先進光催化劑設計與制備

余家國，李鑫，王偉俊，張留洋

1 武漢理工大學，材料復合新技術國家重點實驗室，武漢 430070

2 華南農業大學林學與風景園林學院，農業部能源植物資源與利用重點實驗室，廣州 510642

3 School of Energy and Chemical Engineering, Xiamen University Malaysia, Selangor Darul Ehsan 43900, Malaysia.

光催化材料和技術在能源1,2、環境、健康3,4、生態建筑材料等領域具有廣闊的應用前景，先進光催化劑的設計與制備是光催化領域的研究熱點5。當前，光催化材料面臨的最大挑戰是低的光催化效率和快的光生電子和空穴復合。傳統II型異質結光生載流子的還原氧化能力被極大削弱，熱力學上并不利于光催化反應的進行。動力學上由于光生電子和電子，空穴與空穴之間的排斥作用，電子和空穴的空間分離也很難實現。為克服II型異質結的缺陷，2019年，一個新的梯形(S-scheme)異質結概念被提出，梯形異質結由氧化型和還原型光催化劑組成，一方面該異質結可以消除系統中相對無用的光生載流子，另一方面可以保留相對有用的光生載流子，使系統具有強的氧化還原能力和高的光催化性能6。本專刊邀請了從事光催化研究的學者團隊，介紹他們近年來的研究進展和總結。

本專刊共發表文章13篇，其中綜述5篇，研究論文8篇。從研究材料看，4篇與TiO2有關，4篇與C3N4有關。從光催化機理看，5篇聯系到梯形(Stepscheme, S-scheme)異質結光催化材料制備與機理研究。

專刊從應用領域劃分為三方面：

(1) 分解水產氫

靳治良和其研究團隊7制備了曙紅敏化NiS2和MoSe2梯形異質結復合材料，得益于增強的光吸收和異質結的建立，該復合材料的析氫速率高達7 mmol·h?1·g?1，比純NiS2和MoSe2提升了2.05和2.44倍。王國宏和其同事8通過微波輔助法將二維ZnIn2S4納米片生長在TiO2納米纖維上。通過調節前驅體的摩爾比，得到了優化的梯形異質結光催化劑，其性能比單一材料提升了數倍。余火根和其同事9通過富含羧基官能團的石墨烯修飾TiO2，且用各種先進表征技術證實了復合光催化劑的成功合成。由于親核性羧基富集氫離子的能力，該復合光催化劑展現了較高的產氫活性。徐全龍和其合作者10設計了具有反蛋白石結構的g-C3N4,并探究了光利用率和光生電荷分離的影響因素。與體相相比，其3D多孔結構擁有超高比表面積，表現出更高的光催化產氫速率。李鑫和其研究團隊11合成了一維Mn0.2Cd0.8S納米棒和二維Ti3C2MXene納米片的肖特基異質結，并探討了二者之間的協同作用對光催化產氫的影響。實驗結果證實了異質結能夠有效分離光生電荷，而納米片則顯著改善析氫動力學。

(2) 二氧化碳還原

朱必成和其同事12通過密度泛函理論研究了二維/二維BP/g-C3N4的能帶位置、界面電子相互作用以及二氧化碳還原過程，通過對比研究發現異質結有效降低了二氧化碳還原反應的勢壘，且實現光生載流子的高效分離。周雪梅13總結了貴金屬單原子修飾二氧化鈦催化劑的制備方法及其控制條件，并討論了電鏡和譜學分析等表征手段，最后針對這些催化劑的作用機理和應用范圍做出了討論。彭天右領導的團隊14介紹了Z型異質結的發展歷史和調控手段，闡述了該體系的反應途徑，并提出了該體系的挑戰和發展方向。針對g-C3N4在光催化反應中的瓶頸問題，李云峰等15綜述了各種改性方法在光催化產氫和二氧化碳還原方面的潛在應用。劉升衛團隊16概括了表面氟化TiO2多孔空心微球的制備方法和微觀結構參數的調控，介紹了多孔空心結構的優勢。王偉俊和其合作者17展望了結構易調控的鈣鈦礦氧化物光催化劑在水分解、二氧化碳還原轉化、固氮等方面的發展前景。

(3) 污染物降解

許第發團隊18設計了柔性BiOI/PAN復合纖維，該纖維獨特的分級結構改善了光吸收。此外，他們還通過一系列表征手段證實了梯形異質結的電子轉移方式。該柔性復合纖維不僅在氧化苯酚中展現了優異的性能，而且易于回收再利用。除了之前探討的無機半導體光催化劑，李喜寶帶領其團隊19利用g-C3N4和PDI-Ala之間的π–π相互作用和N―C鍵緊密結合自組裝了全有機梯形光催化劑。并對其結構和性能進行了系統的分析。實驗結果表明該催化劑在匹配的能帶和緊密的界面的幫助下，產生了多種活性物種，并在可見光下實現了四環素和硝基苯酚的有效降解。

在先進光催化材料的漫漫探索之路上，我們希望該專刊能夠為先進光催化劑的設計構筑提供指導，也為其性能突破提供新的認識。