Materials Today: 晶體刻面光催化劑的最新發展——太陽能轉化和環境應用的設計和相關性能

【引言】

基于半導體的光催化材料被廣泛用于將CO₂光還原為可再生燃料，將水分解為H₂和O₂以及對污染物進行光降解，這是解決未來日益惡化的環境問題和能源危機的有前途的方法。科學家們為了設計各種類型的半導體光催化劑，例如TiO₂，ZnO，SrTiO₃，CeO₂，WO₃，Fe₂O₃和CdS，做出了巨大的努力。然而，由于高的載流子復合率，不適合捕獲可見光譜光的帶隙能量，表面的氧化還原反應效率低，光催化過程的效率仍然很低。由于表面反應是光催化過程中的關鍵步驟之一，因此半導體的光催化活性固有地通過表面原子結構的調整來確定。可以通過光催化劑的晶面工程微調和優化不同的表面原子排列和相關的電子結構。被高折射率小平面所包圍的光催化劑具有較高比例的配位不足的原子，通常表現出較高的催化活性。特定的表面能和分子與晶體表面的相互作用是導致高光催化性能的原因。晶體刻面工程可以調整表面原子結構，表面自由能，表面空位，異質/均質結的形成，空穴/電子的有效質量以及助催化劑位點的負載，從而影響這些關鍵因素。如分子在光催化反應中的吸附和活化，電子能帶結構以及電荷轉移和分離。盡管有大量研究對TiO₂依賴的光催化應用進行了廣泛介紹，但近年來也對許多有前途的光催化劑進行了廣泛研究，例如Bi₂VO₄，Zn₂GeO₄，Bi₂WO₆，Ag₃PO₄和BiOCl等。因此，基于晶面的光催化劑的進展報道十分必要。

【成果簡介】

近日，南京大學周勇教授和安徽工業大學李海金教授在這篇研究進展綜述中總結了除TiO₂之外，最受關注的光催化劑的晶體刻面相關性能的最新技術進展。它包括（1）通過改變表面能的相對順序，設計具有多種途徑的暴露于晶面的光催化劑；（2）基于晶體小面的表面結，促進電荷轉移和分離；（3）原位技術，用于檢測晶面表面上的電荷積累；（4）暴露于表面的光催化在水分解中的應用，將CO₂光還原為可再生燃料，從反應物吸附和活化的角度降解有機污染物。文章還介紹了未來發展的挑戰和前景。該成果以題為“State-of-the-art advancements of crystal facet-exposed photocatalysts beyond TiO₂: Design and dependent performance for solar energy conversion and environment applications”最近發表在Mater. Today上。

【圖文導讀】

Figure 1.晶體面暴露的光催化劑在光催化應用中的主要因素的示意圖

Figure 2.{0 0 1}和{0 1 0}面中的內部電場

Figure 3.在BiVO₄上進行選擇性光沉積

Figure 4.BiVO₄性能表征

（a）單個BiVO₄晶體的拓撲圖像

（b）在單個BiVO₄晶體的不同位置獲得的空間分辨SPV光譜

（c）具有不同形態的單一BiVO₄光催化劑上的各向異性電荷分布示意圖

（d）在不同小面的空間電荷區域中具有相對強度的內置電場的示意圖

Figure 5.圖示（左）是在TiO₂上由非熒光DN-BODIPY光催化生成熒光HN-BODIPY的結果，以及在488下于Ar飽和DN-BODIPY溶液中固定在蓋玻片上的TiO₂晶體的透射圖（右）

Figure 6.使用便捷的電化學處理部分還原Bi³⁺和V⁵⁺可有效改善具有（040）刻面的晶體面設計的BiVO₄膜的體積和表面電荷分離

Figure 7.TEM表征

（acd）六面體棱鏡錨定的八面體CeO₂的TEM圖像

（be）HRTEM圖片

（f）CeO₂六面體棱鏡臂和八面體界面的HRTEM圖像

（g）二氧化碳光還原成CH₄的示意圖

Figure 8.SEM表征和光催化活性表征

（ab）Ag₃PO₄菱形十二面體和Ag₃PO₄立方體的SEM照片

（cd）Ag₃PO₄菱形十二面體，立方體和球體以及N摻雜的TiO₂在可見光照射下對MO和RhB的光催化活性

【總結】

定制具有最佳反應性面的半導體晶體被認為是提高光催化活性和能量轉化以及環境修復選擇性的有效策略之一。通過晶面工程對表面原子結構的排列可以調節表面自由能，電子能帶結構，電荷轉移和分離，反應物吸附和產物解吸以及表面氧化還原位點。這篇綜述旨在簡明地突出除TiO₂以外有希望的光催化劑在晶體方面的依賴性能的最新技術進展。它包括（1）通過改變表面能的相對順序，設計具有多種途徑的暴露于晶面的光催化劑；（2）基于晶體小面的表面結，促進電荷轉移和分離；（3）原位技術，用于檢測晶面表面上的電荷積累； （4）暴露于表面的光催化在水分解中的應用，將CO₂光還原為可再生燃料，從反應物吸附和活化的角度降解有機污染物。

文獻鏈接：State-of-the-art advancements of crystal facet-exposed photocatalysts beyond TiO₂: Design and dependent performance for solar energy conversion and environment applications. Mater. Today, 2019, DOI: 10.1016/j.mattod.2019.09.003.

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