Zongpeng Wang a,b, Zhiping Lin a,c, Shijie Shen a,c, Wenwu Zhong a,c,*, Shaowen Cao b,#

伴随着人类文明的快速发展,一些危机慢慢显露出来,例如能源危机、环境污染和全球变暖.2019年5月11日, Mauna Loa天文台报告,大气中的二氧化碳水平超过415 ppm,达到人类历史上的最高记录,欧盟随后于2019年11月宣布了气候紧急状态.因此,绿色能源技术已成为迫切需求,以减少化石燃料的使用,并减少污染物的产生.光催化是直接利用太阳能的技术,可以应用于水分解产氢、CO2还原、降解有机污染物、促进有机物合成等,是解决能源和环境问题的最有前途的技术之一.光催化剂是光催化技术的核心.目前,许多半导体材料可作为光催化剂,并已被充分地研究,例如TiO2、Cd S、ZnO、Bi VO4和C3N4等.然而,单一的半导体材料具有一些缺点,阻碍了它们的实际应用.其中,限制这些半导体材料光催化活性的一个关键问题是,光生电子–空穴对容易快速复合而不是参与光催化反应.例如, ZnO中激子的寿命估计仅为数百皮秒,大多数激子来不及参与到氧化还原反应中.为了抑制电子-空穴对的复合,需要应用特殊的策略.构建异质结光催化材料已成为最有前途的方法之一.通常,可以根据相邻材料的能带结构,将异质结分为以下几种类型:PN型异质结, II型异质结, Schottky型异质结和S型异质结.以上异质结大都是由两种半导体材料复合而形成的.除此之外,还可以根据形成异质结的特殊材料,补充两种特殊的异质结类型,即晶面异质结和石墨烯基异质结.晶面异质结是由同一材料,由于暴露不同的晶面而形成的.石墨烯具有独特的能带结构、极大的比表面积及优良的导电性,可以与其他半导体形成各种类型的异质结.这些异质结材料能有效抑制电子-空穴对的复合,从而提高材料整体的光催化活性,也已成为光催化剂家族的重要分支.本文详细介绍了以上各种类型的异质结光催化剂的最新进展,概述了实现高性能异质结光催化剂的基本策略,并对异质结光催化剂未来发展方向进行了一些探讨.     

ZnIn2S4纳米片与WO3纳米棒构建3D结构的S型异质结用于可见光光催化分解水产氢(英文)

氢气是一种清洁能源,利用太阳能进行光催化分解水产氢,因为节能和环保,吸引了国内外学者的广泛关注.但是,半导体光催化材料普遍存在可见光吸收范围窄和光生载流子易复合等问题,导致光催化效率不高.半导体耦合是拓展光吸收范围,并促进光生载流子空间分离的有效策略之一.能带相互交错的两种半导体复合,可以形成传统的Ⅱ型异质结,但是这种耦合方式削弱了光生电荷的氧化还原能力.相对传统Ⅱ型异质结光催化材料的不足,余家国教授提出了S型异质结的概念,它通常由两种n型半导体光催化剂组成,其中能带位置较高的为还原型光催化剂(RP),能带位置较低的是氧化型光催化剂(OP).形成S型异质结的关键是接触界面处存在由RP指向OP的内电场.受内建电场的驱动,S型异质结界面电子和空穴的流向与传统Ⅱ型光催化剂完全不同.由于保留了光生电子和空穴具有较强的还原和氧化能力,S型异质结在热力学上更有利于光催化氧化与还原反应.本文以硫代乙酰胺为硫源,采用低温溶剂热法(乙二醇中110℃反应2 h),在氧化型光催化剂(1D的WO₃纳米棒)表面原位生长还原型光催化剂(2D的ZnIn₂S₄     

