纖維素基有機-無機納米光催化復(fù)合材料制備及其水處理應(yīng)用的研究進展

張婷婷， 許可欣， 金夢甜， 葛世潔， 高國洪， 蔡一嘯， 王華平

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 3. 東華大學(xué) 纖維材料改性國家重點實驗室， 上海 201620； 4. 江蘇國望高科纖維有限公司， 江蘇 蘇州 215226)

印染是紡織產(chǎn)業(yè)鏈的中間環(huán)節(jié)，銜接著上游的紡織纖維和下游的紡織品、服裝，行業(yè)規(guī)模日趨龐大，與此同時，染料廢水的排放成為水體污染源之一。印染廢水成分復(fù)雜，其中含有的發(fā)色基團和有機成分難以降解，隨著生物鏈進入生物體而嚴重影響人類健康?？梢姽夤獯呋夹g(shù)可利用來源豐富的太陽能將有機廢物和染料迅速降解為二氧化碳和其他無害物質(zhì)，具有無毒、節(jié)能、高效等顯著優(yōu)勢，已取得大量的研究成果。自1976年Carey等[1]發(fā)現(xiàn)光催化技術(shù)可降解水中的聯(lián)苯和氧化聯(lián)苯以來，目前主要的納米粉體光催化劑體系包括半導(dǎo)體金屬氧化物(TiO2、ZnO等)、金屬硫化物(CdS等)、鈣鈦礦型氧化物等,已被廣泛應(yīng)用于光催化環(huán)境治理領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)粉體納米光催化劑吸附性差，易團聚，造成催化活性降低；在水溶液中呈分散態(tài)懸浮體系，造成難以回收、引發(fā)二次污染等問題，限制了光催化的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

為改善粉體光催化劑易團聚、催化活性低及難以回收再利用等關(guān)鍵缺陷，研究人員通過物理濺射、化學(xué)沉積等方法使納米光催化劑固載于各種基底和載體材料上[2]，例如玻璃、聚合物(高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯胺(PANI)、聚砜(PSF)、聚醚砜樹脂(PES))等，用以提高納米顆粒的分散性以及再生性。但玻璃基底的有限靈活性及高分子聚合物的難降解性易造成二次污染大等缺點，都存在應(yīng)用局限性。纖維素作為綠色、可降解的天然有機高分子材料，具有柔性、高親水性、高比表面積、良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，使其成為石油化工產(chǎn)品的理想替代基質(zhì)[3]。更為重要的是，結(jié)構(gòu)層面上纖維素具有超細三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其成為支撐納米光催化劑的優(yōu)勢材料[4]，不僅能夠提供機械支撐，而且可使納米粒子在表面成核沉積，有助于無機納米顆粒的高效分散[5]，這種復(fù)合方法已逐漸被用于光催化領(lǐng)域。

為此，本文從纖維素的不同制備形態(tài)角度出發(fā)，綜述了纖維素在光催化材料制備與應(yīng)用領(lǐng)域的研究進展。從材料加工、成形角度主要闡述了納米纖維素、纖維素膜材料以及纖維素氣凝膠材料與納米光催化材料的設(shè)計合成及其在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用進展；概括了纖維素基光催化材料的發(fā)展前景以及存在的科學(xué)技術(shù)問題，以期為纖維素功能材料今后的規(guī)?；苽浜驮诃h(huán)境修復(fù)材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進程提供參考。

1 纖維素基納米光催化復(fù)合材料制備

1.1 納米纖維素基光催化復(fù)合材料

納米纖維素是由纖維素結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)通過氫鍵和范德華力連接形成的具有一維(直徑為1～100 nm)棒狀/纖維狀的納米尺寸纖維素材料[6]，可通過酸水解法、酶解法、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)催化氧化法等結(jié)合機械處理制備。納米纖維素不僅保留了天然纖維素的性質(zhì)，同時賦予納米粒子以高強度、高結(jié)晶性、高比表面積、高抗張強度等特性[7]，納米尺度上優(yōu)異的力學(xué)性能為制備性能優(yōu)異的纖維素宏觀材料奠定了基礎(chǔ)，進一步促進了纖維素材料在水處理領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。按照長徑比、聚合度以及形態(tài)差異分為纖維素納米纖維(CNF)、纖維素納米晶(CNC)以及細菌纖維素(BC)[8]，其分類及制備方法如表1所示。

