Photocatalytic Membrane Filtration: Materials, System Optimization, and External Field Enhancement

Abstract

Photocatalytic membranes hold significant potential for promoting pollutant degradation and reducing membrane fouling in filtration systems. Although extensive research has been conducted on the independent design of photocatalysts or membrane materials to improve their catalytic and filtration performance, the complex structures and interface mechanisms, as well as insufficient light utilization, are still often overlooked, limiting the overall performance improvement of photocatalytic membranes. This work provides an overview of enhancement strategies involving restricted area effects, external fields, such as mechanical, magnetic, thermal, and electrical fields, as well as coupling techniques with advanced oxidation processes (e.g., O₃, Fenton, and persulfate oxidation) for dual enhancement of photocatalysts and membranes. In addition, the synthesis method of photocatalytic membranes and the influence of factors, such as light source type, frequency, and relative position on photocatalytic membrane performance were also studied. Finally, economic feasibility and pollutant removal performance were further evaluated to determine the promising enhancement strategies, paving the way for more efficient and scalable applications of photocatalytic membranes.

Keywords

external field enhancement / membrane filtration / photocatalytic materials / semiconductor photo(electro)catalysis / water purification

References

[1] P. K. Kruse-Andersen, J. Environ. Econ. Manag. 2023, 122, 102885.

[2] Z. M. Qiu, F. Y. Gao, Y. H. Zhang, J. Z. Li, Y. You, X. W. Lv, J. Dang, Sep. Purif. Technol. 2024, 338, 126478.

[3] S. Raj, H. Singh, J. Bhattacharya, Sci. Total Environ. 2023, 857, 159464.

[4] H. Xia, Z. Zhang, J. Liu, X. Ning, S. Zhang, X. Lu, Appl. Catal. B Environ. 2019, 250, 189.

[5] D. J. Han, J. F. Kim, J. C. Lee, U. Nam, Y. H. Cho, E.-H. Sohn, J. Membr. Sci. 2023, 683, 121839.

[6] X. Liu, C. Tian, Y. Zhao, W. Xu, D. Dong, K. Shih, T. Yan, W. Song, Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16, 110.

[7] Q. H. She, R. Wang, A. G. Fane, C. Y. Tang, J. Membr. Sci. 2016, 499, 201.

[8] C. Cai, W. J. Sun, S. Y. He, Y. N. Zhang, X. L. Wang, Front. Environ. Sci. Eng. 2023, 17, 126.

[9] M. Jafari, M. Vanoppen, J. M. C. van Agtmaal, E. R. Cornelissen, J. S. Vrouwenvelder, A. Verliefde, M. C. M. van Loosdrecht, C. Picioreanu, Desalination 2021, 500, 114865.

[10] A. Fujishima, K. Honda, Nature 1972, 238, 37.

[11] J. Q. Zhang, H. Wu, L. Shi, Z. T. Wu, S. Zhang, S. B. Wang, H. Q. Sun, Sep. Purif. Technol. 2024, 329, 125225.

[12] Y. Z. Fan, X. X. Wang, C. Butler, A. Kankam, A. Belgada, J. L. Simon, Y. Z. Gao, E. Chen, L. R. Winter, Nat. Water 2024, 2, 684.

[13] M. A. Hassaan, M. A. El-Nemr, M. R. Elkatory, S. Ragab, V. C. Niculescu, A. El-Nemr, Top. Curr. Chem. 2023, 381, 31.

[14] Y. Ding, I. S. Yang, Z. Q. Li, X. Xia, W. I. Lee, S. Y. Dai, D. W. Bahnemann, J. H. Pan, Prog. Mater. Sci. 2020, 109, 100620.

[15] H. R. Zhang, A. U. Mane, X. B. Yang, Z. J. Xia, E. F. Barry, J. Q. Luo, Y. H. Wan, J. W. Elam, S. B. Darling, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002847.

[16] T. Zhao, R. F. Qian, G. D. Zhou, Y. Wang, W. I. Lee, J. H. Pan, Chemosphere 2021, 263, 128344.

