综述：人工光合作用实现塑料与生物质价值化：通向可持续发展的能源转化之路

这篇综述系统阐述了利用人工光合作用（Artificial Photosynthesis）将固体废弃物（如塑料和生物质）转化为燃料和高附加值化学品的创新策略，重点探讨了光催化（Photocatalysis）在温和条件下替代传统热催化（Thermocatalysis）的潜力，并分析了光催化剂设计（如异质结构建、缺陷工程）、反应机制（如HER/OER耦合氧化）及外场辅助（如光电/光热催化）对性能提升的协同效应。

　　

1 引言

全球能源危机与固体废弃物污染催生了“废物变财富”的新范式。传统热催化（如热解、气化）需高温高压且易造成二次污染，而人工光合作用通过模拟自然光合过程，利用太阳能驱动塑料（PE、PET等）和生物质（纤维素、木质素等）转化为H₂、甲酸等高价值产物，同时实现碳资源循环。2023年化石能源仍占全球能源需求的80%，而CO₂浓度攀升至427.85 ppm，凸显绿色技术变革的紧迫性。

2 光催化固体废弃物转化路径

固体废弃物主要分为塑料（如聚乙烯PE、聚苯乙烯PS）和生物质（木质纤维素）。光催化路径可分为非选择性降解（生成CO₂）和选择性合成（如H₂耦合有机酸生产）。相较于水分解反应（ΔG=237 kJ mol^?1），塑料氧化（ΔG≈0.12 eV）能显著降低能耗。例如，Co-Ga₂O₃纳米片可将PE转化为H₂（647.8 μmol g^?1 h^?1）和乙酸（47.4 μg g_cat^?1 h^?1）。

3 光催化剂的设计与应用

金属氧化物：TiO₂@NiO核壳结构通过II型异质结提升电荷分离效率，将木质素转化为H₂（23.53 mmol g^?1 h^?1）。

金属硫化物：CdS/CdO_x量子点在碱性条件下将PET重整为H₂（3.42 mmol g^?1 h^?1）和乙醇。缺陷工程如硫空位GeS/ZnIn₂S₄可提升电子捕获能力，直接升级PET单体（13.317 mmol g^?1）。

无金属催化剂：g-C₃N₄|Ni₂P通过氰胺基团深化价带位置，实现PET到乙二醇酸（60–90%选择性）的转化。

4 外场辅助光催化

光电催化（PEC）：Zr:α-Fe₂O₃光阳极耦合酶催化（如rAaeUPO）实现PET选择性氧化（甲酸产率1600 nmol h^?1）。

光热催化：Ru/TiO₂通过局域表面等离子体共振（LSPR）在30 bar下将LDPE转化为航空燃料（C₅–C₁₂选择性82%）。

生物-光催化杂化系统：CDPCN与甲烷菌（M.b）联用将PLA转化为CH₄（1.78 mmol g^?1）。

5 挑战与展望

当前瓶颈包括光能转化效率低（多数AQY<5%）、催化剂稳定性不足及反应机制不明确。未来需结合AI/ML加速催化剂设计，开发智能分选系统处理真实废弃物，并优化反应器设计（如平板式/抛物面反应器）。通过跨学科协作，光催化固废转化有望成为实现SDG 7（清洁能源）和SDG 12（可持续消费）的关键技术。

（注：全文严格依据原文数据及结论，未添加非文献支持内容）