综述：基于过渡金属氧化物光催化技术在农业废水处理方面的最新进展：综述

《Inorganic Chemistry Communications》：Recent advances in transition metal oxide-based photocatalysis for the treatment of agricultural wastewater: A review

　　杨世民|曾向荣|匡珍英|文阳平|霍贾蒂-纳贾法巴迪阿克巴尔|达瓦尔法特梅赫
江西省农业大学化学与材料学院功能材料与农业应用化学研究所，南昌330045中国

**摘要**
农业废水中的顽固污染物，如农药、抗生素和重金属离子（HMIs），对环境安全和人类健康构成了严重威胁。传统处理技术往往效率低下、能耗高，并存在二次污染的风险。由于过渡金属氧化物（TMO）光催化剂具有优异的物理化学稳定性、可调节的电子结构以及利用太阳能的潜力，因此在处理高级农业废水方面受到了广泛关注。本文系统总结了TMO光催化剂在这一应用领域的最新研究进展，阐明了其光催化降解有机污染物和还原重金属离子的机理。本文全面探讨了单金属氧化物、多金属氧化物和异质结复合材料的结构特征和光催化性能。从目标导向的角度出发，重点讨论了包括增强可见光吸收、优化载流子动力学、表面活性位点工程以及提高污染物亲和力在内的关键改性策略。此外，还系统分析了污染物性质、废水复杂性和操作条件对光催化性能的影响。最后，提出了包括定制材料设计、提高稳定性和实用实施在内的未来发展方向，并整合了纳米酶、材料基因组学和人工智能等新兴方法。本综述旨在为农业废水的高效和可持续处理提供理论见解和技术指导。

**引言**
全球农业的快速现代化是一把双刃剑。虽然它对确保粮食安全至关重要，但处理含有持久性有毒污染物的复杂农业废水已成为一个严重的环境问题[1] [2]。农业废水来源于大规模作物种植和畜牧业，其中包含多种持久性污染物，如农药、抗生素和有毒重金属离子（如Cu(II)和Cd(II)[3]。这些农业化学品可通过径流、淋溶和灌溉回流水等过程从农业土壤迁移到周围的地表水和地下水系统中，从而导致环境污染[4] [5] [6]。同时，高负荷有机物和过量营养物质的共存增加了废水成分的复杂性以及处理的难度[7]。由于这些污染物的高毒性、化学稳定性和生物累积潜力，它们通过环境持久性和食物链富集对水生生物多样性和人类健康构成持续威胁[8]。传统的农业废水处理技术，如物理吸附、生物处理、膜分离和化学氧化，在实际应用中存在多种局限性，如处理效果不满意、能耗高、存在二次污染风险以及难以处理复杂的污染物混合物[9] [10] [11]。因此，迫切需要开发先进、可持续和环保的技术，以实现农业废水的有效处理和资源化利用，从而将其对生态系统的影响降到最低。

在这一背景下，基于半导体的光催化技术作为一种具有巨大潜力的高级氧化工艺（AOP）应运而生[12] [13] [14]。该技术利用太阳能生成强氧化剂（ROS），如羟基自由基（·OH）和超氧阴离子（·O2?），将复杂的有机污染物矿化为无害的CO2和H2O，并将有毒重金属离子还原为危害较小的状态[15] [16]。由于其操作简便性、利用可再生能源以及出色的矿化能力，光催化成为可持续处理农业废水的一种非常有前景的方法。

在各种光催化剂中，过渡金属氧化物（TMOs）因其出色的物理化学稳定性、成本效益和高度可调的电子结构而受到广泛研究[17] [18] [19] [20]。TMOs的可变氧化态和部分填充的d轨道不仅赋予了丰富的氧化还原性质，还提供了多种催化改性的机会[21]。尽管具有这些优势，未经改性的TMOs在实际农业废水处理中仍面临诸多瓶颈[22] [23]。宽带隙TMOs（如TiO2和Nb2O5）主要在紫外线区域表现出光活性，无法有效利用占太阳辐射大部分的可见光谱[24] [25] [26] [27]。虽然窄带隙（带隙约2.6–3.0 eV）TMOs（如WO3、MoO3和V2O5）具有可见光吸收能力，但光生电子-空穴对的快速复合严重限制了其量子效率[28] [29]。此外，对于结构多样的农业污染物，普遍缺乏选择性的吸附位点，导致未经改性的TMOs的降解速率不理想。

