环境问题是21世纪人类面临的重大挑战。随着工业化进程的加速，环境污染与资源约束的矛盾日益凸显，传统治理技术已难以满足;绿水青山就是金山银山的生态发展需求。在此背景下，环境催化材料作为连接化学、材料科学与环境工程的交叉领域，凭借其高效、绿色、可持续的特性，成为解决环境污染问题的关键突破口。催化科学与技术自1835年贝采里乌斯提出;催化概念以来，已深刻重塑了现代工业体系。然而，催化技术犹如一把双刃剑它在创造巨大经济效益的同时，也带来了白色污染、水体富营养化、温室气体排放等生态问题。环境催化正是在此矛盾中应运而生的，其核心使命在于通过材料创新，将催化技术的;利剑转化为守护蓝天碧水的;盾牌，推动经济社会发展全面绿色转型。本书立足于环境催化材料的前沿研究与应用实践，系统阐述其设计原理、分类体系、作用机制及工程化应用。全书共十一章：第一章至第四章从环境催化的学科内涵出发，梳理催化材料的概念演进、技术分类与表征方法，深入剖析自由基/非自由基反应机理及密度泛函理论等基础理论；第五章至第十章聚焦环境催化材料的实战场景，涵盖重金属钝化、新污染物降解、湖库藻类控制、全氟和多氟化合物处理、微塑料治理及温室气体转化等国家生态治理的迫切需求；第十一章总结技术瓶颈并展望材料智能化、低碳化的发展路径，呼应;双碳战略下环境催化的新使命。本书由丁佳锋担任主编，高潘潘担任副主编，何云飞、窦继博、徐冉云、曲雪彤参编。本书编写过程中得到了张杭君教授、朱维琴教授、傅巨阳老师的大力帮助，他们对本书的编写思路和内容组织提出了宝贵的意见和建议。胡方颖、何涛、李楚俏、徐若如、蒋跃、乐耀、温特尔等学生在本书的材料整理等方面提供了帮助。在此表示衷心感谢。鉴于环境催化材料应用理论与技术体系涵盖面广、综合性强，加之作者水平有限及掌握资料不足，书中难免存在疏漏与不足，恳请读者批评指正。

编者2026年1月

《环境催化材料应用》系统阐述了环境催化这一交叉学科的前沿理论与工程实践。全书以环境污染治理的重大需求为背景，结合现阶段环境功能材料在应用方面的研究成果，深入剖析了环境催化材料的设计原理、分类体系、作用机制及典型应用场景。从环境催化的学科内涵出发，本书梳理了催化材料的概念演进与技术分类，详细介绍了金属基、磁性、碳基、异质结构及Z_scheme型等主流环境催化材料的结构特性与制备方法。在技术层面，重点分析了Fenton/类Fenton、光催化、电催化、臭氧催化及过硫酸盐催化等核心环境催化技术的反应机理与实际效能。实战应用部分涵盖重金属钝化、新污染物降解、湖库藻类控制、全氟和多氟化合物处理、微塑料治理及温室气体转化等国家生态治理迫切领域，充分体现环境催化材料在实现;绿水青山目标中的关键作用。本书融合密度泛函理论等现代研究方法，展望了材料智能化与低碳化的发展路径，可作为高等院校环境类、材料类专业本科生和研究生的教材，还可供相关专业科研人员参考。

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第一章概述1第一节环境与催化1第二节环境催化的定义、研究对象和任务2第三节环境催化材料的概念与发展3第四节环境催化技术的概念与发展4一、生物催化技术5二、环境催化技术6三、新型催化技术10第五节常用的表征手段11一、比表面积11二、孔结构13三、机械强度14四、微观结构与物化性能14思考题23参考文献23

第二章环境催化材料分类和制备24第一节金属基催化材料24一、金属基催化材料的结构特点24二、金属基催化材料的合成方式26三、金属基催化材料的分类27第二节磁性催化材料27一、直接包覆型磁性催化剂28二、非直接包覆型磁性催化剂28三、负载型磁性催化剂30四、本身具有磁性的催化剂30第三节碳基催化材料32一、活性炭基催化材料32二、炭黑基催化材料32三、石墨基催化材料33四、生物炭基催化材料33五、新型碳载体催化材料35第四节异质结构催化材料35一、g_C3N4光催化剂35二、传统g_C3N4基异质结构光催化剂36三、Z_scheme型催化材料39第五节环境催化材料制备方法41一、浸渍法41二、沉淀法41三、混合法42四、离子交换法42五、水热合成法42六、其他方法42思考题43参考文献43

第三章环境催化技术的分类45第一节Fenton/类Fenton技术45一、均相芬顿技术45二、非均相芬顿技术46第二节光催化技术48一、水处理中常用的光催化剂48二、非均相光催化剂在水处理中的应用50三、非均相光催化技术的未来发展51第三节电催化技术52一、电催化技术所需的电极材料53二、电催化技术的应用54第四节臭氧催化技术55一、均相催化臭氧氧化技术56二、非均相催化臭氧氧化技术56三、非均相催化臭氧氧化技术的影响因素58第五节过硫酸盐催化技术59一、硫酸根自由基的产生及降解作用59二、基于硫酸根自由基的高级氧化工艺技术的优势60思考题60参考文献61

