半导体光解水制氢研究:现状、挑战及展望

通过半导体光催化分解水反应实现太阳能向清洁能源氢能的转化,是解决人类面临的能源和环境危机的终极途径之一。该过程的关键是开发宽光谱响应、高效的光催化剂,到目前为止,调控能带结构、制备活性晶面、构建异质结构、负载助催化剂等诸多方法被广泛应用于扩展半导体材料的吸光范围和提高其光催化活性。本文介绍了半导体光解水制氢的基本原理,并综述了该领域的研究进展,重点关注提高半导体光催化活性的方法及其所面临的挑战和瓶颈问题,并结合相关课题组的研究工作提出可能的应对策略。     

光催化分解水制氢用二元半导体光催化剂

光催化分解水制氢被认为是解决能源问题和环境问题的有效方法,但目前的光催化效率仍然较低,结合使用2种半导体物质是提高光催化活性的一种有效途径。本文分两种类型阐述了已报道的用于光催化分解水制氢反应的二元半导体体系。一种为将2种半导体复合于一体,另一种为将2种半导体分散加入到光催化反应液中的Z型体系。基于肖特基模型探讨了2种半导体复合于一体的二元体系的光催化作用机制,指出p型半导体和n型半导体复合制得的光催化剂更能很好地发挥各半导体的光催化氧化性能和光催化还原性能。分析了Z型体系的优点和缺点,指出对于Z型体系的放氢催化剂和放氧催化剂也可以分别再进行二元复合改性,以抑制光激发载流子的复合,提高整个体系的光催化效率。     

SiO2/曙红Y-Pt体系可见光催化分解水制氢研究

光催化分解水制氢是可再生能源的重要问题之一[1].现已发现,许多半导体都具有受光激发后还原水放氢的活性,如TiO2,SrTiO3,CdS等[1~4],一些复合氧化物也具有良好光催化分解水制氢活性[5~7].虽然光催化分解水制氢取得了巨大的进步,但是仍面临着一些亟待解决的问题,如通常稳定的半导体材料TiO2和Ta2O5,仅对占太阳光谱约5%的紫外光敏感;而对可见光敏感的半导体材料,如CdS又不稳定,在反应过程中会发生光腐蚀.掺杂和敏化稳定的宽禁带半导体使其对可见光敏感成为一个重要的努力方向.重大的突破出现在1991年,Gratzel等利用Ru染料敏化TiO2电池…     

碘氧化铋光催化剂的合成、改性及净化一氧化氮

光催化技术因其节能、高效、无二次污染等特点,在低浓度一氧化氮(NO)污染治理方面展现出了巨大潜力。在众多半导体材料中,碘氧化铋(BiOI)光催化剂具有窄带隙和独特的层状结构,有利于可见光吸收和电子空穴对分离,展现出了良好的光催化活性和稳定性,近十几年来备受关注。本文综述了BiOI半导体材料光催化净化NO的最新研究进展,阐述了BiOI晶体形貌与晶面调控对其光催化性能的影响;重点介绍了各类改性方法如表面修饰、离子掺杂、异质结构筑等对BiOI光催化活性的提升机制,并提出了该研究方向所面临的挑战与应用前景,旨在为设计高活性BiOI基光催化材料以及高效处理低浓度NO污染提供理论借鉴与技术支撑。     

二硫化钼基复合材料的合成及光催化降解与产氢特性

随着环境污染和能源短缺的加剧,无污染环境修复技术及清洁能源替代工程已成为一项重要而紧迫的任务。作为层状结构的过渡金属硫化物,二硫化钼带隙较窄,边缘具有高的反应活性,容易与其他物质形成复合结构,是近年来光催化环境修复及清洁能源领域的研究热点。本文详细介绍了半导体二硫化钼及其复合物的合成方法和光催化降解与产氢行为,重点阐述了二硫化钼及其复合物的具体复合方式、光催化降解污染物活性、光催化产氢活性以及具体的降解与产氢机理等方面的内容,并举例说明。二硫化钼及其复合物在光催化降解污染物和光催化产氢方面具有绿色、廉价、高效等优点,在环境修复及清洁能源领域具有巨大的潜力和应用发展前景。     