1D/2D TiO2/ZnIn2S4S型异质结光催化剂及其高效制氢性能

通过半导体催化剂利用太阳能分解水制氢被认为是解决人类面临的环境问题和能源危机的有效途径.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂由于其良好的光化学稳定性、无毒性、丰富的形貌以及低廉的价格,在光催化制氢领域备受关注.然而TiO₂的内在缺陷,如较宽的带隙、较窄的光响应范围,光生电子空穴对的快速复合,极大限制了其太阳能制氢效率.构建异质结结构被认为是解决以上问题的一个有效方法,通过将TiO₂与另一个半导体复合可以提升催化剂对太阳光的吸收范围,也可降低光生电子空穴对的复合速率.但构建一个成功的异质结结构不仅要满足上述的要求,还需要保留异质结催化剂体系中光生电子和空穴的氧化还原能力.研究表明,S型异质结是将两个具有合适能带结构的半导体进行耦合,由于费米能级的差异,两个半导体间将发生电子转移,从而引起能带弯曲并形成内建电场.光照条件下,具有较弱还原能力的光生电子在内建电场和能带弯曲的作用下与较弱氧化能力的光生空穴复合,实现异质结催化剂体系中各个半导体内部光生载流子有效分离的目标,同时保留了异质结催化剂体系中较强氧化能力和较强还原能力的光生电子和空穴,进而实现光催化活性的提高.本文采用水热合成方法,将具有更强还原能力和可见光响应特性的半导体(ZnIn₂S₄)原位生长在TiO₂纳米纤维表面,构建了1D/2DTiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂.最优比例的TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料表现出优越的光催化制氢活性(6.03mmol/h/g),分别是纯TiO₂和纯ZnIn₂S₄制氢活性的3.7倍和2倍.TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料光催化活性的提高可以归因于紧密的异质结界面、光生载流子的有效分离、丰富的反应活性位点以及增强的光吸收能力.通过原位XPS和DFT计算研究了异质结内部光生电子的转移机制.结果表明,在光照条件下电子由TiO₂向ZnIn₂S₄迁移,遵循了S型异质结内部电子的转移机制,实现了TiO₂和ZnIn₂S₄内部光生载流子的有效分离,同时保留了具有较强还原能力的ZnIn₂S₄价带电子和较强氧化能力的TiO₂导带空穴,从而显著提升光催化制氢效率.综上,本文制备的TiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂很好地克服了TiO₂在光催化制氢领域所面临的诸多障碍,为设计和制备高效异质结光催化剂提供了新的思路.     

用于改进H2O2制备的1D/0D异质结的ZnIn2S4@ZnO S型光催化剂(英文)

过氧化氢作为一种绿色氧化剂,被广泛应用于食品工业、有机合成、医疗消毒和污水处理等领域.目前,大多数用于工业生产的过氧化氢是通过蒽醌法制备.传统的蒽醌法能耗高、有机副产物多、环境污染严重,因此,利用清洁的太阳能进行半导体光催化生产过氧化氢备受关注.其中,ZnO半导体因其高稳定性、无毒性、良好的生物相容性和合适的导带位置而成为一种潜在的过氧化氢生产材料.然而,单一的ZnO在光催化生产过氧化氢中面临着许多问题,如载流子分离效率低、可见光吸收弱等,从而导致其较低的光催化性能.因此,多种策略被用于解决上述问题,如掺杂非贵金属元素、晶面调控和异质结构构建等.在这些改性策略中,异质结构建被认为是提高光催化性能最有效的方法之一,特别是S型异质结因其较好的氧化还原能力和电子转移特性而备受关注.S型异质结通常由一个氧化型光催化剂和一个还原型光催化剂组成,在两者的接触界面上形成内建电场,促使无用的载流子复合,从而保留更多具有强氧化还原能力的空穴和电子,以此提高异质结光催化性能.ZnIn₂S₄具有合适的带隙和高导带位置,可以作为还原型光催化剂与ZnO构建S型异质结,...     

g-C3N4/Bi8(CrO4)O11S型异质结的自组装制备及其光催化降解诺氟沙星和双酚A(英文)