目前，虽然已有大量关于光催化技术在水处理中应用和机理的综述论文，例如Song等人研究了光催化技术在农业废水中的应用和机理[30]，Kirankumar等人研究了尖晶石氧化物的性质及其在有机物光降解中的应用[31]，但目前尚缺乏将TMO基光催化剂与农业废水这一特定应用场景相结合的系统综述。现有的综述通常采用描述性和方法导向的研究方法，讨论了通过掺杂、异质结构构建和缺陷工程等改性方法来提升催化剂性能，但未能明确将这些方法与控制污染物去除性能的功能需求联系起来。这种以方法为中心的研究框架可能掩盖了结构-性能之间的关系，从而阻碍了对催化剂设计的合理探索。因此，一个以目标为导向的光催化剂改性策略综述模型将有助于将材料设计与农业废水处理的关键要求联系起来。

本文系统地、目标导向地分析了TMO基光催化剂在农业废水处理方面的最新进展。首先简要概述了农业废水的光催化作用及TMO基光催化剂的应用，然后阐明了降解有机污染物和还原重金属离子的基本光催化机理。综述对主要包括单金属氧化物、混合金属氧化物和异质结复合材料的TMO体系进行了分类和评价。特别地，将光催化剂的各种改性策略归结为四个基本性能目标：可见光吸收、载流子分离、表面活性位点工程和污染物亲和力的提高。随后，我们批判性地讨论了外部因素（如水基质复杂性和操作参数）对光催化效率的影响。最后，通过系统分析污染物转化、催化剂稳定性和可回收性以及反应器设计，将讨论范围扩展到实际应用。

**参考文献**
基于Web of Science数据库的文献计量分析揭示了农业废水处理光催化研究兴趣的时间演变趋势，特别关注TMOs。如图1a和b所示，从2005年到2025年，光催化领域和农业废水研究方面的年度出版物数量持续增加，体现了其科学重要性的不断提高。值得注意的是，专门针对农业废水处理的TMO光催化机制研究也有所增加。

**TMO光催化机理**
光催化是一种利用光能驱动氧化还原反应的先进技术。其核心原理是基于半导体材料在光照下生成电子-空穴对，并参与界面反应。一般来说，反应机理可以分为几个关键步骤：光吸收、载流子生成与迁移以及表面反应。当入射光子能量等于或大于半导体的带隙时，...

**单金属TMOs**
单金属TMOs是一类最基本的光催化剂，为理解光催化过程中的结构-活性关系提供了明确的平台。尽管它们遵循共同的光催化原理，但不同的TMOs表现出不同的物理化学性质，包括带结构、载流子传输特性和氧化还原能力，这些性质决定了它们在农业废水处理中的性能。因此，有必要系统地...

**提高光催化性能的改性策略**
为了克服原始过渡金属氧化物的固有局限性，使其适用于复杂的农业废水处理任务，需要采用针对性的改性策略。这些策略旨在提高太阳能利用率、载流子动力学、表面反应活性以及污染物-催化剂相互作用。代表性研究包括针对不同催化剂体系、污染物类型和光照条件的各种改性策略，以增强TMO的光催化性能。

**实际农业废水系统中影响光催化效率的因素**
TMO光催化剂在实际应用中的性能受到除催化剂本身内在性质之外的多种因素的复杂影响。这些因素可以分为目标污染物的特性、废水基质的复杂性以及工艺的操作条件。

**从实验室研究到实际应用**
要弥合基于TMO的光催化技术的实验室研究与实际应用之间的差距，需要综合考虑超出催化剂本身内在特性的多种因素。在实际农业废水处理中，污染物转化途径、催化剂稳定性和可回收性以及反应器设计和工艺集成共同决定了该技术的可行性、安全性和可扩展性。因此，本节系统讨论了这些因素...

**结论**
本综述系统总结了TMO基光催化剂在农业废水处理方面的最新进展，阐明了光催化降解农药、抗生素和还原重金属离子的机理。TMOs被分类为单金属氧化物、多金属氧化物和异质结复合材料，并讨论了它们的结构特征和功能特点。提出了四种关键的改性策略，包括增强可见光吸收、促进...

**作者贡献声明**
杨世民：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据分析、概念化；
曾向荣：撰写——审稿与编辑、方法论、数据分析、概念化；
匡珍英：方法论、数据分析、概念化；
文阳平：验证、监督、资源协调、方法论、资金筹集、概念化；
霍贾蒂-纳贾法巴迪阿克巴尔：方法论、调查、概念化；
法特梅赫达瓦尔：...

**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**
本工作得到了江西省高层次和高技能人才培训项目以及江西省自然科学基金重点项目（2023ACB2013019）的支持。

杨世民是江西省农业大学应用化学专业的本科生，他的研究兴趣包括重金属污染土壤和水的修复以及农业环境修复的先进技术。他参与了改性生物炭的制备用于重金属吸附，以及基于过渡金属氧化物的材料在农业废水光催化处理中的应用研究。