催化反應技術在濱海電廠的CO2資源化利用和海洋防污領域的應用

劉安倉，陳川，陳建忠，陳裕忠，朱晨亮，江永，魯福身，王雙喜，鐘子宜，宋一兵

（1 華能（廣東）能源開發有限公司，廣東 廣州 510627；2 汕頭大學化學系，廣東 汕頭 515063；3 廣東以色列理工學院，廣東 汕頭 515063）

我國沿海地區分布著眾多的大型火電廠，由于采用超超臨界機組，先進的脫硫、脫硝工藝以及碳捕獲和存儲（CCS）技術，使得大氣污染物（SO2、PM2.5）排放濃度在一定程度上得到有效的控制[1]。然而，火電行業作為溫室性氣體CO2的主要排放源，2019年二氧化碳排放量約為43.28億噸，占全國碳排放總量的40%以上[2]；目前較成熟的CCS 技術只是對CO2進行捕獲和存儲，未能從根本上實現CO2減排的目標。為了滿足生產的需求，火電廠每年要花費巨資購買額外的碳排放指標（購買費用為77.18 元/噸），經濟壓力巨大。另外，濱海電廠大都使用海水直流冷卻技術，不可避免地遭受海洋生物污損危害，不僅會影響冷卻設施的正常使用，加劇結構腐蝕和破壞，甚至引發嚴重的安全問題[3]。因此，CO2減排和海洋生物污損防治是濱海火電廠亟待解決的兩大難題。

在燃煤火電廠原有的基礎上，增加碳捕集與處理技術，將其改造成低碳屬性的碳捕集電廠（carbon capture power plant,CCPP），能夠有效緩解化石燃料利用與碳減排之間的矛盾，是目前多數火電廠為減少碳排放量采取的重要舉措。近年來，隨著材料制備科學及新能源催化反應技術的發展，研究者們開發出了眾多可用于CO2吸附與分離的功能性材料，并通過催化反應將捕獲的CO2轉化為高價值的化合物或燃料，既能減少CO2的排放，又能實現碳資源化的循環利用[4-5]。同時，催化反應技術也已被應用于污染防治[6]、污水處理[7]及細菌滅活[8]等，并正在延伸至海洋生物污損防治領域[9]。基于濱海火電企業的生產實況和技術需求，本文介紹了近年來有關金屬有機框架（MOF）材料結構改性和功能化修飾以提高CO2選擇性吸附性能等方面的最新研究成果，系統地總結了熱催化、光/電催化反應技術在CO2資源化利用和海洋生物污損防治領域的應用，并從環保和實用化的角度對濱海電廠在CO2減排和生物污損防治技術方面的發展趨勢進行了展望。

1 二氧化碳捕集與催化轉化

二氧化碳捕集與利用技術（carbon dioxide capture and utilization,CCU）是用吸附材料捕獲和富集CO2，進而通過催化反應將CO2轉化為高價值的化合物或燃料。由于該技術能夠從根本上解決碳排放的問題，因此備受研究者的青睞，已成為材料與化工領域的研究熱點[10-11]。高性能的CO2吸附材料和催化劑的設計與開發是CCU 技術的關鍵核心，也是科研工作者面臨的重大挑戰。