近年来,抗生素的过度使用导致水体严重污染,威胁着生态环境安全和人体健康.太阳光驱动的半导体光催化技术被认为是一种有效去除污染物的手段.由于单一半导体光催化剂的多种缺陷,构建具有可见光响应和强氧化/还原能力的异质结光催化剂是去除有机污染物的有效途径.Bi₈(CrO₄)O₁₁(BCO)作为一种新发现的可见光响应半导体,由于较正的价带位,使得其在光催化污染物降解和水氧化方面显示了潜在的应用价值.然而,快速的载流子复合抑制了其活性.石墨相氮化碳(g-C₃N₄,CN)作为不含金属的半导体备受关注,其不仅具有可见光响应、环境友好和电子结构可调等优点,而且二维结构和较负的导带位使得CN更容易与其它半导体形成异质结光催化剂.因此,氧化型的BCO和还原型的CN结合构成异质结,有望形成S型载流子转移,从而提高光生电子-空穴对的分离效率,进而提高光催化降解污染物的活性.本文通过自组装方法制备了一系列新型CN基异质结CN/BCO.CN/BCO异质结光催化降解诺氟沙星(NOR)和双酚A(BPA)的最优比...     

可见光诱导Z型V2O5/g-C3N4异质结催化未活化烯烃串联反应(英文)

半导体光催化剂是一种极具前景的绿色催化剂,广泛用于污染物降解、水解制氢和有机合成等领域,有望利用太阳能来解决能源和环境问题,是当前的研究前沿和热点.然而,单组分半导体光催化剂的光生电子和空穴容易复合,导致量子效率差和光催化效率低.近年人们发现,将两种或多种催化材料结合,构建异质结光催化体系可有效促进光生电子-空穴分离.但传统的异质结体系中光生电子的还原性和光生空穴的氧化性通常在电荷转移后变弱,因此,很难同时具备高电荷转移效率和强氧化还原能力.研究发现,构建Z型异质结光催化体系不仅可以减少本体电子-空穴的复合,使其在不同半导体材料上实现空间分离,具有光谱响应宽、电荷分离效率高和稳定性高等优势,而且能保持良好的氧化还原能力.在半导体材料领域,石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种无金属聚合物半导体,具有良好的热化学稳定性、电学和光学特性,但存在量子效率低和适用范围窄等局限性.而五氧化二钒(V₂O₅)是一种重要的过渡金属氧化物半导体,由于具有良好的电学和光学性能被广泛用于锂离子电池、气敏传感器和光电器件.V...     

集成二维层状CdS/WO3S型异质结及金属化Ti3C2MXene基欧姆结高效光催化产氢

开发低成本的半导体光催化剂以实现可见光下高效、持久的光催化分解水产氢是一个非常具有挑战性的课题.近年来,具有高产氢活性的CdS光催化剂引起了人们的研究兴趣.但是光生电子-空穴对快速复合、反应活性位点不足以及严重的光腐蚀等问题,严重地制约了CdS在光催化领域的实际应用.构建S型异质结和负载助催化剂被认为是促进光生电子空穴分离和加速产氢动力学的有效策略.本文通过在低成本的WO₃和Ti₃C₂MXene(MX)纳米片上生长CdS纳米片,设计并构建了具有二维耦合界面的2D/2D/2D层状异质结光催化剂,以实现高效的可见光光催化分解水产氢.首先通过水热煅烧和刻蚀的方法分别制备了WO₃和MX纳米片,然后以乙酸镉和硫脲为原料在乙二胺溶剂中通过水热法合成了MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂.在可见光下,以乳酸为牺牲剂测试了光催化剂的产氢活性且经过4次连续的循环反应,MX-CdS/WO₃体系展现出良好的活性及稳定性.在可见光的照射下,MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂最高的可见光光催化分解水产氢速率达到了27.5 mmol/g/h,是纯CdS纳米片的11倍.与此同时,在450 nm的光照下,表观量子效率达到了12.0%.为了深入探讨其高效产氢机理,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、原子力显微镜、透射电镜、高分辨电子显微镜等对MX-CdS/WO₃体系的组成和结构进行分析.结果表明,实验成功地合成了CdS,WO₃和MX三种纳米片及其复合材料.通过紫外-可见漫反射光谱研究了样品材料的光吸收能力.通过表面光电压、稳态及瞬态荧光光谱等研究了材料的电荷载流子复合和转移行为,发现MX-CdS/WO₃的光生电子空穴对相比与纯CdS或者二元复合材料具有更高的分离效率.UPS和ESR等表征结果说明,材料内部电场的方向和在光照条件下光生载流子的迁移方向,从而证实了S型异质结和欧姆结的成功构建.综上,在MX-CdS/WO₃光催化剂体系中,S型异质结形成较强的界面电场能够有效促进CdS纳米片与WO₃纳米片之间光生电子-空穴对的分离.同时,二维Ti₃C₂MXene纳米片作为辅助催化剂,通过与CdS/WO₃纳米片构建欧姆结,进而提供大量的电子转移途径和更多的析氢反应活性位点,使得CdS光催化剂的光催化活性和稳定性得到了很大的提升.通过构建S型内建电场、欧姆结和2D/2D界面可以协同提高CdS纳米片的光催化性能,从而加速光生电子在异质结中的分离和利用.本文所采用基于S型异质结与欧姆结基助催化剂之间的耦合策略可以作为一种通用策略扩展到其它传统半导体光催化剂的改性中,从而推进高效光催化产氢材料的有效合成.     