光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）

近年来,随着一次能源过度消耗所带来的能源和环境问题日益突出,开发廉价、可持续的清洁能源备受关注.光催化分解水制氢可利用太阳能普遍率高和几乎免费等特点制取燃烧热值高、燃烧产物无污染的氢气能源.自从1972年日本的Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO2单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.有效地将太阳能转换为化学能的关键是设计高效的电荷分离和运输结构.然而,现有的大多数半导体光催化剂因缺少活性位点、光生载流子易复合等缺点而无法达到较高的转换效率.因此,如何提高半导体光催化产氢的转换效率是现阶段面对的重要问题.在众多解决方法中,助催化剂的引入可以为光催化制氢反应增加活性位点,促进光生载流子的有效分离,进而有效地提高半导体光催化产氢速率.本文总结了多种不同类型的助催化剂应用于光催化产氢研究的最新进展,详细讨论了助催化剂在增强光吸收、提供活性位点、增加催化剂稳定性和促进电荷分离等方面的作用,阐明了助催化剂在光催化分解水制氢中的反应机理,同时还提出了光催化制氢的未来研究和预测.本文将助催化剂分为以下几种类别进行讨论:(1)单一助催化剂,包括金属/合金、金属氧化物/氢氧化物、金属磷化物、金属硫化物、碳基材料等助催化剂材料;(2)双助催化剂;(3)Z-Scheme助催化剂;(4)MOFs助催化剂.近年来,助催化剂材料在光催化产氢中应用的发展趋势从当初价格昂贵的贵金属趋于价格相对低廉的非贵金属,从单一体系趋于更复杂的体系.虽然现阶段关于助催化剂与基底之间的匹配还需要进一步研究,但我们相信随着技术的发展,这些问题都可以迎刃而解.希望在不久的将来,可以精确设计和构建出具有高效光催化产氢活性的催化剂体系,开发出更多新的可再生清洁能源,从而缓解能源紧缺和环境恶化等棘手问题.     

非金属掺杂石墨相氮化碳光催化的研究进展与展望（英文）

自从Fujishima和Honda利用TiO_2光阳极和Pt电极成功实现太阳能光电化学分解水之后,光催化被认为是解决环境污染和能源短缺两大问题最有前景的方法之一,因为该技术可以有效的利用太阳能这种地球上最丰富的能源来驱动多种不同的催化反应实现能源生产和环境净化,比如:水分解、CO_2还原、有机污染物降解和有机合成等。除了金属氧化物、金属硫化物和金属氮氧化物等多类金属化合物半导体光催化剂,近几年,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)因其原料来源广泛、无毒、稳定以及相对较窄的带隙(2.7 eV)而具备可见光响应等特点,在光催化领域获得了广泛的重视。然而,gC_3N_4对太阳光谱中可见光的吸收效率较低且光生电子和空穴复合严重,导致其光催化活性处于较低水平。至今,研究人员已经开发出多种提高g-C_3N_4光催化活性的方法,如元素掺杂、微纳结构和异质结构设计和助催化剂修饰等。元素掺杂被证明是调节g-C_3N_4独特电子结构和分子结构的有效方法,可以大幅扩展其光响应范围,并促进光生电荷分离。特别地是,非金属元素掺杂以提高g-C_3N_4的光催化活性已经得到很好的研究。通常用于掺杂g-C_3N_4的非金属元素是氧(O)、磷(P)、硫(S)、硼(B)、卤素(F、Cl、Br、I)和其他非金属元素(如碳(C)和氮(N)自掺杂),因为这些非金属元素有着易于获取的原材料并可以较为简单的引入g-C_3N_4骨架结构中。在这篇综述文章中,作者首先介绍了g-C_3N_4的结构和光学性质,接着简要介绍了光催化剂的g-C_3N_4的改性;然后详细回顾了非金属掺杂改善g-C_3N_4光催化活性的进展,同时总结了光催化机理以期更好地理解光催化的本质并指导新型g-C_3N_4光催化剂的开发。最后,对g-C_3N_4光催化剂的后续研究进行了展望。     