1.1 CO2吸附捕集

CO2是一種非極性的酸性氣體，動力學直徑為0.33nm，低溫高壓下易液化或固化。基于CO2的物理、化學性質，開發的捕集方法與分離技術有吸附、吸收以及膜分離等。工業上一般是依據煙道氣的組成特點選取合適的富集與分離技術[1]。液胺吸收法是煤電企業普遍采用的CO2捕集方法，盡管技術成熟、處理量大，但也存在能耗高、易揮發、難再生及易腐蝕設備等問題。相較于液胺吸附法，固相吸附在能效方面表現出明顯的優勢，這是由于固體的比熱容較低、再生容易等，可以大大降低CO2捕獲和分離所需的能耗[12-13]。迄今，研究者們開發出了多種類型的固態材料，用于煙氣中CO2吸附捕集。根據吸附工藝條件，可分為高溫吸附材料（如水滑石類化合物[14]、堿金屬類化合物[15]和陶瓷材料[16]）、低溫高壓吸附材料（沸石分子篩[17]、多孔碳材料[18]、多孔聚合物[19]和金屬有機框架化合物[20]）以及低溫常壓吸附材料（如固態胺[21]、聚離子液體[22]等）。在上述幾類固態材料中，MOFs是一種網絡結構的晶態多孔材料，具有高孔隙率、良好的穩定性及再生能量低等優勢，被認為是最具潛力的CO2吸附捕集材料。大量的研究結果表明，具有開放的金屬位點和特定的拓撲結構的MOFs材料往往表現出優異的CO2吸附和選擇性能。Lin等[23]采用微波輻射法將Pd 滲入{[Ce(BTC)(H2O)]·DMF}n材料中，制備了Pd/Ce-MOF 復合材料；在273K 條件下，該材料對CO2吸收量可達3.5mmol/g。Qazvini等[24]設計了一種性質穩定、價格低廉且可回收利用的MUF-16材料（圖1，1?=0.1nm），并對其CO2的選擇吸附性能進行了深入研究。密度泛函（DFT）計算及表征實驗結果顯示，MUF-16材料的孔道結構在尺寸和靜電勢上能與CO2匹配與互補，從而使該材料在二氧化碳與烴類的混合氣氛中表現出優異的CO2選擇吸附能力。

圖1 MUF-16 材料的合成與結構[24]

為了進一步提高MOFs 材料對CO2的吸附量和選擇性能，研究人員采用胺基功能化方法對MOFs材料進行修飾，也取得了明顯的效果。Lin 等[25]選用MIL-101(Cr)和聚乙烯亞胺（PEI）為原始材料，通過簡單的浸漬法制備了系列PEI 功能化的MOFs吸附劑。對比實驗結果顯示，純PEI的比表面積相較于MIL-101(Cr)減少了約80%，但在同等條件下對CO2的吸附能力則有了顯著的提高，并將其歸因于胺基基團引入MOFs 會產生更多的Lewis 堿性位點，從而顯著增強了CO2的吸附能力。他們進一步研究了PEI-MIL-101-100 材料在低壓下對煙氣中CO2吸附情況，證實該材料具有優異的CO2吸附選擇性能。其他研究者分別使用五乙烯六胺、乙二胺及氨基等有機配體分子對MOFs材料進行功能化修飾 后， 也 得 到 了 類 似 的 結 論[26-27]。 另 外，Demessence 等[28]選用乙二胺對H3[(Cu4Cl)3(BTTri)8]裸露的二價銅功能化修飾，將CO2的吸附量從1.27mmol/g 提高到3.24mmol/g （0.01MPa、298K），而且表現出較好的CO2/N2選擇吸附性。Khan等[29]用2-氨基對苯二甲酸制備了功能化的MOF（Cu-ABDCMOF）吸附劑，低溫下Cu-ABDCMOF 的CO2吸附量為5.85mmol/g，而同等實驗條件下，未改性的Cu-BDCMOF的CO2吸附量僅有1.15mmol/g。

上述研究表明，盡管MOFs材料比表面積因有機配體的引入而減少，但其與CO2分子的親和力會顯著增強，從而大大提高CO2的選擇性和吸附能力。這主要歸因于：①與MOFs中芳香環上的胺基共價接枝相比較，苯環的吸電子性可以降低氨基的堿性，將烷基胺引入MOFs 中會產生更多的Lewis堿性位點，從而顯著增強低壓下CO2的吸附能力；②CO2在MOFs 芳香族氨基上的吸附熱通常在20～45kJ/mol范圍內，對應于物理吸附，烷基胺能夠與CO2發生化學反應形成氨基酸。

然而，煙道氣成分復雜，水蒸氣及競爭吸附性氣體的存在會對MOF 的穩定性和選擇吸附能力產生嚴重影響。另外，吸附機理是吸附特性的內在控制因子，也是設計和構建高性能吸附劑的理論依據，但目前有關CO2固體吸附劑的吸附機理仍然存在爭議。因此，探究CO2吸附機理，針對常規的MOFs 固有缺陷，從功能性配體的設計與金屬中心的選擇出發，開發出高效的CO2固態吸附材料，對推動二氧化碳捕集與利用技術（CCU）的發展具有重要意義。