反蛋白石结构ZnO@PDA用于增强光催化产H2O2性能

利用太阳能驱动生产高能量密度的H₂O₂太阳能燃料引起了广泛关注,但目前光催化剂缓慢的动力学限制了其实际应用。本文制备一种聚多巴胺(PDA)改性的反蛋白石结构ZnO(ZnO@PDA)光催化剂,用于可持续性的光催化产H₂O₂。由于电子的转移,因此当PDA与ZnO接触后,会在界面处形成一个从PDA指向ZnO的内建电场。在内建电场和能带弯曲的驱动下,ZnO导带中的光生电子与PDA最高占据分子轨道(HOMO)中的空穴复合,符合梯型异质结的电荷转移和分离途径。这种独特的梯型异质结确保了有效的电子或空穴的分离并且留存下具有强氧化还原能力的光生载流子。此外,与纯ZnO相比,反蛋白石结构的ZnO@PDA具有更强的光吸收能力。实验表明,归因于光吸收能力的提高,光生载流子的有效分离和强氧化还原能力,负载0.03% (原子分数) PDA的ZnO样品具有最佳的产H₂O₂性能(1011.4 μmol·L^-1·h^-1),分别是纯ZnO和PDA的4.4和8.9倍。     

新型氮氧化钽/氧空位钨酸铋S型异质结纤维用于高效光催化降解抗生素和还原六价铬:产物毒性分析和光催化机理研究（英文）

近年来,环境污染问题严重地威胁着人类的生存和健康.半导体光催化是一种绿色环保的治理环境污染技术,该技术实现大规模应用的关键在于构建高效的光催化剂.TaON因优异的光电性质、稳定的物理化学性质及适合的能带结构等优势,被广泛应用于光催化水裂解和有害污染物降解等领域.但光生载流子快速复合和比表面积小等问题严重制约了其大规模应用.近年来,人们发现构建新型S型异质结能有效促进光生电子和空穴分离,同时充分保存具有强氧化还原能力的电子和空穴,进而有效提升材料的光催化性能.因此,通过构建新型TaON S型异质结光催化材料有f望开发出高效的可见光光催化体系.本文采用静电纺丝-煅烧-氮化工艺制备出由纳米颗粒组成的多孔TaON纳米纤维,然后采用溶剂热法制得一系列富含氧空位的TaON/Bi₂WO₆ S型异质结纤维,并用于可见光照射下光催化降解抗生素和还原Cr⁶⁺.实验发现,富含氧空位的Bi₂WO₆二维纳米片均匀生长在TaON纳米纤维上形成了良好的1D/2D核壳结构,此异质结界面结构有利于界面间电荷的分...     