第四章环境催化材料的作用机理64第一节催化位点64一、表面氧缺陷64二、助催化剂的负载65三、金属或非金属掺杂65四、单原子催化剂66五、纳米团簇66六、纳米颗粒66第二节自由基机理67一、芬顿/类芬顿反应67二、光催化68三、热催化69四、电催化69第三节非自由基机理70一、均相类酶反应体系70二、非均相活化过硫酸盐体系70第四节环境催化材料的密度泛函理论计算71一、密度泛函与过渡态理论71二、密度泛函理论的发展72三、环境催化材料的DFT计算72四、金红石TiO2纳米晶生长偏好模型72思考题73参考文献74

第五章环境催化材料在重金属钝化中的应用与机理探究77第一节环境中重金属的来源及危害77一、环境中重金属的来源77二、重金属对环境和人体健康的危害79第二节环境催化材料钝化重金属的研究80一、环境催化材料的概述80二、常见环境催化材料及其钝化重金属的研究进展81第三节环境催化材料钝化重金属的影响因素84一、环境催化材料的性质84二、重金属的性质85三、环境因素86第四节环境催化材料钝化重金属的机理88一、物理吸附机理88二、化学吸附机理88三、氧化还原机理89四、生物作用机理90思考题91参考文献91

第六章环境催化材料在新污染物去除方面的应用94第一节新污染物概述94一、新污染物的由来94二、新污染物的治理方法95第二节环境催化材料去除药品与个人护理品的研究97一、TiO2降解PPCPs98二、赤铁矿降解PPCPs100第三节环境催化材料去除内分泌干扰物的研究102一、激素和类固醇的降解103二、杀虫剂和除草剂的降解104三、聚合物添加剂的降解104第四节环境催化材料去除二英的研究105一、贵金属催化剂降解二英类化合物106二、过渡金属氧化物催化剂降解二英类化合物107三、钙钛矿型催化剂降解二英类化合物108思考题108参考文献108

第七章环境催化材料在湖库藻类控制方面的应用114第一节湖库蓝藻水华概述114一、蓝藻水华的定义与基本特征114二、蓝藻水华的成因及影响因素114三、蓝藻水华的发展机制115四、蓝藻水华的环境与社会危害115第二节环境催化材料去除藻类的研究116一、光催化材料116二、基于过硫酸盐活化的催化材料117三、芬顿及类芬顿催化材料118四、关键影响因素与作用机制表征119第三节环境催化材料去除藻毒素的研究120一、光催化材料去除藻毒素121二、催化氧化材料去除藻毒素121三、环境催化材料去除藻毒素的应用案例及前景122第四节环境催化材料对蓝藻和藻毒素的协同去除研究123一、环境催化材料对蓝藻和藻毒素的去除机制123二、环境催化材料在蓝藻和藻毒素去除中的应用124思考题126参考文献126

第八章环境催化材料在全氟和多氟化合物去除方面的应用130第一节环境中全氟和多氟化合物的来源130一、空气中的全氟和多氟化合物污染131二、水环境中的全氟和多氟化合物污染132三、土壤及沉积物中的全氟和多氟化合物污染133四、全氟和多氟化合物在水生动物和人体内的污染状况134第二节环境中全氟和多氟化合物的危害135一、器官和神经毒性135二、免疫和内分泌毒性136三、生殖及发育毒性137第三节环境催化材料去除全氟和多氟化合物的研究137一、物理去除行为及机制138二、化学去除行为及机制139三、电化学去除应用141第四节环境催化材料去除全氟和多氟化合物的影响因素142一、混凝剂投加量的影响142二、溶液pH值的影响143三、絮凝时间的影响144四、初始浓度的影响144第五节环境催化材料去除全氟和多氟化合物的机理145思考题149参考文献149

第九章环境催化材料在微塑料去除方面的应用153第一节环境中微塑料的来源及危害153一、环境中微塑料的原生来源153二、环境中微塑料的次生来源154三、环境中微塑料的危害156第二节环境催化材料去除微塑料的研究157一、高级氧化法降解微塑料158二、光催化降解微塑料158第三节环境催化材料去除微塑料的影响因素159第四节环境催化材料去除微塑料的机理161思考题162参考文献162

第十章环境催化材料在温室气体治理方面的应用165第一节环境中CO2的来源及危害165一、CO2的主要来源165二、CO2的环境与生态危害166第二节环境催化材料还原CO2的研究166一、单一半导体光催化还原CO2的应用166二、复合半导体光催化还原CO2的应用167三、金属、非金属或金属阳离子掺杂半导体光催化还原CO2的应用167第三节环境催化材料还原CO2的影响因素168一、催化剂本征特性168二、反应条件169三、反应器类型与工程因素171四、失活机理与稳定性提升172第四节环境催化材料还原CO2的机理173一、热催化还原CO2173二、光催化还原CO2173三、电催化还原CO2174四、生物催化还原CO2174五、其他催化体系174思考题175参考文献175

第十一章环境催化材料未来发展前景177