表1 納米纖維素的分類與制備方法Tab.1 Classification of nanocellulose and preparation method

1.1.1 纖維素納米纖維

纖維素納米纖維(CNF)的制備過程一般先通過化學(xué)預(yù)處理從原料中提取纖維素，再利用高強機械外力(如高壓均質(zhì)、高剪切、微射流、研磨等)將高等植物的細胞壁破壞，使纖維素發(fā)生切斷和細纖維化作用[9]，分離出具有天然纖維素Ⅰ晶型結(jié)構(gòu)的基元原纖。這是一種基于新型生物基聚合物理想的一維納米材料，具有天然纖維素基元原纖的許多優(yōu)異性質(zhì)，如：極小的直徑、大的長徑比(長可達微米級)、高的結(jié)晶度等。值得一提的是，其優(yōu)異的力學(xué)性能、彈性模量和應(yīng)力與纖維素相比有指數(shù)級的增加。

經(jīng)TEMPO氧化的CNFs分子鏈上具有豐富的羧基和羥基，可作為活性位點有效地吸附金屬離子或有機染料，促進其與水分子的相互作用[10]。Tian等[11]利用TEMPO-CNFs分子鏈上的含氧官能團固定銀離子，制備了一種納米金屬銀摻雜的高效石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化劑。Ag+通過化學(xué)吸附作用固定在CNFs分子鏈上，另外三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過物理作用對Ag起到了進一步固定的作用，有效降低了Ag在熱解過程中的損失。

此外，CNFs通過提供摻雜碳源，可改善光吸收與電子遷移效率。Qiu等[12]用TEMPO氧化的CNFs合成了一種三維網(wǎng)狀ZnIn2S4。Zn2+首先與COO-通過離子鍵連接，之后In3+和S2-與Zn2+裝配，沿著CNFs分子鏈形成ZnIn2S4納米片，最后形成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的CNFs/ZnIn2S4復(fù)合材料。與CNFs和ZnIn2S4相比，其光催化性能顯著增強，在可見光照射下可有效還原Cr6+。這種特定三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高效光捕獲，暴露更加豐富的活性位點，減少電荷傳輸距離和增強材料親水性，有效提高了光催化活性。

1.1.2 纖維素納米晶

纖維素納米晶(CNC)可由強酸或纖維素酶解法去除纖維素的無定形區(qū)，保留規(guī)整的結(jié)晶區(qū)，具有很高的力學(xué)性能，其彈性模量約為150 GPa，抗拉伸強度約為10 GPa，CNC的長徑比較小，但結(jié)晶度很高(54%～80%)[13]，其分子鏈上除含有羥基外，還含有大量帶負電的磺酸基團，是良好的生物載體材料。

目前，如何協(xié)同調(diào)節(jié)TiO2(001)面有序生長和分層孔隙結(jié)構(gòu)仍然是個不小的挑戰(zhàn)?；谝陨想y點，Xue等[14]提出了一種限域合成策略，通過蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝制備CNC，其自組裝行為和約束空間取決于CNC的濃度，并以CNC作為軟模板制備分層孔隙結(jié)構(gòu)的銳鈦礦型TiO2納米催化劑。TiO2在層狀CNC模板的受限空間結(jié)構(gòu)中的晶體生長有利于其(001)高活性面的形成，而軟生物模板CNC的移除有助于形成分層介孔結(jié)構(gòu)。此外，通過調(diào)控CNC模板濃度可調(diào)節(jié)(001)活性面暴露的百分比、孔徑和孔隙率，可見光照射下能有效催化降解羅丹明B(RhB)。這一發(fā)現(xiàn)表明，這種基于CNC的軟生物模板法對于開發(fā)具有良好結(jié)構(gòu)和性能的新型環(huán)境催化劑具有重要的應(yīng)用價值。

1.1.3 細菌纖維素

細菌纖維素(BC)是一種由細菌(如醋桿、農(nóng)桿菌屬等)產(chǎn)生的特殊納米纖維素，在水介質(zhì)中可形成特定網(wǎng)狀納米超分子結(jié)構(gòu)，具有高純度、高聚合度(高達8 000)、高結(jié)晶度(70%～80%)、高含水量(約99%)和高力學(xué)穩(wěn)定性等顯著優(yōu)點。