异质/同质相结高效光催化的研究进展:以相变构建为例

半导体光催化剂在环境处理和能量转换方面有着巨大的应用潜力,但由于电子-空穴对的复合作用,半导体光催化剂的光催化性能较低.相结的存在是提高电子-空穴分离效率及光催化活性的有效途径,对相结设计的深入研究是提高电荷转移性能和效率的有效手段.因此,相结光催化技术的发展,对于设计一个良好的相结和了解电子-空穴分离机理具有重要的意义.通常,相结的构建需要特殊的制备技术以及良好的晶格匹配.纳米异质结材料结合快速转移载流子的特点,具有小尺寸效应和颗粒限域效应的优点,且具有单组分纳米材料或体相异质结不具有的独特特性.纳米晶异质结可以促进光生电子的快速转移,根据两种半导体带的相对位置,异质结可分为I型、II型和III型,根据不同的电子转移途径可分为p-n型和Z-型.当p型半导体(空穴为多数电荷载流子)或n型半导体(电子为多数电荷载流子)密切接触时,由于能带和其它性质的差异,会形成结,并在结的两侧形成空间电位差.空间电位差的存在可以使产生光生载流子从一个半导体能级注入到另一个半导体能级,从而促进电子和空穴的分离,提高光催化效率.以p-n结为例,当它们在这两个区域共存时,它们的边界层形成一个薄的p-n结.由于p型区空穴浓度高, n型区电子浓度高,结处存在电子和空穴的扩散现象.在p-n结边界附近形成空间电荷区,从而在结内形成强的局域电场.在结的局部电场作用下,电荷在结两端累积形成电位差,后者作为驱动力可以有效地分离光生电荷.近年来,人们在纳米相结的设计和制备上做了大量工作以提高光催化剂活性.虽然异质结具有优良的性能,但异质结的成分和元素并不是单一的,它的形成也不是一步反应.首先,需要分别合成异质结的两个成分,反应复杂,耗时,不环保.与异质结相比,同一材料通过相变构建的结也能实现光生载流子的高效分离.同质化不需要引入其它要素,因此引起了大量关注.在相变过程中,大多数均由不同晶相的半导体形成,如锐钛矿型/金红石型TiO_2,α-β相Ga_2O_3或六方/立方Cd S.由于化学成分相同,半导体材料的能带结构不易改变.因此,对同晶材料的同质结研究较少.虽然已有几篇关于异质相结的综述论文,但通过对外部诱导相变法制备相结的回顾,仍可为读者提供有关该领域研究进展的新的认识.本文对低成本、高效率的相变思路在光催化领域中的应用进行了简要的总结,并对其在光催化领域中的应用前景进行了展望.     

Photocatalytic CO2 Reduction Using TiO2-Based Photocatalysts and TiO2 Z-Scheme Heterojunction Composites: A Review

Photocatalytic CO₂ reduction is a most promising technique to capture CO₂ and reduce it to non-fossil fuel and other valuable compounds. Today, we are facing serious environmental issues due to the usage of excessive amounts of non-renewable energy resources. In this aspect, photocatalytic CO₂ reduction will provide us with energy-enriched compounds and help to keep our environment clean and healthy. For this purpose, various photocatalysts have been designed to obtain selective products and improve efficiency of the system. Semiconductor materials have received great attention and have showed good performances for CO₂ reduction. Titanium dioxide has been widely explored as a photocatalyst for CO₂ reduction among the semiconductors due to its suitable electronic/optical properties, availability at low cost, thermal stability, low toxicity, and high photoactivity. Inspired by natural photosynthesis, the artificial Z-scheme of photocatalyst is constructed to provide an easy method to enhance efficiency of CO₂ reduction. This review covers literature in this field, particularly the studies about the photocatalytic system, TiO₂ Z-scheme heterojunction composites, and use of transition metals for CO₂ photoreduction. Lastly, challenges and opportunities are described to open a new era in engineering and attain good performances with semiconductor materials for photocatalytic CO₂ reduction.     

