陈硕平研究员，CEJ观点：废弃米粉变身高效光催化剂：S型TiO₂/生物炭异质结助力绿色制氢

第一作者：覃光智

通讯作者：陈硕平

单位：桂林理工大学材料科学与工程学院

随着全球能源危机和环境污染问题日益严峻，开发绿色、可持续的氢能生产技术已成为科学研究的热点。光催化水分解技术能够直接将太阳能转化为化学能（氢气），是一种极具潜力的清洁能源解决方案。然而，传统光催化剂如二氧化钛（TiO₂）存在光生载流子复合快、光谱吸收范围窄等问题，严重制约其实际应用。另一方面，餐饮废弃物（如废弃米粉）的处理问题也日益突出，传统处理方式如填埋、焚烧等不仅资源利用率低，还可能造成二次污染。如何将废弃物资源化利用和清洁能源技术发展相结合，是当前研究的重要方向。

近日，桂林理工大学陈硕平研究员团队在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表题为“S-scheme TiO₂/biochar heterojunction derived from waste rice noodles: a low-cost waste-to-catalyst strategy for enhanced photocatalytic hydrogen production”的研究论文。该研究首次利用废弃米粉（WRN）通过水热碳化与原位相变相结合的策略，成功构建了S型TiO₂/生物炭（TiO₂/BC）异质结光催化剂，实现了高效、低成本的太阳能驱动制氢。

研究团队通过水热碳化处理废弃米粉，获得水热碳（HTC）中间体，进一步与钛源（TBT）通过溶胶-凝胶法和高温煅烧，成功构建了TiO₂纳米颗粒均匀锚定在生物炭基质上的异质结结构。该策略不仅实现了废弃物的100%资源化利用，还显著降低了催化剂制备成本（仅为商用TiO₂的2%）。

优化后的TiO₂/BC异质结在模拟太阳光下表现出优异的产氢性能，速率高达2226 μmol·h⁻¹·g⁻¹，是商用TiO₂的1.8倍。表观量子效率（AQE）在420 nm处达到2.24%，且在连续4次循环（每次4小时）后仍保持96.3%的活性，显示出极高的稳定性。

通过DFT计算与实验表征（XPS、Mott-Schottky、EPR等）相结合，研究团队明确了TiO₂与BC之间形成的S型异质结机制。该机制不仅促进了光生载流子的高效分离，还保留了较强的氧化还原能力，从而显著提升光催化性能。

本研究不仅提供了一种高效光催化剂的设计策略，更为餐饮废弃物的资源化利用开辟了新路径。废弃米粉作为一种典型的碳水化合物，其水热转化行为具有良好的普适性和可扩展性。未来可进一步探索其他餐饮废弃物（如废弃面包、淀粉类厨余等）的协同转化，构建“一废多品”的产物体系。此外，该策略与现有废弃物处理技术（如厌氧消化、堆肥）形成互补，尤其适用于高含水率、易腐败的有机废弃物处理场景。通过将废弃物转化为高附加值的光催化材料，既可降低氢能技术的材料成本，又能减少环境污染，实现“以废治废”的双重环境效益。未来研究可聚焦于催化剂的规模化制备工艺、与真实废弃物的适配性优化，以及与其他可再生能源技术（如光电耦合、CO₂还原）的集成应用，推动餐饮废弃物资源化利用从实验室走向产业化，助力碳中和目标的实现。

S-scheme TiO₂/biochar heterojunction derived from waste rice noodles: a low-cost waste-to-catalyst strategy for enhanced photocatalytic hydrogen production, Chemical Engineering Journal 522 (2025) 167763.

陈硕平：桂林理工大学材料科学与工程学院研究员，长期开展餐饮废弃物资源化利用研究，先后主持在研和完成与餐饮废弃物资源化利用相关的国家自然科学基金各一项、广西自然科学基金项目一项，以第一作者或通讯作者公开发表学术论文40余篇，获得国家发明专利授权20余项。

覃光智：桂林理工大学材料科学与工程学院硕士研究生，主要从事光催化材料设计与废弃物资源化利用研究。