Liu等[15]采用巰基-烯點擊反應(yīng)，將巰基功能化的銳鈦礦型TiO2納米顆粒組裝到乙烯基功能化的BC纖維骨架上，制備出結(jié)構(gòu)可控的BC/TiO2復(fù)合材料，通過尿素處理進一步實現(xiàn)N摻雜。與傳統(tǒng)原位水解法相比：一方面，光引發(fā)巰基-烯點擊反應(yīng)可精確控制不同粒徑TiO2納米顆粒在BC纖維表面的均勻分散性，有效阻止納米粒子的團聚；另一方面，該反應(yīng)還可加強TiO2與BC基底之間的化學(xué)鍵合，有效避免了使用過程中TiO2納米顆粒的浸出，從而提高重復(fù)利用率，避免二次污染。

1.2 纖維素膜/納米光催化復(fù)合材料

利用新型的纖維素非衍生化溶劑(如N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)溶液、NaOH/尿素水溶液、離子液體等)將纖維素溶解，再用流延法在玻璃板或模具(玻璃模具、聚四氟乙烯模具) 中鋪膜，浸泡在相應(yīng)的沉淀劑中再生，可得到透明、均勻、力學(xué)性能優(yōu)異的再生纖維素膜[16-17]。

將納米光催化劑負載于纖維素膜上形成大面積納米光催化復(fù)合膜，具有便攜可重復(fù)使用功能，纖維素膜不僅能提供機械支撐，而且有助于無機納米粒子的分散，在提高納米顆粒穩(wěn)定性的同時保留其特殊形貌；作為模板在表面進行核沉積來控制納米粒子的生長，可有效提高光催化效率。例如，Mohamad等[18]以廢舊報紙為纖維素源，在NaOH/尿素水溶液體系得到再生纖維素(RC)，采用相轉(zhuǎn)化法將N摻雜銳鈦礦/金紅石混合相TiO2納米棒摻入纖維素纖維中，制備得到新型聚合物-無機納米復(fù)合膜。RC表面的羥基與TiO2納米棒之間通過氫鍵形成強界面相互作用，促進結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究結(jié)果顯示，在紫外光與可見光照射下，所制備的復(fù)合膜對水溶液中的苯酚具有明顯的光催化降解性能(降解率達96.6%)。為研究堿改性前后復(fù)合納米纖維膜的光催化降解性能，錢怡帆等[19]利用靜電紡絲技術(shù)制備了聚丙烯腈/醋酸纖維素/二氧化鈦(PAN/CA/TiO2) 復(fù)合納米纖維膜，并用NaOH溶液對其進行處理，制得聚丙烯腈/再生纖維素/二氧化鈦(PAN/RC/TiO2)復(fù)合納米纖維膜。研究結(jié)果顯示，堿改性之后的纖維素膜對亞甲基藍(MB)溶液的降解率達到91.2%。

纖維素膜本身是一種性能優(yōu)良、實驗室常見的生物質(zhì)過濾膜，但在過濾過程中污染物積聚易引起膜污染，導(dǎo)致纖維素過濾膜具有較高的水通量損失和高能耗，限制了其工業(yè)應(yīng)用。利用光催化納米材料對膜進行功能化修飾改性，實現(xiàn)光催化技術(shù)與膜過濾有機整合，可克服上述缺陷。在功能集成過程中，光催化降解技術(shù)防止了污染物在未經(jīng)處理的情況下通過膜滲透，減輕膜污染。Zhao等[23]將g-C3N4納米片與還原氧化石墨烯(rGO)的異質(zhì)結(jié)光催化劑組裝在醋酸纖維素(CA)膜表面，形成了g-C3N4/rGO/CA復(fù)合光催化膜。該膜在可見光下表現(xiàn)出優(yōu)越的水凈化性能，工藝整合后的滲透通量是單一過濾膜的3.7倍，在可見光下具有良好的抗污染性能。采用該集成系統(tǒng)對地表水進行處理，并對其實際水處理效果進行評價,與單一膜過濾法相比，組合工藝對地表水中的化學(xué)需氧量(COD)、總有機碳(TOC)、大分子有機物和細菌的去除效果更好，為太陽能在水處理膜分離中的有效應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

另外，半導(dǎo)體膜的構(gòu)建可為太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)過程中的光熱轉(zhuǎn)化和污染物的原位分解提供新途徑。Gao等[24]通過高壓真空泵抽濾，將MoO3-x、BiOCl和碳納米管均勻分散在CA膜表面，制備了一種新型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光催化劑膜材料，實現(xiàn)了水蒸發(fā)污染物降解的雙重功能。由于CA膜的親水性，使得水溶液在其直徑為0.45 μm的窄通道中易形成凹液面，負壓可達-600 kPa，毛細高度達61.2 m左右，其高度足以將水溶液通過膜泵傳輸至CA膜的上表面，通過MoO3-x-BiOCl-CNTs異質(zhì)結(jié)實現(xiàn)對光的收集和電荷離域，從而實現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換。在模擬太陽光照射下，該薄膜達到了7.75 kg/(m2·h)的蒸汽生成率，并幾乎可完全降解RhB和甲苯。