纳米异质结光催化剂制氢研究进展

随着世界经济的迅猛发展,人们生活水平飞速提高的同时,能源短缺和环境污染成为当前人类可持续发展过程中的两大严峻问题.氢作为一种能源载体,能量密度高,可储可运,且燃烧后唯一产物是水,不污染环境,被认为是今后理想的无污染可再生替代能源.20世纪60年代末,日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体TiO2电极可导致水分解,使人们认识到了利用半导体光催化分解水制氢可直接将太阳能转化为氢能的可行性,利用半导体光催化分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一.然而,单相光催化材料的光生电子和空穴复合仍然严重,光催化制氢效率低,无法满足实际生产需要;另外,单相光催化材料不能同时具备较窄的禁带、较负的导带和较正的价带.近年来,国内外学者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理论等领域开展了大量研究工作.不断有不同种类的半导体材料被研究和发展为光催化分解水制氢催化材料.例如,具有可见光催化活性的阴、阳离子掺杂TiO2,具有可见光下光解纯水能力的In0.9Ni0.1TaO4,在256 nm紫外光辐照下量子效率达到56%的镧掺杂NaTaO3,CdS以及(AgIn)xZn2(1-x)S2等.在现有的光催化材料中,单相光催化材料可以通过掺杂、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修饰等提高其光催化活性.复合型光催化材料则能通过组合不同电子结构的半导体材料并调控其光生载流子迁移获得优异的光催化制氢性能,大幅拓展了光催化制氢材料的研究范围和提升了光催化制氢性能.构建异质结能够有效提高光生电子-空穴分离效率,促使更多的光生电子参与光催化制氢反应,提高其氧化还原能力,从而提高其光催化制氢效率.在I-型纳米异质结中,半导体A的价带高于半导体B,而导带则是前者高于后者,光照时,光生电子-空穴对的迁移速率是不同的,延长了光生电子的寿命,从而提高了材料的光催化活性.但是在I-型异质结中,电子和空穴都集中在B半导体上,这样光生电子-空穴对的复合几率仍然很高.II-型异质结中电子和空穴的富集处各不相同,因此使用范围也更广泛一些.光辐照激发时,光生电子从半导体B的导带迁移到半导体A的导带上,而空穴则从半导体A的价带向半导体B的价带上转移,从而形成了载流子的空间隔离,有效抑制其复合.但是,在这个类型的异质结中,光生电子转移到了相对位置较低的导带,而空穴则转移到相对位置较高的价带,这样就降低了光生电子的还原能力和空穴的氧化能力.pn型异质结中,在两种半导体相互接触时,由于电子-空穴对的扩散作用,两种半导体的能带发生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在两种半导体异质结的界面处会产生空间电荷层,在这个电荷层的作用下,在异质结界面上形成内建电场.在合适波长的光源辐照的条件下,两种半导体同时被激发,光生电子在内建电场的作用下,从p型半导体快速迁移到n型半导体上,而n型半导体中留在价带上的空穴则快速迁移到p型半导体上,这样光生电子-空穴对就得到了有效的分离.在以Z型载流子迁移为主导的异质结构材料中摈弃了中间媒介,通过控制界面的载流子迁移使低能量的光生电子与空穴直接复合保留高能量的光生电子-空穴,从而提高了材料的光催化效率.本文介绍了纳米异质结光催化剂在设计合成方面的研究进展,总结了几种纳米异质结(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氢气方面的研究进展,并展望了研究发展方向.期望本文能够加深研究者对该领域的理解,为今后高效光催化材料的设计提供帮助和指导.     

功能化Cu2O光催化研究进展

光催化技术是利用太阳能解决能源短缺和环境污染等问题的有效方法之一.因此,开发一种具有高效光催化活性的光催化材料具有重要意义.Cu₂O是一种窄带隙的P型半导体材料,因其成本低、制备方法简单以及高可见光活性被广泛应用于光催化、传感和储能材料等领域.本文主要结合氧化亚铜光催化机理概述了功能化氧化亚铜光催化性能研究进展,介绍了杂原子掺杂、贵金属负载、半导体复合、碳材料复合以及三元复合材料等改性方法,最后对氧化亚铜基光催化材料的应用前景做出了展望.     