[17] L. F. Ni, Y. J. Zhu, J. Ma, Y. Y. Wang, Water Res. 2021, 188, 116554.

[18] Q. Q. Lin, G. Y. Zeng, S. Y. Pu, G. L. Yan, J. Q. Luo, Y. H. Wan, Z. Y. Zhao, Chem. Eng. J. 2022, 443, 136335.

[19] H. X. Liu, J. H. Xie, Z. Y. Hu, J. X. Zhao, R. J. Wang, Y. C. Qi, S. L. Sun, Carbohydr. Polym. 2024, 323, 121467.

[20] Z. W. Heng, W. C. Chong, Y. L. Pang, L. C. Sim, C. H. Koo, J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 105388.

[21] M. Sboui, W. K. Niu, D. Z. Li, G. Lu, N. Zhou, K. Zhang, J. H. Pan, Appl. Catal. A Gen. 2022, 644, 118837.

[22] C. X. Zhou, J. Gao, Y. L. Deng, M. Wang, D. Li, C. Xia, Nat. Commun. 2023, 14, 3592.

[23] M. Sboui, W. K. Niu, G. Lu, K. Zhang, J. H. Pan, Chemosphere 2023, 310, 136753.

[24] J. Wenk, M. Aeschbacher, M. Sander, U. von Gunten, S. Canonica, Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 8541.

[25] N. Y. Le, Z. W. Shi, X. G. Shi, Optik 2019, 183, 565.

[26] M. Martín-Sómer, C. Pablos, R. van Grieken, J. Marugán, Appl. Catal. B 2017,

[27] G. Rothenberger, M. Grätzel, Chem. Phys. Lett. 1989, 154, 165.

[28] S. Zhang, T. Hedtke, Q. Zhu, M. Sun, S. Weon, Y. Zhao, E. Stavitski, M. Elimelech, J. H. Kim, Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 9266.

[29] C. C. Meng, B. F. Ding, S. Z. Zhang, L. L. Cui, K. K. Ostrikov, Z. Y. Huang, B. Yang, J. H. Kim, Z. H. Zhang, Nat. Commun. 2022, 13, 4010.

[30] Y. J. Zou, K. Xiao, Q. Qin, J. W. Shi, T. Heil, Y. Markushyna, L. Jiang, M. Antonietti, A. Savateev, ACS Nano 2021, 15, 6551.

[31] Y. F. Gao, N. Yan, C. X. Jiang, C. Y. Xu, S. Y. Yu, P. Liang, X. Y. Zhang, S. Liang, X. Huang, Appl. Catal. B Environ. 2020, 268, 118737.

[32] R. J. Yang, L. Mei, Z. Y. Lin, Y. Y. Fan, J. W. Lim, J. H. Guo, Y. J. Liu, H. S. Shin, D. Voiry, Q. Y. Lu, J. Li, Z. Y. Zeng, Nat. Rev. Chem. 2024, 8, 410.

[33] T. Zheng, X. Y. Zou, M. S. Li, S. Y. Zhou, Y. J. Zhao, Z. X. Zhong, Chin. J. Chem. Eng. 2022, 42, 297.

[34] B. Luo, G. Liu, L. Z. Wang, Nanoscale 2016, 8, 6904.

[35] Q. Zhang, S. Chen, X. F. Fan, H. G. Zhang, H. T. Yu, X. Quan, Appl. Catal. B Environ. 2018, 224, 204.

[36] G. L. Liu, C. Z. Li, D. H. Li, W. D. Xue, T. Hua, F. X. Li, J. Colloid Interface Sci. 2024, 673, 113.

[37] Y. Zhao, X. K. Li, X. Fan, H. S. Wang, Y. L. Liu, Y. Y. Chen, T. Y. Yang, J. Ye, H. Huang, H. T. Li, Appl. Catal. B 2022, 314, 121499.