1.3 纖維素氣凝膠/納米光催化復(fù)合材料

纖維素氣凝膠是繼無機氣凝膠和有機高分子氣凝膠之后的第3代氣凝膠，不僅保留了傳統(tǒng)無機氣凝膠的優(yōu)點，還彌補了無機氣凝膠的低柔韌性、低力學(xué)強度等缺點，具有優(yōu)異的生物性優(yōu)勢和良好的力學(xué)強度[25]。纖維素氣凝膠具有三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率高于95%，比表面積高達200～500 m2/g，密度低于0.3 g/cm3，將納米光催化材料負載在纖維素氣凝膠表面：一方面，纖維素氣凝膠的微孔或納米孔結(jié)構(gòu)可為光催化反應(yīng)提供更多的活性位點；另一方面，氣凝膠的開孔結(jié)構(gòu)、高孔隙率和高比表面積使其具備很強的吸附性能，從而達到吸附與光催化的協(xié)同作用，提升污染物去除效率。Shi等[26]以BC為模板，采用溶劑熱輔助結(jié)晶工藝、常壓干燥法制備得到高比表面積和高孔容的SiO2-(WO3)x/TiO2復(fù)合氣凝膠。BC模板和溶劑熱輔助結(jié)晶同時提高了復(fù)合氣凝膠的孔隙率和結(jié)晶度，其中BC不僅作為模板誘導(dǎo)(WO3)x/TiO2納米粒子的沉積，而且作為造孔劑和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，構(gòu)建氣凝膠多孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，所制備的復(fù)合氣凝膠比表面積達294～512 m2/g，孔容為0.78～2.06 cm3/g，由于吸附與光催化的協(xié)同作用，復(fù)合氣凝膠在可見光下對RhB的去除率達92.87%，遠高于商業(yè)化二氧化鈦P25。

單一纖維素氣凝膠的力學(xué)穩(wěn)定性差[27]，在水中易吸水坍塌或被水沖擊坍塌，這是由于水分子可以和纖維素分子鏈上的羥基形成氫鍵，在水環(huán)境中破壞氣凝膠的基本結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致氣凝膠在水中具有分解的趨勢。為增強纖維素氣凝膠的力學(xué)性能，通過交聯(lián)反應(yīng)引入高分子聚合物是一種處理方法。例如，靜電紡聚合物納米纖維具有熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)良的優(yōu)勢，在纖維素納米纖維中加入靜電紡納米纖維，能夠顯著提高CNF氣凝膠的穩(wěn)定性和力學(xué)強度[28]?；诖耍琎iu等[29]利用氨基功能化的靜電紡聚丙烯腈(PAN)納米纖維和CNFs制備了雙組分復(fù)合氣凝膠(BMFA)，并在其表面原位生長由氨基修飾的鐵基金屬有機框架材料(NH2-MIL-88B，簡稱NM88)與g-C3N4自組裝作用形成的異質(zhì)結(jié)光催化劑，制備出穩(wěn)定性好且可回收的g-C3N4/NM88/BMFA復(fù)合氣凝膠?？梢姽庹障?，該復(fù)合氣凝膠在20 min內(nèi)對Cr6+的還原率達99%，此外還具有氧化磺胺甲惡唑、制氫以及抗菌等優(yōu)良性能。

2 纖維素基光催化復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 紡織印染廢水凈化

近年來，不同類型的半導(dǎo)體/纖維素復(fù)合材料已被廣泛用于印染廢水中有機染料分子的降解，例如金屬氧化物(TiO2、ZnO、WO3)、金屬硫化物(CdS、ZnS)、鉍基半導(dǎo)體(BiOCl、BiOBr、BiOI、Bi4O5Br2)、銀基半導(dǎo)體(AgBr、AgI、Ag3PO4、AgVO4和AgCrO4)以及非金屬半導(dǎo)體(石墨、氮化碳)等。表2總結(jié)了近幾年(2017—2020年)纖維素基光催化材料在染料廢水凈化領(lǐng)域的應(yīng)用進展。

