综述：光催化、电催化及光电催化自清洁膜技术的进展：原理、制备策略及其在水处理中的应用

《Desalination》：Advances in photo-, electro-, and photoelectro-catalytic self-cleaning membranes: Principles, fabrication strategies and applications in water treatment

膜污染控制技术综述：分析光催化、电催化及光电催化自清洁膜的结构设计、ROS生成机制及在染色废水、含抗生素废水处理、海水淡化等领域的应用，强调膜材料制备对催化性能的关键作用，并提出未来集成化发展方向。

　　

张泽荣|黄宣林|刘阳|张晓媛|刘宇

中国天津市南开大学环境科学与工程学院低碳非常规水资源利用与水质保障工程实验室，300350

摘要

膜污染是一个持续存在的挑战，它限制了基于膜的水处理系统的效率和使用寿命。催化自清洁膜通过将选择性分离与催化降解相结合，提供了一种有效的策略来减轻膜污染，使得在运行过程中能够原位去除污染物。本文综述了光催化、电催化和光电催化自清洁膜的最新进展，重点介绍了其制备方法、自清洁机制以及具体应用。特别强调了制备策略，因为在运行过程中生成活性氧（ROS）的能力从根本上取决于膜的结构设计以及催化功能的引入。此外，还探讨了这些膜在处理染料废水、含油废水、受抗生素污染的废水以及海水淡化中的应用。最后，讨论了自清洁膜的未来发展方向。总体而言，本文全面概述了光催化、电催化和光电催化自清洁膜领域的最新进展与挑战，旨在为这些技术向大规模应用和可持续水处理方向的发展提供指导。

引言

基于膜的分离技术因其高效的分离能力和低能耗而被广泛用于废水处理[1],[2]。然而，在处理复杂废水时，膜污染仍然是一个严重的问题，导致渗透率降低、膜寿命缩短以及运行成本增加[3]。传统的物理和化学清洗方法在一定程度上可以减轻污染的影响[4]，但这些方法通常需要较长的时间、使用大量的化学物质，并可能对膜结构造成损害[5]。为了提高膜的抗污染性能，人们开发了多种表面改性策略，包括应用超亲水性和超疏水性涂层[6],[7]。然而，这些表面改性方法主要是通过改变膜的表面性质（如润湿性和表面能）来减少污染物的初始吸附，因此它们更多地是延缓了膜污染的发生，而不是从根本上抑制长期运行中的污染物积累[8],[9]。因此，随着时间的推移，仍然需要频繁清洗膜[8],[9]。

因此，具有主动抗污染能力的膜分离技术受到了越来越多的关注。高级氧化工艺（AOPs）能够高效生成高活性的氧物种（如羟基自由基（·OH）、单线态氧（¹O₂）和硫酸根自由基（SO₄^?•），已在废水处理中得到广泛研究和应用[10]。与传统化学氧化方法相比，AOPs可以在较低的化学消耗下降解顽固的有机污染物，从而实现更环保的处理方式。在基于膜的系统中，这些高活性物种可以在膜表面或附近氧化和分解有机污染物，减弱污染物与膜的相互作用，从而在运行过程中促进污染物的去除。近年来，研究人员将AOPs与膜分离过程相结合，实现了在膜表面原位生成ROS，无需添加外部化学试剂，从而实现了自清洁功能。然而，传统的AOPs通常依赖于化学加药或外部试剂来驱动反应，这往往导致较高的运行成本和有限的可持续性[11]。为了解决这个问题，光催化、电催化和光电催化自清洁膜技术应运而生，这些技术利用光或电等外部场作为催化驱动力，在膜表面原位生成ROS，从而有效去除膜污染物并恢复通量。这种主动的污染控制机制与传统的表面改性方法有根本的不同，后者只能在有限的程度上缓解污染，无法消除积累的污染物，因此提供了一种更可持续的方法来保持膜的长期性能[12]。

基于不同的催化机制，本文系统地讨论了三种主要类型的催化自清洁膜（即光催化、电催化和光电催化膜）的构建策略和性能优化，并强调了它们在废水处理中的应用和技术优势。由于膜污染仍然是高压海水淡化过程长期稳定性的主要障碍[13]，因此特别关注了将自清洁技术集成到反渗透（RO）系统中。此外，还讨论了自清洁膜的未来发展方向。本文为光电催化自清洁膜的未来发展提供了有益的见解，以克服膜污染问题，促进可持续的水资源和废水管理。

部分摘录

催化自清洁膜的机制

光催化、电催化和光电催化自清洁膜通常通过在膜表面掺入半导体光催化剂和导电材料来构建。在光照下，半导体光催化剂生成电子-空穴对，从而在膜表面原位生成ROS；而在电催化系统中，施加的电场会引发界面氧化还原反应，也产生ROS用于污染物降解[14],[15]。尽管驱动机制不同，

染料废水处理

染料废水含有高浓度的顽固有机污染物、染料和重金属。传统处理方法往往无法有效去除这些污染物，且效率低下、运行成本较高[70]。相比之下，膜分离技术，尤其是纳滤（NF），在去除染料废水中的颜色和COD方面表现出显著的效果[71]。NF膜表现出优异的性能

展望

过去十年中，光催化、电催化和光电催化自清洁膜发展迅速，通过光催化、电催化和光电催化方法在控制膜污染方面展现了巨大的潜力。生成活性物种（包括ROS、RCS和硫酸根自由基）被认为是膜表面污染物原位降解的关键机制，这为相关理论提供了支持并提供了实用策略

结论

本文全面总结了光催化、电催化和光电催化自清洁膜的最新进展。在不同的应用场景中，包括染料废水、含油废水、受抗生素污染的废水以及海水淡化系统，催化自清洁膜的性能表现出明显的基质依赖性。未来，下一代自清洁膜的发展需要一个更加全面和综合的框架

CRediT作者贡献声明

张泽荣：撰写初稿，数据整理。黄宣林：撰写初稿。刘阳：撰写、审稿与编辑。张晓媛：撰写、审稿与编辑，撰写初稿，指导，概念构思。刘宇：撰写、审稿与编辑，撰写初稿，指导，资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U24A20188, 52300093）、中央高校基本科研业务费（项目编号：040-63241413, 63243196）以及中国国家高层次人才计划的资助。