[38] H. D. Li, Y. H. Sang, S. J. Chang, X. Huang, Y. Zhang, R. S. Yang, H. D. Jiang, H. Liu, Z. L. Wang, Nano Lett. 2015, 15, 2372.

[39] Z. H. Tian, Y. M. Xu, Q. Y. Liu, X. Wu, S. H. Qin, J. Zhang, H. Wang, J. X. Li, Z. Y. Cui, Surf. Interfaces 2024, 46, 104056.

[40] Y. Liu, L. G. Shen, H. J. Lin, W. M. Yu, Y. C. Xu, R. J. Li, T. Y. Sun, Y. M. He, J. Membr. Sci. 2020, 612, 118378.

[41] D. L. Zhong, J. Zhang, L. Y. Lv, Y. L. Lv, Y. Jiang, ACS EST Eng. 2022, 2, 769.

[42] E. J. Toledo, T. C. Ramalho, Z. M. Magriotis, J. Mol. Struct. 2008, 888, 409.

[43] K. Higashitani, A. Kage, S. Katamura, K. Imai, S. Hatade, J. Colloid Interface Sci. 1993, 156, 90.

[44] R. Li, L. P. Qiu, S. Z. Cao, Z. Li, S. L. Gao, J. Zhang, S. Ramakrishna, Y. Z. Long, Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2316725.

[45] J. Li, Q. Pei, R. Y. Wang, Y. Zhou, Z. M. Zhang, Q. Q. Cao, D. H. Wang, W. B. Mi, Y. W. Du, ACS Nano 2018, 12, 3351.

[46] J. He, Y. Wang, C. J. Shi, M. Q. Wang, Z. S. Cao, R. Zhang, X. J. Sun, J. Y. Bo, W. Li, Z. C. Yang, Sep. Purif. Technol. 2022, 284, 120263.

[47] Y. C. Bian, G. H. Zheng, W. Ding, L. Hu, Z. G. Sheng, RSC Adv. 2021, 11, 6284.

[48] H. Okumura, S. Endo, S. Joonwichien, E. Yamasue, K. N. Ishihara, Catal. Today 2015, 258, 634.

[49] R. K. Manavalan, K. Enoch, M. Chitra, J. S. Ponraj, ChemistrySelect 2024, 9, 202400179.

[50] R. Dhanalakshmi, N. V. Giridharan, J. C. Denardin, Materials 2021, 14, 4079.

[51] N. S. Zaidi, J. Sohaili, K. Muda, M. Sillanpää, Sep. Purif. Rev. 2014, 43, 206.

[52] Y. Cho, A. Yamaguchi, R. Uehara, S. Yasuhara, T. Hoshina, M. Miyauchi, J. Chem. Phys. 2020, 152, 231101.

[53] Z. Y. Yang, H. H. Yi, X. L. Tang, S. Z. Zhao, Y. H. Huang, X. Z. Xie, L. L. Song, Y. Y. Zhang, J. Hazard. Mater. 2019, 373, 321.

[54] X. M. Cui, Q. F. Ruan, X. L. Zhu, X. Y. Xia, J. T. Hu, R. F. Fu, Y. Li, J. F. Wang, H. X. Xu, Chem. Rev. 2023, 123, 6891.

[55] C. Wang, H. Ma, Y. Tian, A. X. Jiao, M. Y. Zhang, L. Q. Zheng, S. Li, M. Chen, Chem. Eng. J. 2022, 446, 136977.

[56] Q. X. Zhang, Z. P. Zhang, D. Y. Zhao, L. Wang, H. Li, F. Zhang, Y. N. Huo, H. X. Li, Appl. Catal. B Environ. 2023, 320, 122009.

[57] M. J. Chen, Y. R. He, J. Q. Zhu, Int. J. Heat Mass Transf. 2017, 114, 1098.

[58] B. Xiang, J. L. Gong, Y. Q. Sun, J. Li, J. Hazard. Mater. 2024, 462, 132803.

