然是扩大规模的关键障碍（Mozia等人，2024年）。

与此同时，电化学和光电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）在气体扩散电极和膜电极组件（MEA）配置中取得了显著进展，实现了高电流密度和更高的产物选择性（Pan等人，2023年）。串联和混合光电化学系统为太阳能到燃料的转化提供了新的途径（Lu和Wang，2024年）。膜在离子传输、pH值调节和产物分离中起着关键作用。然而，大多数CO₂RR系统依赖于阳极处的氧气演化反应（OER），该反应动力学缓慢、能耗高且不产生附加值产物（Zulfiqar等人，2024年）。OER受到1.23 V的最低电位限制，但由于其四电子反应路径和中间吸附障碍，通常表现出较大的动力学过电位（Feng等人，2024年）。系统级分析表明，OER可能占CO₂电解总能量的50%以上，在某些情况下甚至超过90%，成为CO₂-to-fuel系统的主要能量瓶颈（Chaplin，2014年）。用热力学上有利的阳极氧化反应（如硫氧化或有机氧化）替代OER可以将全电池电压降低1.1 V，并减少高达50%的能耗，表明耦合电解是一种有前景的节能CO₂转化策略（Gong等人，2025年）。

为了解决这一限制，用增值的阳极氧化反应替代OER已成为一个有前景的研究方向。近期研究探索了有机污染物氧化、酒精氧化和生物质衍生分子的氧化作为替代阳极过程，以降低能耗并生成有用的化学品（Zhou等人，2025年）。因此，将废物氧化与CO₂RR耦合的电化学和光电化学系统越来越被视为实现循环和节能环境技术的途径（Ghanem和Elsamadony，2025年）。例如，耦合电解系统在流式电池配置中实现了超过90%的法拉达效率（FE），用于CO₂到CO或甲酸的生产，电流密度达到500 mA cm^?2（Chen等人，2020年）。这种融合通过将基于PMR的光氧化与CO₂RR结合在光电催化架构中，提供了独特的机会。在这种系统中，PMR作为多功能阳极平台，替代了OER，而来自污染物氧化的电子驱动了CO₂到燃料的转化。这种双功能方法有望降低电池电压、提高能源效率，并将废水污染物和CO₂转化为无害的氧化产物和增值的碳基燃料。然而，实现这种集成所需的机制、材料和操作方面的联系尚未得到充分发展（Ashley等人，2022年）。尽管PMRs和CO₂RR已分别进行了广泛研究，但尚未有综述系统地探讨它们作为耦合光电催化平台的集成（Li等人，2023年；Xi等人，2024a）。与电化学耦合、膜传输、pH值管理和系统稳定性相关的关键挑战尚未得到解决。本文通过提供一个统一的框架，为设计多功能PMR-CO₂RR系统提供了支持，以实现循环和节能的环境应用。

为了填补这一空白，本文旨在将PMR和CO₂还原技术的进展整合到光电催化框架中。研究范围涵盖了PMR材料、催化剂集成策略、膜架构和连续流反应器工程设计，以及先进的CO₂RR催化剂和MEA配置，用于CO₂到燃料的转化。本文还评估了工程限制、性能基准、技术经济可行性、生命周期影响和地区特定部署考虑因素，为多功能、节能的环境处理系统提供了路线图。本文提出了一个统一的理论框架，将PMRs重新定义为耦合光电催化系统中的功能性阳极平台。通过明确分析电子流动、氧化还原电位对齐、pH值解耦和膜介导的电荷传输，本文超越了描述性比较，建立了集成水-碳转化系统的机制设计原则。

部分摘录

光催化膜反应器作为光辅助氧化过程（Photo-AOP）平台

PMRs将光催化和膜分离结合在一个模块中，实现了污染物的同时降解和颗粒物的保留。主要讨论了PMRs作为光电催化耦合系统的光辅助氧化（photo-AOP）阳极候选者的适用性，其关键要求包括在膜界面处可控的ROS通量和在真实水环境中的长期运行稳定性（Amini-Seresht等人，2025年）。最近的研究提高了PMR的性能，但光子利用效率仍有提升空间

光照下的氧化化学

PMRs的性能从根本上取决于半导体光催化剂吸收光子时生成的ROS的化学性质。理解ROS的形成、寿命、反应性和相互作用对于定义氧化路径、预测污染物降解行为以及评估其与光电催化耦合的兼容性至关重要。

用于整合的CO₂-to-fuel模块

电化学和光电化学CO₂RR技术作为可再生燃料和化学品的生产途径取得了显著进展，这得益于催化剂设计、MEA和反应器工程的进步。对于PMR的整合，关键考虑因素包括稳定的CO₂转化所需的电化学条件、膜和微环境管理，以及能够与外部阳极反应耦合的系统配置。本节对这些方面进行了重点概述

PMRs与CO₂RR之间的机制耦合原理

本节概述的原理构成了光电催化耦合的机制框架，其中PMRs被设计为活性阳极界面，而不仅仅是辅助处理单元。尽管概念简单，但其实现需要仔细调整氧化还原电位、界面动力学、膜介导的离子传输、pH值梯度、自由基行为、流体动力学和长期材料稳定性。本节详细阐述了这些机制

可扩展性、区域适用性和可持续性考虑

集成PMR-CO₂RR系统的可扩展性和实际部署受到当地环境、基础设施和社会经济条件的影响（图10）。与实验室规模的应用不同，实际部署必须考虑废水成分、太阳辐射、电力基础设施和监管框架的地理差异。因此，PMR-CO₂RR系统的设计和操作应针对当地情况进行调整，以确保技术可行性

未来研究方向

除了材料创新外，还需要进一步研究来解决PMR-CO₂RR耦合光电催化过程中固有的方法学复杂性，其中光子传输、自由基化学、膜传输和电化学动力学紧密相关。首先，需要标准化协议来量化在真实基质条件下PMR-阳极处的ROS通量和“电子利用”，因为NOM/碱度驱动的清除作用和光子衰减可能导致研究结果之间的较大差异

结论

总之，本文推进了将PMRs作为光辅助氧化（photo-AOP）阳极与CO₂RR结合在PMR-CO₂RR系统中的概念基础，以实现废水的净化和碳的 valorization。通过综合PMR反应器和膜设计、CO₂RR模块工程及其耦合要求，本文指出了当前阻碍集成操作的技术瓶颈，并确定了可扩展架构的实际设计优先事项。这些成果为

CRediT作者贡献声明

Mohd Hazarel Zairy Mohd Harun：撰写——综述与编辑、初稿撰写、概念构思。Jin Kwei Koh：初稿撰写。Abdul Latif Ahmad：指导。David Wang：指导。Mohd Asyadi Azam：指导。

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所述的工作。

致谢

作者衷心感谢马来西亚玛拉卡技术大学的持续鼓励和支持。