1.2 二氧化碳資源化利用

1.2.1 “廢熱利用”——熱催化

熱催化CO2加氫是碳捕集與利用的重要方向，也是離實際應用最近的可能途徑之一。火電廠的鍋爐燃煤機組在工作過程中會產生大量的廢熱，若能合理利用此類熱量對CO2實施熱催化轉化，無疑具有重要的經濟價值。就熱催化技術而言，可以通過提高溫度促使反應發生，制備CH4、CO 和CH3OH等高附加值的化學品[30]。上述過程主要涉及CO2的加氫反應，無論從熱力學還是動力學角度來看，中心對稱的線性CO2分子十分穩定，因此熱催化CO2加氫轉化只有在比較嚴苛的條件下（高溫、高壓）才能發生。另外，該反應體系常伴生逆水煤氣變換（reverse water gas shift，RWGS）反應，影響產物的選擇性。以CO2甲醇化的非均相催化反應為例[31]，該過程是由放熱的目標反應，式(1)和式(2)所示的RWGS組成。熱力學上，低溫、高壓有利于目標反應(1)的進行，但從動力學和CO2的惰性特點考慮，若采用常規的Cu/ZnO/Al2O3催化劑，實際的反應條件為220～300℃和5～10MPa。此條件下存在嚴重的RWGS，會產生較多的副產物（CO、H2O），致使目標產物的選擇性降低，造成甲醇的產率難以突破20%；同時高溫易引發催化劑燒結或發生相分離失活。雖然理論上可以通過降低反應溫度（≤200℃）來增加反應器單程的轉化率，但是在較低的溫度下使用現有的催化劑，反應速率會顯著降低。因此，開發活性高、穩定性好的催化劑是熱催化CO2加氫反應的研究重點。

經過研究者的不懈努力，用于CO2熱催化加氫反應的催化劑研究及應用取得了長足的發展，其組分包括銅基[32]、貴金屬基（Pd基、Au基）[33-34]、雙金屬基（合金、金屬間化合物）[35-36]、氧化物[37]及復合氧化物[38]等。即便如此，該催化反應過程多數仍是在較嚴苛的反應條件下進行，催化劑積炭和燒結嚴重，因此仍需進一步提升此類催化劑的反應性能，才能有望繼續擴大二氧化碳催化轉化工業應用領域的成果。最近，Li等[39]報道了一種高負載量的7.5%Pt/MoS2單原子催化劑，與單個鉑原子摻雜的0.2%Pt/MoS2相比，相鄰鉑原子摻雜的7.5%Pt/MoS2的反應活化能只有0.2% Pt/MoS2活化能的一半左右，在150℃條件下對二氧化碳加氫的TOF 值可達162.5h-1。進一步的研究表明，相鄰Pt 單原子的協同作用可以有效降低反應勢壘，優化了二氧化碳加氫反應途徑，提高了催化反應活性，因此表現出良好的低溫催化性能。針對這種“1+1>2”的現象，他們創造性地提出了“單中心鄰近原子協同催化”這一概念，顛覆了人們對于單原子之間互不干擾的傳統認識。CO2低溫轉化催化劑的研究方興未艾，成果不斷涌現。Chen等[40]通過構筑負載在金屬有機框架MIL-101 上的Pt 單原子催化劑，采用DMF 溶劑，在150℃、3.2MPa的反應條件下，其TOF值為117h-1，產物甲醇的選擇性高達90.3%。An 等[41]發現固載于MOFs中的分子銥配合物催化劑在常壓和接近室溫（85℃）條件下，可以有效地將二氧化碳轉化為甲酸/甲酸鹽（如圖2 所示），其TOF 高達410h-1，這為實現低溫、低壓熱催化CO2轉化邁出了極其重要的一步。

圖2 mbpy-[IrⅢ]-UiO和mbpyOH-[IrⅢ]-UiO催化劑的制備及結構表征[41]

