随着世界工业化进程的加快，工业“三废”（废水，废气、废渣）被大量排入环境，给自然生态系统造成了严重的危害。特别是排入环境中的难降解有机污染物，它们通常具有环境蓄积性，难生物降解，在生态系统中会通过食物链蓄积，从而对生态系统内的生物乃至人类的生存和健康造成严峻的危害。

目前应用较为广泛的处理工艺包括物理化学处理工艺以及生物处理工艺。物理化学法通常通过吸附、离子交换、絮凝等方式，将环境介质中的有机污染物转移到所用的载体中，能够较为迅速、高效的转移污染物，但存在着吸附剂吸附容量有限，容易产生二次污染，以及面临着污染物需二次处理等问题。生物法通常利用植物、功能性微生物自身的代谢作用来处理有机污染物，对其进行代谢降解，其成本低廉，适合大规模推广，但也面临着效率低且部分微生物所需生长环境条件严苛的缺点。高级氧化技术则是利用环境体系在光照、超声、高温、高压以及外加电压等条件下产生的活性自由基来氧化有机污染物，具有反应效率高，无选择性以及易于操作管理等优点，因此备受研究者的关注。

基于半导体的光催化高级氧化技术，是利用半导体在体系中产生的电子空穴对，及其产生的系列活性自由基来处理有机污染物。光催化氧化技术具有能耗低、氧化能力强、无二次污染以及反应条件温和等优点。

图1 半导体材料光催化产生自由基示意图

光催化高级氧化过程中，空穴h⁺具有氧化性，能够高效的促使体系中的有机污染物迅速降解矿化，电子e^–具有还原性，在无氧环境下可以还原水产生氢气，也可以发挥还原重金属的作用。但在光催化反应过程中，载流子极其容易发生复合，电子与空穴发生淬灭作用，使得其利用效率较低。这一现象，也极大的限制了光催化高级氧化技术处理有机污染物的效率。

光电催化技术的问世，极大的提高了光催化体系中载流子复合率高的问题。在光电催化体系中，阳极电极多为半导体材料，其在光照下可以产生电子空穴对，在外加偏压的作用下，光生电子可以迅速的由阳极转移到阴极，空穴在阳极处发挥氧化作用，使电子转移至阴极可以起到产氢及还原重金属的功能^{[1, 2]}。如果能有效设计两电极材料，电子能够自发由阳极转移至阴极，则可以构建出光催化燃料电池体系^[3]，即不提供外部偏压，但具有产能发电潜力的体系。

图2 光电催化高级氧化技术原理示意图

在光电催化高级氧化体系中，阳极电极的选择至关重要，设计具有可见光响应，且载流子分离率高的半导体材料能够提高体系氧化/还原效率。阴极的材料除了常见的铂片以及碳棒外，还可以将半导体材料引入阴极，形成双光电极光电催化体系，此时体系效率能够得到进一步优化。此外，反应器的设计、体系中传质效果、氧含量、pH以及电解质均会对体系的反应效率产生影响。

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知识点：光电催化高级氧化技术的原理及其特点