[59] D. Y. Luo, R. Su, W. Zhang, Q. H. Gong, R. Zhu, Nat. Rev. Mater. 2020, 5, 44.

[60] X. T. Zhao, Y. Y. Jiang, T. Y. Wang, Q. Y. Lu, K. Zhao, J. F. Pan, Chem. Eng. J. 2023, 475, 146268.

[61] A. T. Wijayanta, T. Istanto, K. Kariya, A. Miyara, Exp. Thermal Fluid Sci. 2017, 87, 141.

[62] Y. H. Dai, C. D. Qi, H. Cao, Y. N. Wen, Y. J. Zhao, C. M. Xu, S. G. Yang, H. He, Sep. Purif. Technol. 2022, 288, 120716.

[63] Z. Y. Zhao, L. Hong, L. X. Gang, G. Xin, Chem. Eng. Prog. 2020, 39, 2275.

[64] J. C. Liu, G. Z. Jia, J. Mol. Liq. 2017, 227, 31.

[65] W. Y. Fu, Z. Wen, J. Membr. Sci. 2018, 568, 97.

[66] Y. Nakai, Y. Tsujita, H. Yoshimizu, Desalination 2002, 145, 375.

[67] Q. Y. Feng, B. Y. Liu, J. Ji, K. Li, B. Zhang, H. B. Huang, Appl. Surf. Sci. 2021, 547, 148955.

[68] M. R. Rosana, Y. C. Tao, A. E. Stiegman, G. B. Dudley, Chem. Sci. 2012, 3, 1240.

[69] W. M. Yu, Y. Liu, Y. C. Xu, R. J. Li, J. R. Chen, B. Q. Liao, L. G. Shen, H. J. Lin, J. Membr. Sci. 2019, 581, 401.

[70] P. Kumari, N. Bahadur, X. A. Conlan, M. Laleh, L. Kong, L. A. O'Dell, L. F. Dumee, A. Merenda, Water Res. 2022, 218, 118519.

[71] L. Shi, J. D. Liu, Y. J. Wang, B. Gao, M. Sillanpää, Chem. Eng. J. 2021, 405, 126954.

[72] H. B. Zhang, Z. L. Wang, J. F. Zhang, K. Dai, Chin. J. Catal. 2023, 49, 42.

[73] B. Gao, J. J. An, Y. P. Wang, J. D. Liu, L. Wang, M. Sillanpaa, J. Solid State Chem. 2020, 290, 121525.

[74] K. W. Nam, S. S. Park, R. Dos Reis, V. P. Dravid, H. Kim, C. A. Mirkin, J. F. Stoddart, Nat. Commun. 2019, 10, 4948.

[75] J. H. Dou, M. Q. Arguilla, L. Yi, J. Li, W. Z. Zhang, S. Lei, J. L. Mancuso, L. M. Yang, T. Y. Chen, L. R. Parent, Nat. Mater. 2021, 20, 222.

[76] A. C. Mecha, M. N. Chollom, Environ. Chem. Lett. 2020, 18, 1491.

[77] M. Pirsaheb, H. Hossaini, N. K. Raad, S. Kianpour, H. Hossini, Rev. Environ. Health 2023, 38, 313.

[78] J. J. Ma, N. Ding, H. Liu, Sep. Purif. Technol. 2023, 324, 124628.

[79] L. L. Coelho, G. Scaratti, A. M. Hissanaga, B. F. Oechsler, H. J. José, R. F. P. M. Moreira, J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 106138.

[80] K. Li, W. H. Xu, G. Wen, Z. P. Zhou, M. Han, S. J. Zhang, T. L. Huang, Chemosphere 2022, 308, 136520.

[81] J. Leichtweis, Y. Vieira, E. Carissimi, M. Ulbricht, L. Fischer, Appl. Surf. Sci. 2024, 669, 160603.

[82] S. B. Sun, H. Yao, W. Y. Fu, L. K. Hua, G. S. Zhang, W. Zhang, Water Res. 2018, 144, 690.