Emerging Light-Harvesting Materials Based on Organic Photovoltaic D/A Heterojunctions for Efficient Photocatalytic Water Splitting

Photocatalytic water splitting to hydrogen is a highly promising method to meet the surging energy consumption globally through the environmentally friendly means. As the initial step before photocatalysis, harvesting photons from sunlight is crucially important, thus making the design of photosensitizers with visible even near-infrared (NIR) absorptions get more and more attentions. In the past three years, organic donor/acceptor (D/A) heterojunctions with absorptions extending to 950 nm, have emerged as the new star light-harvesting materials for photocatalytic water splitting, demonstrating exciting advantages over inorganic materials in solar light utilization, hydrogen yielding rate, etc. This Minireview firstly gives a brief discussion about the principle processes and determining factors for photocatalytic water splitting with organic photovoltaic D/A heterojunction as photosensitizers. Thereafter, the current progress is summarized in details by introducing typical and excellent D/A heterojunction-based photocatalytic systems. Finally, not only the great prospects but also the most challenging issues confronted by organic D/A heterojunctions are indicated along with a perspective on the opportunities and new directions for future material explorations.     

Investigation of band offsets of interface BiOCl:Bi2WO6: a first-principles study

Density functional theory calculations are performed to study the band offsets at the interface of two photocatalytic materials BiOCl:Bi(2)WO(6). It is found that the W-O bonded interface shows the most stability. An intrinsic interface fails to enhance the charge-carrier separation due to the improper band alignment between these two materials. Sulfur (S) is proposed to replace the bulk oxygen (O) site and thus tune the band edges of BiOCl to enhance the photocatalytic performance of the heterojunction. Furthermore, the presence of S provides an extra charge to generate a clean interface with minimal gap states that also benefits carrier migration across the heterojunction.     

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.     

Photocatalytic and antifouling properties of TiO2-based photocatalytic membranes

Photocatalysis has been extensively studied due to its potential ability to avoid the excessive use of chemical reagents and reduce the energy consumption by employing solar energy. Moreover, to alleviate the reduction in the membrane permeation selectivity, separation efficiency, and membrane service life caused by the emerging micro-pollutants and membrane fouling, membrane technology is often coupled with microbial, electrochemical, and catalytic processes. However, although physical/chemical cleaning and membrane module replacement can overcome the inherent limitations caused by membrane fouling and other membrane separation processes, high operating costs limit their practical applications. In this review, common preparation methods for TiO₂ photocatalytic membranes are described in detail, and the main approaches to enhancing their photocatalytic performance are discussed. More importantly, the mechanism of the TiO₂ photocatalytic membrane antifouling process is elucidated, and some applications of photocatalytic membranes in other areas are described. This review systematically outlines future research directions in the field of photocatalytic membrane modification, including metal and non-metal doping, fabrication of heterojunction structures, control over reaction conditions, increase in hydrophilicity, and increase in membrane porosity.     

Ternary BiOBr/TiO2/Ti3C2Tx MXene nanocomposites with heterojunction structure and improved photocatalysis performance

The rational design and construction of heterojunction structure is an effective strategy to improve the photocatalytic performance. Herein, a series of BiOBr nanosheets-immobilized TiO₂/Ti₃C₂T_x MXene hybrid materials with heterojunction structure were synthesized by a facial one-step hydrothermal method. The ternary composites show outstanding performance as photocatalysts for the degradation of rhodamine B due to the optimized synergetic effects of BiOBr, TiO₂ and Ti₃C₂T_x. The improved photocatalytic performance is remarkably attributed to the construction of a heterojunction between TiO₂ and BiOBr due to their well-matching of energy band position, which can enhance the absorption for visible light and promote the transfer of photo-generated charge carriers. Moreover, Ti₃C₂T_x acts as an electron trap to further accelerate the separation of photo-generated electrons and holes.     

Z‐Scheme 2D/2D Heterojunction of Black Phosphorus/Monolayer Bi2WO6 Nanosheets with Enhanced Photocatalytic Activities

Black phosphorus (BP), a star‐shaped two‐dimensional material, has attracted considerable attention owing to its unique chemical and physical properties. BP shows great potential in photocatalysis area because of its excellent optical properties; however, its applications in this field have been limited to date. Now, a Z‐scheme heterojunction of 2D/2D BP/monolayer Bi₂WO₆ (MBWO) is fabricated by a simple and effective method. The BP/MBWO heterojunction exhibits enhanced photocatalytic performance in photocatalytic water splitting to produce H₂ and NO removal to purify air; the highest H₂ evolution rate of BP/MBWO is 21042 μmol g^?1, is 9.15 times that of pristine MBWO and the NO removal ratio was as high as 67 %. A Z‐scheme photocatalytic mechanism is proposed based on monitoring of ^.O₂^?, ^.OH, NO₂, and NO₃^? species in the reaction. This work broadens applications of BP and highlights its promise in the treatment of environmental pollution and renewable energy issues.     