1.2.2 “光電耦合”——光電催化

光電催化反應技術以清潔能源（太陽能、電能）為反應驅動力，在常溫、常壓下可實現CO2催化加氫并轉化為對人類有益的碳氫化合物燃料。相較于單一的光或電催化反應技術，其優勢如下。①提高了催化反應活性。在外加電場作用下，光生載流子定向遷移和半導體能帶彎曲，有效遏制電子-空穴的復合速率，從而提高了CO2的轉化效率。②降低了反應能耗。半導體材料經太陽能誘導、激發產生光生載流子，進而參與氧化還原反應，最終實現對CO2的催化轉化，這一過程極大減少了外部能量的投入。③有利于從微觀上評價催化劑的活性，并探究CO2催化還原反應機理。因此，光電耦合催化CO2轉化[42]受到了人們廣泛的青睞，且有望成為實現碳循環經濟目標的有力手段。

光電催化反應技術的關鍵核心也在于催化劑的設計與開發以及催化反應體系的構建。1978 年，Halmann[43]首次報道了使用C 作為陽極，p-GaP 半導體材料作為陰極，通過光電耦合催化將CO2還原為HCOOH、HCHO 和CH3OH 等小分子有機物。隨后，科研人員對于CO2光電耦合催化反應體系中光電極材料改性、反應器設計、反應路徑等進行了眾多有益的探索，并對相關工作進行歸納總結，極大推進了光電催化CO2轉化的規模化應用進程。周威等[44]從強化光吸收、載流子分離以及界面反應三個角度出發，闡述了增強光電催化CO2還原反應效率的基本策略。Zhang 等[45]從光電陰極的精細結構出發，總結了包括提高光利用率、提供催化活性位點和控制反應路徑等策略，并且概述了各種新穎的光電催化CO2還原反應裝置。張甄等[46]從光電催化的優勢、反應機理、研究現狀、催化劑、最新研究成果等方面綜述了光電催化CO2能源化利用的研究進展，探討了光電體系的電極材料組成、電解液組分以及常見的光電催化劑對整個光電催化體系催化性能的影響。

近期，國內外研究團隊在構建光陰極用于CO2還原轉化的研究方面有了新的突破。他們使用染料敏化、Pd沉積、功能化修飾等手段[47-50]，有目的地對光陰極的光吸收、載流子分離及界面反應進行強化，從而提高催化反應的活性和目標碳氫化合物的產率。譬如，Xu 等[48]合成一些經Pd、EosinY 二鈉鹽修飾的TiO2光陰極，能夠很好地將CO2催化轉化為甲醇、乙醇和丙酮等產物，其中活性最好的催化劑甲醇生成速率為43.6μmol/(L·h·cm2)、選擇性接近100%；在此基礎上，Wang 等[49]采用泡沫鎳負載的胺功能化TiO2作光陰極，設計了如圖3所示的電解池體系（BiVO4用作光陽極）。在該反應體系中，不僅甲醇的生成速率提高到了153μmol/(L·h·cm2)，而且光量子效率達到了1.2%，是自然界植物的2倍。然而，大部分光電催化劑中都含有貴金屬材料，不利于光電催化技術的工業推廣。針對上述不足，Asadi 等[50]制備了一種高效的過渡金屬二硒化鎢（WSe2）二維納米片催化劑，將CO2光電催化轉化成合成氣（CO 和H2），其中生成CO 的效率（TOF）是Ag 納米催化劑的1000倍。高效CO2還原體系歸結為WSe2納米片的低過電位和高效的電子轉移特性以及離子液體提高了局部CO2濃度。值得注意的是，這種二維WSe2納米片催化劑的合成成本僅為貴金屬催化劑的1/20，顯示出良好的應用前景。

圖3 胺功能化TiO2光電催化CO2還原[49]

另外，MOFs 材料因易于組裝成新的結構，能夠使用合適的光活性結構單元，且可以為各種催化反應提供活性位點等，引起了研究者的關注。Deng 等[51]報道了一種在Cu2O 光電陰極表面原位生長包覆Cu3(BTC)2涂層的簡便方法。實驗研究表明，MOFs涂層既能有效防止Cu2O光電極的光腐蝕，又能為CO2還原反應提供活性位點。利用超快光譜分析可知，MOFs與Cu2O所形成的界面能有效促進光生電荷的分離和轉移，從而顯著提高Cu2O 在光電催化CO2還原中的活性和穩定性。這一成果為利用MOFs 設計先進的光電極提供了一種具有前景的策略，同時也突出了界面電荷動力學在光電催化CO2還原中的重要作用。總的來說，如何將光能、電能耦合協調好，并設計、構建出高效非貴金屬基或非金屬基的光電催化劑和其反應體系，是未來光電催化技術工業推廣亟待解決的重點方向。