為進一步增強染料的處理效果，一些研究將光催化與其他氧化手段結(jié)合，如Rajagopal等[30]制備了微纖維素(MC)和TiO2復(fù)合材料，采用過氧化氫聯(lián)合光催化降解(TiO2+ MC + H2O2)，并將其應(yīng)用于間歇反應(yīng)器，用于太陽光下對含多種染料的廢水進行脫色處理。研究結(jié)果顯示，150 min內(nèi)可降解99%的高濃度亞甲基藍染料廢水(200 mg/L)，COD的去除率也可達72%，而完全降解酸性紫羅蘭色和甲基紫羅蘭色染料則需要6、7 h。值得一提的是，結(jié)合H2O2輔助光催化降解的協(xié)同指數(shù)為3.54，充分表明了以上過程耦合具有正協(xié)同作用。

2.2 重金屬離子去除

水體中重金屬離子大都采用吸附法去除，但單一物理吸附作用只能富集與轉(zhuǎn)移重金屬，并不能徹底去除。半導(dǎo)體光催化劑具有氧化還原能力，可改變重金屬離子的化學(xué)性質(zhì)，達到降低重金屬毒性的目的。表3總結(jié)了半導(dǎo)體/纖維素復(fù)合材料在重金屬離子去除中的應(yīng)用研究進展。以TiO2為例，光催化法去除重金屬離子的機制大致如下：1)納米TiO2將重金屬離子吸附在其表面；2)紫外燈激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴對，電子躍遷到導(dǎo)帶并向TiO2表面轉(zhuǎn)移；3)光生電子將吸附態(tài)的重金屬離子還原成低價態(tài)(如鉻、汞、鉛)或單質(zhì)形態(tài)(如銀)，處于較低價態(tài)的金屬離子進一步生成化合物沉淀下來(如鉻)或者進一步得到電子成為單質(zhì)(如鉛、汞)沉積在 TiO2顆粒表面。將TiO2(或其他半導(dǎo)體光催化劑)負載在纖維素表面可提升重金屬離子的去除效率，這是由于纖維素分子鏈中含有豐富的羥基，對重金屬離子具有一定的吸附作用，但其吸附量較低，通常采用化學(xué)改性或接枝共聚改性等方法在纖維素表面引入有效的吸附活性位點[47]，如羧基、氨基、磺酸基等，這些基團可通過靜電吸引或絡(luò)合、螯合類配位作用選擇性地識別和捕獲各種重金屬離子[48]，從而提高光催化去除效率。

表3 半導(dǎo)體/纖維素復(fù)合材料用于重金屬離子的去除Tab.3 Semiconductor/cellulose composites for removal of heavy metal ions

2.3 含油廢水凈化

含油廢水是指含有脂類物質(zhì)和各種油類廢水的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)的油水分離方法只能分離游離油與分散油，而且處理效率低,設(shè)備難以清洗。近年來已發(fā)展了一些新材料、新方法可用于高效處理含油廢水，尤其是對乳化油或溶解油有很好的去除效果。纖維素材料具有的高親水性能、易修飾改性、生物可降解性、無污染等優(yōu)勢，使其在油水分離領(lǐng)域被廣泛研究。根據(jù)潤濕性差異，油水分離材料可分為以下3種：超親水/超疏油型分離材料、超疏水/超親油型分離材料和潤濕性能可轉(zhuǎn)換的智能響應(yīng)型分離材料[54]。

超親水/超疏油型材料也被稱為除水型材料，可用來分離水包油乳液(O/W)，如Naseem等[55]利用靜電紡絲法將廢棄的工業(yè)纖維素三醋酸酐(TAC)制備成納米纖維狀薄膜(rTAC)，并利用電泳沉積法將氧化石墨烯(GO)與TiO2涂覆在rTAC表面，制備得到TiO2/GO/rTAC超親水性復(fù)合纖維膜。GO與TiO2有效提升了rTAC的親水性，在紫外光照下，復(fù)合膜的水接觸角低至5°，體現(xiàn)出超親水性。對無表面活性劑與有表面活性劑穩(wěn)定的油水乳液的油水分離效率分別達98.9%和88.2%，此外光催化涂層能有效地驅(qū)油，在循環(huán)實驗中表現(xiàn)出良好的自清潔性能。由于除水型油/水分離材料僅允許水的流通，避免了油對材料的污染，且材料的親水性越強，其表面的水合層就越致密，對油的阻隔效果越好，抗污染效果就越好。