纳米异质结光催化剂制氢研究进展（英文）

随着世界经济的迅猛发展,人们生活水平飞速提高的同时,能源短缺和环境污染成为当前人类可持续发展过程中的两大严峻问题.氢作为一种能源载体,能量密度高,可储可运,且燃烧后唯一产物是水,不污染环境,被认为是今后理想的无污染可再生替代能源.20世纪60年代末,日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体TiO_2电极可导致水分解,使人们认识到了利用半导体光催化分解水制氢可直接将太阳能转化为氢能的可行性,利用半导体光催化分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一.然而,单相光催化材料的光生电子和空穴复合仍然严重,光催化制氢效率低,无法满足实际生产需要;另外,单相光催化材料不能同时具备较窄的禁带、较负的导带和较正的价带.近年来,国内外学者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理论等领域开展了大量研究工作.不断有不同种类的半导体材料被研究和发展为光催化分解水制氢催化材料.例如,具有可见光催化活性的阴、阳离子掺杂TiO_2,具有可见光下光解纯水能力的In_(0.9)Ni_(0.1)TaO_4,在256 nm紫外光辐照下量子效率达到56%的镧掺杂NaTaO_3,CdS以及(AgIn)_xZn_(2(1-x))S_2等.在现有的光催化材料中,单相光催化材料可以通过掺杂、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修饰等提高其光催化活性.复合型光催化材料则能通过组合不同电子结构的半导体材料并调控其光生载流子迁移获得优异的光催化制氢性能,大幅拓展了光催化制氢材料的研究范围和提升了光催化制氢性能.构建异质结能够有效提高光生电子-空穴分离效率,促使更多的光生电子参与光催化制氢反应,提高其氧化还原能力,从而提高其光催化制氢效率.在I-型纳米异质结中,半导体A的价带高于半导体B,而导带则是前者高于后者,光照时,光生电子-空穴对的迁移速率是不同的,延长了光生电子的寿命,从而提高了材料的光催化活性.但是在I-型异质结中,电子和空穴都集中在B半导体上,这样光生电子-空穴对的复合几率仍然很高.II-型异质结中电子和空穴的富集处各不相同,因此使用范围也更广泛一些.光辐照激发时,光生电子从半导体B的导带迁移到半导体A的导带上,而空穴则从半导体A的价带向半导体B的价带上转移,从而形成了载流子的空间隔离,有效抑制其复合.但是,在这个类型的异质结中,光生电子转移到了相对位置较低的导带,而空穴则转移到相对位置较高的价带,这样就降低了光生电子的还原能力和空穴的氧化能力.pn型异质结中,在两种半导体相互接触时,由于电子-空穴对的扩散作用,两种半导体的能带发生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在两种半导体异质结的界面处会产生空间电荷层,在这个电荷层的作用下,在异质结界面上形成内建电场.在合适波长的光源辐照的条件下,两种半导体同时被激发,光生电子在内建电场的作用下,从p型半导体快速迁移到n型半导体上,而n型半导体中留在价带上的空穴则快速迁移到p型半导体上,这样光生电子-空穴对就得到了有效的分离.在以Z型载流子迁移为主导的异质结构材料中摈弃了中间媒介,通过控制界面的载流子迁移使低能量的光生电子与空穴直接复合保留高能量的光生电子-空穴,从而提高了材料的光催化效率.本文介绍了纳米异质结光催化剂在设计合成方面的研究进展,总结了几种纳米异质结(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氢气方面的研究进展,并展望了研究发展方向.期望本文能够加深研究者对该领域的理解,为今后高效光催化材料的设计提供帮助和指导.     

镧系离子掺杂的近红外复合光催化剂的合成研究进展

近红外光能量占太阳能的44%,但是传统半导体光催化剂难以利用近红外光,因此制备近红外光催化剂是近几年来的研究热点。本文阐述了镧系离子掺杂的近红外光催化剂催化的基本原理,综述了镧系离子掺杂上转换纳米材料/半导体复合近红外光催化剂的合成方法及特点,重点介绍了外延生长法,静电纺丝法与化学组装法。并对这些近红外光催化材料在光降解污染物和光解水领域的应用进行了总结并对其应用前景进行了展望。     

镧系离子掺杂的近红外复合光催化剂的合成研究进展

近红外光能量占太阳能的44%,但是传统半导体光催化剂难以利用近红外光,因此制备近红外光催化剂是近几年来的研究热点。本文阐述了镧系离子掺杂的近红外光催化剂催化的基本原理,综述了镧系离子掺杂上转换纳米材料/半导体复合近红外光催化剂的合成方法及特点,重点介绍了外延生长法,静电纺丝法与化学组装法。并对这些近红外光催化材料在光降解污染物和光解水领域的应用进行了总结并对其应用前景进行了展望。     

太阳能光催化制氢研究进展

随着人类社会的快速发展和传统能源的急剧消耗,能源紧缺和环境污染已经成为制约人类社会可持续发展的重要因素,构建清洁的环境友好的可再生新能源体系是当前各国高度关注的焦点和重大战略.在众多绿色环保、可持续新能源选项中,半导体光催化制氢因其可利用清洁可再生的太阳能制取高效清洁氢能,有望完全解决能源紧缺和环境污染问题,成为最有应用前景的技术之一. 本文通过概述半导体光催化制氢原理、半导体光电化学及光电稳定性、半导体光催化制氢效率,重点介绍半导体光催化剂、光生电荷分离及光催化制氢体系等方面若干新进展,并对太阳能光催化制氢技术的发展加以评述和展望.     