2 海洋生物污損治理

2.1 海洋生物污損

我國濱海電廠大都采用海水直流冷卻技術，污損生物附著、棲息在電廠冷卻設施上，會引起水流通量下降，導致冷卻效能的降低，此外還會造成設備腐蝕，帶來嚴重的安全隱患[52-53]。目前解決污損的主要方法有物理濾瀝/清除法、高分子材料涂覆和化學防污法[54]。這些方法在防污治理中雖具有一定的實效，但也存在著局限性。譬如，物理濾瀝/清除法僅適用于體型較大的污損生物，且需人力或機械定期清除。高分子材料涂覆和化學法雖然防污效果較好，但前者在使用過程中可能會產生海洋“微塑料”；后者則需要定時投放大量的化學試劑（次氯酸鹽等），對環境和生態造成損害。因此，針對污損問題提出切實可行、綠色環保的解決方案，是濱海電廠亟待解決的重要科學和實踐命題。

了解濱海電廠附近海域的生態環境，污損實況及污損生物黏附、生長過程是污損防護的前提與基礎。先期的實地調研中發現，造成污損的主要有貽貝、藤壺及藻類等。研究表明，海洋生物污損過程大致分為四個階段[55]。①“基膜”（conditioning film）的產生。固體基材浸入水下短時間內，海水中的有機分子，如多糖、蛋白、糖蛋白及一些無機化合物通過范德華力、氫鍵和靜電等相互作用力沉積在基體表面，構成“基膜”。②“生物膜”（biofilm）的形成。細菌、硅藻等微生物聚集在基膜上，通過胞外大分子物質（EPS）與基膜黏結，形成生物膜。③海洋孢子、原生動物及大型污損生物幼體的附著與群落演變。此階段，生物的種類和個體數不斷增多，群落演替現象明顯，密度大、生長迅速的物種將成為污損群落中的優勢種。④穩定期。個體大的優勢種類充分生長，經優勝劣汰后，群落結構趨于穩定。由此可知，要想抑制生物污損，就需要阻斷上述鏈條，即構建出不利于其附著與生長的局域環境。

2.2 污損治理

低表面能涂料防污是生物污損防治領域內的一個研究熱點[56-57]，它是基于海洋生物具有向觸性（即喜歡吸附于粗糙的表面）開發的一種物理防護方法。Kendall 模型[57]和模擬實驗結果表明，涂層表面能和彈性模量越低，污損生物脫附越容易；當涂層厚度遠小于污損生物半徑時，涂層材料越厚越利于污損生物脫附。據此開發出的低表面能涂料有有機硅彈性體、有機氟聚合物、含硅或含氟的嵌段聚合物、嵌段雙親性聚合物交聯網絡等。這些材料表面能低，具有超強的疏水性和表面光潔、紋理細膩的特點，使得海洋生物難以牢固黏附其上，在海水沖蝕下容易剝落。然而，這類材料存在價格偏高、與基底黏附力差等問題，限制了其規模化應用。

對生態環境影響小且具有“殺生”效果的化學防污涂料是海洋生物污損防護領域的另一個主流發展方向。含氧化銅或者氧化亞銅的高分子材料是目前研究較多、應用最為廣泛的防污涂料[58-60]。在海水沖蝕下，防污涂層緩慢釋放出的銅離子能夠使海洋生物賴以生存的主酶失去活性，或使生物細胞蛋白質絮凝產生金屬蛋白質沉淀物，導致生物組織發生變化而死亡。Ashraf 等[59]將甲基丙烯酸羥乙酯、聚乙二醇甲基丙烯酸酯按照1∶1 的質量比混合，再添加適量的氧化銅制得納米氧化銅水凝膠防污劑，而后噴涂于漁網表面，防污損測試效果顯著。最近，華南理工大學海洋工程材料團隊[60]制備了含有防污劑的生物可降解型自拋光聚合物，一定程度上緩解了“微塑料”產生的環保問題，而且在“掛片”防污實驗中也表現出明顯的防污效果。但此類環保防污涂料的有效防污期較短，通常為3～6 個月，還無法在航海及海洋工程產業中普遍使用。可以預見，新型、環保、長效的防污材料仍是今后海洋防污領域的研發重點。

