利用半导体介导的光催化好氧降解技术处理有机废水已经得到了广泛的研究，这种技术可以产生活性氧物种，实现各种有机污染物的矿化。然而，在传统的好氧光催化降解过程中，未经处理的CO2排放对环境具有潜在的危害。将CO2光催化转化为增值太阳能燃料(例如合成气)，是实现能源供应和碳中和的可行方法。传统的有机污染物单一降解过程可以发展成一种将有机废水处理与CO2资源化相结合的耦合技术。
在光降解过程中，有机化合物可以捕获光生空穴，在缺氧条件下产生CO2和H2O，同时将CO2+H2O转化为合成气(CO+H2)。有机污染物可作为电子给体替代水氧化半反应，从而克服了CO2还原半反应中的动力学缓慢的析氧反应，促进了电子的利用。然而，由于反应步骤复杂、反应中间体不明确，以及光催化氧化还原反应不匹配，这些耦合体系往往表现出较差的效率。因此，必须阐明整个偶联反应的协同光催化本质和主要中间产物的光催化促进机制，以建立一个有效的串联人工碳循环系统。近日，中国科学院大连化物所章福祥、中国科学院深圳先进技术研究院王鑫、深圳大学第一附属医院张斌和中山大学刘升卫等制备出三维有序Ti3C2Tx/TiO2纳米花光催化剂，实现了同时高效有机废水处理和CO2资源化。实验结果表明，采用最佳Ti3C2Tx/TiO2光催化剂处理含罗丹明B(RhB)的模拟废水，在缺氧环境中光照1小时，CO产率高达10.02 μmol g-1 h-1，RhB降解率为77.6%。此外，通过调节复合样品中Ti3C2Tx的含量，合成气的CO/H2比可以很容易地从0.95调节到1.86。基于光谱表征和理论计算，三维花状Ti3C2Tx/TiO2双功能光催化剂上结合有机废水处理和CO2资源的机制可能为：首先，高导电性的Ti3C2Tx MXene作为电子受体，在光诱导作用下有效地促进电子从TiO2到Ti3C2Tx的转移，从而增强光生电子-空穴对的空间分离和利用。接下来，TiO2价带上的光生空穴激活H2O分子，产生羟基自由基(•OH)；同时，光生电子与空穴驱动H2O氧化产生的O2反应产生超氧自由基(•O2−)，有利于缺氧条件下的RhB矿化。然后RhB被空穴、•OH和•O2−降解，并完全矿化成CO2。此外，矿化的CO2分子和*HCOO中间体可以在催化剂表面富集，随后与光生电子反应生成能合成气，实现人工碳循环。Achieving overall carbon utilization from organic wastewater to recover solar syngas via an artificial carbon cycling system. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202405868
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