利用硫化铋纳米颗粒增强类石墨相氮化碳的光生载流子分离效率和光催化活性（英文）

二氧化钛,氧化锌,磷酸铋等传统的紫外光响应光催化剂虽然具有良好的光催化性能,但是对太阳能利用率很低(紫外光只占太阳光能量的4%左右).近年来,类石墨相氮化碳(g-C3N4)受到了广泛的关注.g-C3N4的带隙约2.7 eV,它只能吸收460nm以下的光,对太阳能的利用率依然比较低.构筑异质结是一种有效的提高光催化活性的方法.BiOCl/g-C3N4,TiO2/g-C3N4, Bi2MoO6/g-C3N4, Al2O3/g-C3N4, Ag3PO4/g-C3N4等异质结光催化剂曾被广泛的报道.硫化铋是属于正交晶系的窄带隙半导体,它的带隙约1.3–1.7 e V.由于其独特的电子结构和光学特性,硫化铋在光催化,光检测器和医药成像等领域有着广泛的应用.另外,硫化铋还具有优异的光热转换性能,在光热癌症治疗领域有显著的效果.微波辅助法,水热法,惰性气体下高温煅烧法等都曾被用来合成g-C3N4/Bi2S3异质结光催化剂.不同的文献也提出了不同的催化机理.如何使用更简单环保的方法来合成g-C3N4/Bi2S3异质结光催化剂?电子和空穴的转移路径是怎样的?本文利用简单的低温方法合成了硫化铋,利用超声法得到了g-C3N4/Bi2S3异质结光催化剂,分析了其微观形貌,结构,并探讨了光催化的反应机理和提高光催化性能的因素.X射线衍射,傅里叶变换红外光谱, X射线光电子能谱和透射电子显微镜的结果表明,硫化铋纳米颗粒被成功地引入到g-C3N4中.使用亚甲基蓝为分子探针研究了所制材料在模拟太阳光下的光催化活性.结果发现, CN-BiS-2表现出最佳的光催化活性,是g-C3N4的2.05倍,是Bi2S3的4.42倍.利用液相色谱二级质谱联用分析了亚甲基蓝的降解路径.硫化铋的引入拓展了复合材料的吸收边,使其向可见光区红移,且在整个可见光区的光吸收能力都有明显的增强.光电流的增强和交流阻抗谱圆弧半径的减小,表明光生载流子的迁移与分离速率得到了增强.自由基捕获试验表明,最主要的活性物种是光生空穴,次之是羟基自由基和超氧自由基.在CN-Bi S-2样品中羟基自由基和超氧自由基的电子顺磁共振信号都比g-C3N4有明显的增强,表明复合样品中能够产生更多的羟基自由基和超氧自由基.基于光电流,交流阻抗,荧光光谱,自由基捕获和电子顺磁共振的结果,我们提出了高能电子由硫化铋转移到g-C3N4,同时空穴由g-C3N4转移到硫化铋的电子空穴转移机制.此外,红外热成像的结果表明, g-C3N4/Bi2S3异质结材料具有更强的光热转换能力,从而有利于加速光生载流子分离.     