鉍系半導體材料因具有優良的可見光催化活性、化學性質穩定等優點，使其成為光催化防污研究的熱點。張盾課題組[64-66]通過化學沉積法、離子交換、化學浸蝕等方法構建了多種鉍系半導體材料用于光催化防污。例如，BiOI/BiVO4復合材料[64]在500W氙燈的照射下，120min后催化殺菌率能夠達到99.99%；β-AgVO3/BiVO4復合材料[65]光照30min對革蘭氏陰性菌（P.aeruginosa）殺菌率能夠達到99.99%，遠高于單體β-AgVO3和BiVO4。尤為重要的是，他們通過晶體原位生長的方法首次實現了BiOI納米分級結構薄膜材料在柔性基底304SS網表面的原位生長[66]，所制備的BiOI薄膜材料對大腸桿菌（E.coli）和金黃色葡萄球菌（S.aureus）在光照120min后的殺菌性能均超過了99.9%。采用實驗室模擬掛片的方法進一步探究了在304SS片表面所制備的BiOI 薄膜材料對微藻（Chlorella vulgaris）在日常光照（晝夜交替）條件下的光催化防附著性能。當掛片時間較短時（2 周以內），薄膜在全光譜照射下具有良好的防藻類附著行為，Chlorella vulgaris難以在基片表面附著生長，防污性能良好。該研究有利于解決鉍系光催化劑粉體在實際海洋環境中的應用難題，同時也為其他光催化劑粉體在環境友好海洋防污領域的應用提供了理論依據。

近年來，本文作者課題組設計并合成了系列鉍基和銅基光催化材料，研究了它們的光學性質和有機物催化降解性能，并對部分樣品的細菌滅活及抗污效能進行了評測，如圖4 所示。在鉍系樣品中，“夾心”結構的BiOI/Bi/TiO2[67]表現出優異的有機物光催化降解活性，這歸因于半導體的能帶彎曲及費米能級的拉平效應，導致了材料的氧化還原能力顯著提升；界面處形成的金屬Bi 微晶促進了光生載流子的分離，使其光量子效率得到有效提升。“花瓣”形貌的氯氧化鉍（BiOCl）對結構中含偶氮或苯環基團的有機物分子具有選擇性的光催化降解能力，同時也表現出一定的抗污損功能。銅基材料普遍表現出較好的光學活性和抑菌滅活性能，尤其是高能晶面結構的氧化亞銅多面體的光學抗污性能優異。可見光照射2.5h，對S.aureus的殺菌率高達99.98%，是無光條件下的2 倍左右。上述結果表明，海水中化學穩定性較好的鉍基或銅基復合型材料在海洋防污中極具應用潛力。

圖4 鉍系及氧化亞銅半導體材料的微觀形貌和部分材料的抗菌性能

光電耦合催化防污也有所報道。Xiong 等[68]采用Cu2O 薄膜對E.coli進行滅活性能測試，得益于Cu2O 特殊性質，使其在光照和黑暗條件均有較好的抗菌性能，如圖5所示。進一步進行光電催化反應，結果發現殺菌性能得到了極大提高。此外，Srevarit 等[69]使用TiO2/CuO 異質結構半導體作為光電陰極，BiVO4/WO3作為光電陽極，通過光電催化反應22min，對大腸桿菌的滅活效率可達100%。在該體系中，TiO2/CuO能夠高效產生H2O2，促進了對大腸桿菌的滅活過程。Rather 等[70]采用g-C3N4/Ag/AgCl/BiVO4（CAB-1）薄膜復合材料作為光電陽極，以實際污水為電解質，結果發現對大腸桿菌具有較好的光電催化滅活效果。曲藝[71]采用制備的改性MoS2作為電極，利用在可見光電催化下產生多種活性氧物質，成功對濃度為106CFU/mL 的大腸桿菌實施滅活，反應2h殺菌率可達99.99%。