Colloidal hybrid heterostructures based on II–VI semiconductor nanocrystals for photocatalytic hydrogen generation

Hydrogen generated through the photochemical cleavage of water using renewable solar energy is considered to be an environmentally friendly chemical fuel of the future, which neither results in air pollution nor leads to the emission of greenhouse gases. The photocatalytic materials for water cleavage are required to perform at least two fundamental functions: light harvesting of the maximal possible part of the solar energy spectrum and a catalytic function for efficient water decomposition into oxygen and hydrogen. Photocatalytic systems based on colloidal semiconductor nanocrystals offer a number of advantages in comparison with photoelectrochemical cells based on bulk electrodes: (i) a broad range of material types are available; (ii) higher efficiencies are expected due to short distance charge transport; (iii) large surface areas are beneficial for the catalytic processes; (iv) flexibility in fabrication and design which also allows for tuning of the electronic and optical properties by employing quantum confinement effects. The presence of co-catalysts on colloidal semiconductors is an important part of the overall design of the photocatalytic colloidal systems necessary to maximize the water splitting efficiency. This review article discusses the rational choice of colloidal nanoheterostructured materials based on light-harvesting II–VI semiconductor nanocrystals combined with a variety of metal and/or non-metal co-catalysts, with optimized light harvesting, charge separation, and photocatalytic functions.     

Carbon-based H2-production photocatalytic materials

Photocatalytic hydrogen production from water splitting is of promising potential to resolve the energy shortage and environmental concerns. During the past decade, carbon materials have shown great ability to enhance the photocatalytic hydrogen-production performance of semiconductor photocatalysts. This review provides a comprehensive overview of carbon materials such as CNTs, graphene, C₆₀, carbon quantum dots, carbon fibers, activated carbon, carbon black, etc. in enhancing the performance of semiconductor photocatalysts for H₂ production from photocatalytic water splitting. The roles of carbon materials including supporting material, increasing adsorption and active sites, electron acceptor and transport channel, cocatalyst, photosensitization, photocatalyst, band gap narrowing effect are explicated in detail. Also, strategies for improving the photocatalytic hydrogen-production efficiency of carbon-based photocatalytic materials are discussed in terms of surface chemical functionalization of the carbon materials, doping effect of the carbon materials and interface engineering between semiconductors and carbon materials. Finally, the concluding remarks and the current challenges are highlighted with some perspectives for the future development of carbon-based photocatalytic materials.     

Water splitting on composite plasmonic-metal/semiconductor photoelectrodes: evidence for selective plasmon-induced formation of charge carriers near the semiconductor surface

A critical factor limiting the rates of photocatalytic reactions, including water splitting, on oxide semiconductors is the high rate of charge-carrier recombination. In this contribution, we demonstrate that this issue can be alleviated significantly by combining a semiconductor photocatalyst with tailored plasmonic-metal nanostructures. Plasmonic nanostructures support the formation of resonant surface plasmons in response to a photon flux, localizing electromagnetic energy close to their surfaces. We present evidence that the interaction of localized electric fields with the neighboring semiconductor allows for the selective formation of electron/hole (e(-)/h(+)) pairs in the near-surface region of the semiconductor. The advantage of the formation of e(-)/h(+) pairs near the semiconductor surface is that these charge carriers are readily separated from each other and easily migrate to the surface, where they can perform photocatalytic transformations.     

半导体氧化物光催化裂解水制氢

本文综述了半导体氧化物光催化裂解水制氢的反应机理，以及近年来半导体光催化裂解水制氢的研究进展。讨论了各种因素对材料光催化性能的影响以及改性方法，并对今后的研究方向提出了一些建议。     

半导体氧化物光催化裂解水制氢

本文综述了半导体氧化物光催化裂解水制氢的反应机理,以及近年来半导体光催化裂解水制氢的研究进展。讨论了各种因素对材料光催化性能的影响以及改性方法,并对今后的研究方向提出了一些建议。     

光催化CO2转化为碳氢燃料体系的综述

传统化石能源燃烧产生CO₂引起的地球变暖和能源短缺已经成为一个严重的全球性问题. 利用太阳光和光催化材料将CO₂还原为碳氢燃料, 不仅可以减少空气中CO₂浓度, 降低温室效应的影响, 还可以提供碳氢燃料, 缓解能源短缺问题, 因此日益受到各国科学家的高度关注. 本文综述了光催化还原CO₂为碳氢燃料的研究进展, 介绍了光催化还原CO₂的反应机理, 并对现阶段报道的光催化还原CO₂材料体系进行了整理和分类, 包括TiO₂光催化材料, ABO₃型钙钛矿光催化材料, 尖晶石型光催化材料, 掺杂型光催化材料, 复合光催化材料, V、W、Ge、Ga基光催化材料及石墨烯基光催化材料. 评述了各种材料体系的特点及光催化性能的一些影响因素. 最后对光催化还原CO₂的研究前景进行了展望.