Z-型异质结光催化剂的设计、 制备和应用研究进展

传统异质结具有扩大光响应范围、促进载流子分离的优点,但存在氧化-还原能力不够的问题。Z-型异质结是根据自然界植物光合作用模拟的人工光合作用而提出的,相对于单一光催化剂与传统异质结光催化剂具有能有效分离电子空穴对、减少复合几率、保留强氧化-还原活性位点、扩大光响应范围、提高光催化活性等优点。文中综述了近年来,液相Z-型异质结光催化剂、全固态Z-型异质结光催化剂、直接Z-型异质结光催化剂的反应机理、构建方法与在光解水产氢、CO2还原、有机物的降解、水中重金属离子的还原等应用方面的研究进展。并对比几类Z-型异质结光催化剂的特点,提出了Z-型光催化体系发展的未来挑战和前景。

用于光催化能量转换的Z-型异质结的研究进展

受植物光合作用的启发,研究者发展了多种模拟光合作用体系用于光分解水、二氧化碳光还原和氮光固定以生产"太阳燃料"(如氢气、甲烷和氨气),以期缓解当前的能源短缺和环境污染。尽管基于人造半导体材料的光合作用是一种潜在、理想的以"太阳燃料"的化学键形式存储太阳能的方法,但是构筑能够在规模和成本方面与化石燃料竞争的生产"太阳燃料"的人工光合作用体系仍然存在巨大的挑战。因此,开发低成本的高效光催化剂对于促进人工光合作用的三种主要光催化过程(光俘获、电荷产生与分离,以及表面/界面催化反应)具有重要的意义。在已研究的各类光催化剂中,Z-型异质结复合体系不仅可以提高光俘获能力和显著抑制电荷载流子复合,而且还可通过保持光激发电子/空穴的强还原/氧化能力来促进表面/界面催化反应,因而受到广泛关注。将太阳能转化为化学能的Z-型纳米异质结的研究证明这些异质结在提高生产"太阳燃料"的光催化反应体系的整体效率方面的重要性。该综述主要介绍了Z-型异质结的发展历史和直接Z-型异质结相较于传统II型异质结、液相Z-型和全固态Z-型异质结的优势,并阐述了两步激发Z-型光催化体系的反应机理和途径。然后,从材料组成角度重点介绍了近5年来不同类型Z-型纳米结构材料(无机,有机和无机-有机复合材料)在光催化能源转换领域的应用,以及提高Z-型纳米结构材料光催化性能的各种调控/工程策略(如扩展光谱吸收区、促进电荷转移/分离和表面化学改性等)。此外,还讨论了Z-型光催化机理的表征方法与策略(如金属负载法、牺牲试剂测试法、自由基捕集实验、原位X-射线光电子能谱、光催化还原实验、Kelvin探针力显微镜、表面光电压光谱、瞬态吸收光谱及理论计算等)及光催化性能的评价方法和标准。最后,介绍了Z-型异质结光催化体系目前面临的挑战和发展方向。我们希望该综述能为光催化体系的性能突破方向提供新的认识,并为新型Z-型光催化材料的设计和构筑提供指导。