圖5 光/電催化殺菌體系及催化滅活E.coli性能[68]

綜上，TiO2、Cu2O、BiOX 等半導體是常用的光觸媒材料，在海水環境中，受光激發其表面會發生一系列的光化學反應，生成羥基自由基（·OH）和其他類型的氧物種（O-2、O2-2等）。這些物種氧化能力強、反應活性高，既能氧化硬質污損生物貽貝足絲蛋白中的黏附基元（3，4-二羥基苯丙氨酸，DOPA），又能殺傷直接接觸的活體細胞。另外，海水環境中某些金屬化合物半導體會發生光腐蝕和部分溶解，釋放出對污損生物具有毒理功效的金屬離子（如Cu2+、Zn2+等），而離子的釋放速度則可以通過調變涂層材料的配伍、制備工藝及涂覆方式等進行調控[72-73]。基于濱海電廠水下靜態設施污損實況，結合日照充分、水淺清澈以及由潮汐造成的水下靜態設施周期性暴露在日光下現象，針對性地研發適合于海水環境的光觸媒材料，通過在防護對象表面涂覆，營造出具有強氧化性的化學局域微環境，阻斷污損生物的黏附過程，并對附著孢子、菌絲等實施殺生滅活，破壞污損生物生長、繁殖所需的營養物質基礎，有望為海洋工程設施防污，尤其對解決濱海電廠的水下靜態設施的生物污損問題注入新動力，開辟新途徑。

值得注意的是，由于海洋環境的復雜性，加之生態、環保的要求，限制了催化材料的可選范圍，增大了高效光催化劑研制的難度，對催化劑穩定性也提出了嚴峻的挑戰。在鮮有文獻可借鑒的情況下，研制出適用于海水環境的高效光催化劑，理清并分析其構效關系、作用機制將是今后要探究的關鍵科學問題。同時從實用的角度出發，如何實現金屬離子的緩釋可控、平衡光觸媒材料的穩定性與防污實效性也是有待攻克的技術難題。

3 結語

二氧化碳（CO2）是一種溫室性氣體，過量的排放將對生態環境造成嚴重的危害。同時，它也是一種重要的碳資源，可用于制備甲醇、烷烴等高附加值的燃料或化學品。火電廠是CO2排放強度最為集中的行業，就社會責任和經濟效益而言，開展CO2減排與增效勢在必行。在燃煤火電廠原有的基礎上，增加碳捕集與利用技術（CCU）能夠從根本上實現CO2的減排和增效。高性能的CO2固體吸附捕集材料和低溫的CO2轉化催化劑的研發是CCU技術的核心，而熱催化CO2轉化是最貼近于實際應用的可行途徑。

近年來，人們對環境問題的廣泛關注和海洋防污技術環境友好化的迭代需求推動了新能源催化反應技術的快速發展。研究者開發出了眾多可用于CO2吸附與分離的功能性材料，并通過光、電催化反應將捕獲的CO2進行資源化轉化，促進了碳資源化的循環利用；光催化技術在海洋生物污損防治領域的應用也已初顯端倪，但作為一種剛剛興起的新技術，許多研究工作尚處于起步階段，存在著大量的科學問題及技術難題，需要深入地探索和逐步解決。這對廣大的科研工作者來說既是機遇，更是挑戰。海洋環境的復雜性、污損生物的多樣性以及防護對象的差異性等對光催化材料的性能提出了更高的要求。因此，研發工作應從實際出發，針對不同的防護設施，分析、理清污損的成因及生物黏附與生長機制，篩選出適用于海水環境的高效光觸媒材料；同時以應用為導向，聚焦光觸媒涂層材料組分的配伍及制備工藝，著力提升涂層的海水耐受性，以期實現光觸媒涂層的長效抗污損的功效。綜上所述，為了實現高效、綠色催化反應技術在濱海火電行業的碳減排和防污的規模化應用，需要更多學者堅持不懈地深入研究。希望本文能對拓寬催化反應技術的應用起到一定的引導作用。