對于油包水乳液(W/O)，大都采用超疏水/超親油型分離材料，也稱除油型材料。但目前大部分超親油材料存在的共有弊端是其孔道易被油污染導(dǎo)致循環(huán)利用性差，對黏度大的原油等吸附回收性差。通過與光催化降解技術(shù)結(jié)合可有效防止材料污染，提高循環(huán)使用性能。Yang等[56]利用3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)對纖維素進行硅烷化疏水改性，利用水解/縮合制備了醋酸纖維素/SiO2-TiO2雜化微球復(fù)合氣凝膠薄膜。由于膜的微納米層次結(jié)構(gòu)，使其能夠有效分離出納米級且表面活性劑穩(wěn)定的油包水乳狀液，僅依靠重力作用即可達到667 L/(m2·h)的膜通量，分離效率達99.99%，紫外燈下可有效降解有機污染物，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性。同樣，Zhao等[57]也采用硅烷化改性法在纖維素表面引入—OSi—CH3基團，賦予纖維素超疏水性能，并將La-N共摻雜的納米TiO2光催化劑負載在纖維素/SiO2復(fù)合氣凝膠上，得到新型自漂浮La-N-TiO2-CSA復(fù)合材料。在真實太陽光下具有吸附和降解含油廢水的功能，在超疏水表面附近，靜態(tài)水接觸角可達148°，油的表觀分解率為92%，遠高于純TiO2的26%，是一種性能優(yōu)良的浮油廢水凈化材料。

3 結(jié)束語

作為自然界分布最廣、儲量最大的天然高分子，纖維素被認為是未來世界能源、化工的主要原料，基于纖維素的功能材料的開發(fā)對于發(fā)展綠色化學(xué)、促進可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于纖維素表面豐富的活性官能團、良好的生物相容性，被認為是負載納米光催化劑的潛在材料，以期解決單一納米粒子易團聚、難回收、不易再生等缺陷，進一步促進光催化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為此，本文綜述了國內(nèi)外纖維素基有機-無機納米復(fù)合光催化材料的研究進展，并詳細闡述了這一類材料的制備方法、合成思路和反應(yīng)機制，總結(jié)了其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用進展?？偨Y(jié)來說，纖維素基光催化材料有以下優(yōu)勢：第一，纖維素的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠增大納米光催化劑的比表面積，提高其吸附性能，并能有效控制納米晶粒的形貌和尺寸；第二，纖維素表面的羥基基團活性位點可使光催化劑固定在纖維素的各個反應(yīng)位點上，避免納米顆粒相互之間的碰撞和團聚，提高其分散性和穩(wěn)定性；第三，纖維素的引入能夠提高半導(dǎo)體化合物光生電子空穴對的分離效率，增強光催化活性；第四，通過纖維素和半導(dǎo)體光催化劑之間的物理或化學(xué)作用可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，提高光催化性能。

雖然纖維素基光催化材料近年來得到了廣泛研究，但要實現(xiàn)實際水處理應(yīng)用與可持續(xù)能源制備，還需進一步深層探討。

1) 由于半導(dǎo)體/纖維素復(fù)合材料穩(wěn)定性的主要機制已被確定為纖維素與半導(dǎo)體之間的化學(xué)鍵或靜電力，因此，大多數(shù)研究都是利用靜電力將半導(dǎo)體固定在纖維素基體上，只有少部分研究報道是通過化學(xué)結(jié)合的方式將半導(dǎo)體固定在纖維素基體上。半導(dǎo)體與纖維素之間的結(jié)合能不同，會使復(fù)合材料具有不同的性能，因此，有必要結(jié)合密度泛函理論(DFT)與實驗結(jié)果進一步探討纖維素與半導(dǎo)體結(jié)合的深層機制。

2) 一些研究者認為半導(dǎo)體材料在紫外光下可能會降解纖維素；但只有少數(shù)報道提到半導(dǎo)體/纖維素復(fù)合體在紫外光下可以降解纖維素，而沒有深入研究，因此，半導(dǎo)體是否對纖維素基底有一定的破壞作用，需要對纖維素的光穩(wěn)定性進行深入研究。

3) 大多數(shù)關(guān)于半導(dǎo)體/纖維素復(fù)合材料的研究主要集中在污水的光催化降解方面，只有少數(shù)研究集中在抗菌功效的自清潔材料上，因此，今后的研究可集中在這一領(lǐng)域，從而促進智能、可持續(xù)和物理化學(xué)性能穩(wěn)定的復(fù)合材料開發(fā)。