[83] Y. L. Song, L. Huang, X. J. Zhang, H. Z. Zhang, L. Wang, H. Zhang, Y. L. Liu, J. Hazard. Mater. 2020, 393, 122379.

[84] Z. X. Wang, J. H. Song, W. Y. Yuan, Y. Li, N. J. Wu, X. Li, L. M. Rong, H. J. Wang, J. Zhang, W. X. Wei, J. Environ. Manage. 2023, 325, 116407.

[85] S. K. Hubadillah, M. R. Jamalludin, M. H. D. Othman, Y. J. Iwamoto, Ceram. Int. 2022, 48, 24157.

[86] M. Padaki, R. S. Murali, M. S. Abdullah, N. Misdan, A. Moslehyani, M. A. Kassim, N. Hilal, A. F. Ismail, Desalination 2015, 357, 197.

[87] S. A. Gokulakrishnan, G. Arthanareeswaran, Z. Laszlo, G. Vereb, S. Kertesz, J. Kweon, Chemosphere 2021, 281, 130891.

[88] Z. W. Xu, T. F. Wu, J. Shi, W. Wang, K. Y. Teng, X. M. Qian, M. J. Shan, H. Deng, X. Tian, C. Y. Li, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 18418.

[89] A. Taguet, P. Cassagnau, J. M. Lopez-Cuesta, Prog. Polym. Sci. 2014, 39, 1526.

[90] G. H. Song, A. Sengupta, X. H. Qian, S. R. Wickramasinghe, Sep. Purif. Technol. 2018, 205, 94.

[91] D. W. Wang, M. A. Mueses, J. A. C. Márquez, F. Machuca-Martínez, I. Grčić, R. P. M. Moreira, G. L. Puma, Water Res. 2021, 202, 117421.

[92] Y. C. Chang, S. Y. Syu, P. C. Hsu, Int. J. Hydrogen Energy 2024, 86, 24.

[93] S. N. Ahmed, W. Haider, Nanotechnology 2018, 29, 342001.

[94] D. Pelayo, A. Hernandez-Pellon, G. Santos, M. Rumayor, I. Ortiz, M. J. Rivero, J. Environ. Manage. 2024, 364, 121442.

[95] S. H. Kim, S. W. Lee, G. M. Lee, B. T. Lee, S. T. Yun, S. O. Kim, Chemosphere 2016, 143, 106.

[96] A. A. Babatunde, S. j. Abbasoglu, M. Senol, Renew. Sustain. Energy Rev. 2018, 90, 1017.

[97] E. C. Wert, J. A. Korak, R. A. Trenholm, F. L. Rosario-Ortiz, Water Res. 2014, 52, 251.

[98] J. Xie, Z. P. Liao, M. Zhang, L. H. Ni, J. W. Qi, C. H. Wang, X. Y. Sun, L. J. Wang, S. B. Wang, J. S. Li, Environ. Sci. Technol. 2020, 55, 2652.

[99] Z. M. Wang, J. Liu, Y. C. Dai, W. Y. Dong, S. C. Zhang, J. M. Chen, J. Hazard. Mater. 2012, 215, 25.

[100] A. G. Fane, R. Wang, Y. Jia, in Membrane and Desalination Technologies (Eds: L. K. Wang, J. P. Chen, Y.-T. Hung, N. K. Shammas), Humana Press, Totowa, NJ 2011.

[101] S. Bhojwani, K. Topolski, R. Mukherjee, D. Sengupta, M. M. El-Halwagi, Sci. Total Environ. 2019, 651, 2749.

[102] Y. Gu, Y. Chen, X. B. Sun, Y. D. Liu, Res. Chem. Intermed. 2017, 43, 3095.

[103] J. Deng, Y. S. Shao, N. Y. Gao, S. J. Xia, C. Q. Tan, S. Q. Zhou, X. H. Hu, Chem. Eng. J. 2013, 222, 150.

[104] P. A. Basore, W. J. Cole, Prog. Photovolt. Res. Appl. 2018, 26, 414.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.