纳米限域催化是应对全球水资源污染的重要技术。该技术通过纳米结构内部的催化控制,提高了环境污染物的降解效率。
本文总结了纳米限域在热、光、电和膜强化催化中降解环境污染物的研究进展,包括催化原理、效率和影响因素。还讨论了未来研究方向和挑战。
从催化类型分析,纳米限域催化可分为以下几个部分:①限域热催化:这部分介绍了不同研究团队采用不同的热催化材料和结构提高有机污染物降解效率。其中,潘丙才教授团队使用FeO修饰的碳纳米管形成限域效应,提高了催化效率。盛国平教授团队提出了光热纳米限域反应器,通过空心碳纳米球,提高了光照条件下的污染物降解速度。蔡亚岐教授团队将CoO封装在MOFs中,改善了催化剂的稳定性和氧化降解效率。赖波教授团队设计的空心蛋壳纳米反应器具有出色的催化效率和可回收性。李健生教授团队构建的核-壳结构的纳米反应器用于复合污染物筛分降解,提高了选择性去除效率。该研究团队还使用聚多巴胺(PDA)包覆制备核-壳结构的FeCo@NC纳米反应器,具有高表面积、大孔隙率和高稳定性,通过压缩应变增强催化性能。刘湘教授团队合成了高效的CoO/CNT催化剂,通过构建CoO核/CNT壳结构,利用其高比表面积,提高PMS活化、扩散和稳定性。②限域光强化催化:该部分描述了不同光催化材料和结构的研究。许晖教授团队设计的SiO-FeO@TiO光催化剂通过限域效应,增强了四环素和恩诺沙星的降解能力。王磊教授团队的La/Co@TiO纳米球充分利用氧空位,提高光生电子-空穴对的分离和四环素的降解效率。董颖博教授团队构建的HNTs@MoS/Fe复合材料通过协同效应和限域效应提高了光芬顿催化剂的稳定性和效能。陆光华教授的Bi@MIL-125复合材料引入介孔结构和限域空腔,增强了污染物吸附和光催化性能。路建美教授的CDP@AgPO@NC催化剂通过内置电场和β-环糊精分离,提高了苯酚的降解效率。③限域电强化催化:该部分介绍了不同研究团队在限域电催化方面的工作。周明华教授团队设计的Fe@BN-C阴极实现了高效生成HO和O,用于污水处理,具有高效降解能力。刘艳彪教授团队研究了CNT和FeO的组合,提高了电-Fenton系统的降解效率,特别是对于微污染物。李伟教授团队的CuPd合金纳米颗粒被限域在CNT@介孔碳中,实现高效NO还原。④限域膜强化催化:该部分讲述了研究团队在催化膜中应用纳米限域技术,通过控制孔径和分布,实现了环境污染物的高效降解。张正华教授研究团队基于纳米限域技术成功制备了包括钴掺杂氧化钛和六方氮化硼纳米片等纳米膜,通过精确控制纳米结构,增强了高级氧化反应,显著提高了污染物的降解效率。曲久辉教授团队设计了具有高活性点暴露、非线性传输特性的MoS膜,提高了芬顿反应效率,有效降解BPA。张硕教授团队成功制备了FeOCl-ZrO/TiO陶瓷膜催化剂,膜内部异质芬顿反应产生的羟基自由基高效降解水中有机污染物。杨娜教授团队通过限域PVDF/Co@N-C膜材料活化PMS,用于在高渗透通量下提高四环去除效率。Jae-Hong Kim教授团队通过限域技术,精确调控FeO功能化纳米反应器的孔尺寸的以提高OH暴露水平。
纳米限域催化在水处理中提高了催化效率,但仍需解决催化机理、表征、制备成本、稳定性等挑战。未来研究将关注新材料设计、反应机理、可持续性,扩大应用领域如电催化和生物介质。多领域合作和安全性研究将推动其发展,为科学挑战提供新解决方案。
环境水污染对人类健康和生态环境构成了潜在的威胁,水资源的保护和污染治理是当前全球面临的重要环境问题。然而,传统水处理技术在处理水体中有机污染物时存在一定的限制,如去除机制、去除效率、选择性和稳定性等。近年来,纳米限域催化作为一种新兴技术在水处理领域引起了广泛关注。该技术通过纳米限域介导的强化催化,能够实现纳米材料内部的催化调控,在降解环境污染物方面展现了独特的优势。本文综述了纳米限域在热强化催化、光强化催化、电强化催化和膜强化催化降解典型环境污染物方面的研究进展。其中,对催化原理、催化效率及影响因素等进行总结,并展望了限域催化未的来研究方向和挑战。