石墨烯修饰三氧化钨/二氧化钛S型异质结增强的光催化产氢活性（英文）

太阳光驱动的光催化分解水产氢是利用太阳能解决当前能源危机和环境问题的理想策略.二氧化钛由于其稳定、环境友好和成本低等优点受到广泛研究,在光催化领域具有不可或缺的作用.然而,纯二氧化钛光催化剂具有光生电子-空穴复合率高、太阳能利用率低等缺点,使其在光催化产氢领域的应用受到限制.迄今为止,人们探索了多种改性策略来提高二氧化钛的光催化活性,如贵金属负载、金属或非金属元素掺杂、构建异质结等.通过复合两个具有合适能带排布的半导体来构建异质结可以大大提高光生载流子的分离,被认为是一种有效的解决方案.最近提出了一种新的S型异质结概念,以解释不同半导体异质界面载流子转移分离的问题.S型异质结是在传统Ⅱ型和Z型(液相Z型、全固态Z型、间接Z型、直接Z型)基础上提出的,但又扬长避短,优于传统Ⅱ型和Z型.通常,S型异质结是由功函数较小、费米能级较高的还原型半导体光催化剂和功函数较大、费米能级较低的氧化型半导体光催化剂构建而成.三氧化钨禁带宽度较小(2.4-2.8 eV),功函数较大,是典型的氧化型光催化剂,也是构建S型异质结的理想半导体光催化剂.根据S型电荷转移机制,三氧化钨/二氧化钛复合物在光辐照下,三氧化钨导带上相对无用的电子与二氧化钛价带上相对无用的空穴复合,二氧化钛导带上还原能力较强的电子和三氧化钨价带上氧化能力较强的空穴得以保留,从而在异质界面上实现了氧化还原能力较强的光生电子-空穴对的分离.同时,石墨烯作为一种蜂窝状碳原子二维材料,是理想的电子受体,在异质结光催化剂中能及时转移电子.而且,石墨烯具有较好的导热性和电子迁移率,光吸收强,比表面积大,可为光催化反应提供丰富的吸附和活性位点,已经被认为是一种重要催化剂载体和光电分解水产氢的有效共催化剂.本文采用简便的一步水热法制备石墨烯修饰的三氧化钨/二氧化钛S型异质结光催化剂.光催化产氢性能测试表明,三氧化钨/二氧化钛/石墨烯复合材料的光催化产氢速率显著提高(245.8μmol g^-1 h^-1),约为纯TiO2的3.5倍.高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱结果证明了TiO2和WO3纳米颗粒的紧密接触,并成功负载在还原氧化石墨烯(rGO)上.X射线光电子能谱中Ti 2p结合能的增加证实TiO2和WO3之间强的相互作用和S型异质结的形成.此外,复合材料中的rGO大大拓展了复合物的光吸收范围(紫外-可见漫反射光谱),增强了光热转换效应,而且rGO与TiO2之间形成肖特基结,促进了TiO2导带电子的转移和分离.总之,WO3和TiO2的S型异质结与TiO2和rGO之间的肖特基异质结的协同效应抑制了相对有用的电子和空穴的复合,有利于氧化还原能力较强的载流子的分离和进一步转移,加速了表面产氢动力学,于是增强了三元复合光催化剂的光催化产氢活性.     

Chemical‐Bond‐Mediated p–n Heterojunction Photocatalyst Constructed from Coordination Polymer Nanoparticles and a Conducting Copolymer: Visible‐Light Active and Highly Efficient

A visible‐light‐active p–n heterojunction photocatalyst has been synthesized by the enwrapping of poly[aniline‐co‐N‐(4‐sulfophenyl)aniline] ( PAPSA ) on a coordination polymer nanoparticle ( NCP ). Compared with the visible‐light‐inactive NCP , the new p–n heterojunction photocatalyst, PAPSA/NCP , exhibits a much higher efficiency in the reduction of Cr^VI under visible light. PAPSA performs two functions in this p–n heterojunction photocatalyst. First, as a visible‐light‐active material, it extends the photoresponse region of the photocatalyst from the ultraviolet to the visible‐light region. Secondly, as a p‐type semiconductor possessing suitable energy levels with respect to NCP , PAPSA forms a p–n heterojunction with the n‐type NCP ; the inner electric field of the p–n heterojunction accelerates the separation of electrons and holes, which enhances the photocatalytic efficiency. Furthermore, the p–n heterojunction photocatalyst exhibits outstanding stability during the photocatalytic reduction of Cr^VI.