Nano-Micro Lett.:二維納米材料在光催化和電催化上的異同:策略、機遇、應用和挑戰


【引言】

開發新型的可再生能源是解決日益嚴峻的環境問題和能源危機的關鍵。因此,催化在開發可持續能源和保護環境方面受到了廣泛關注。光催化是半導體光催化劑利用光生分離的電子-空穴對加速氧化還原反應;電催化是一種特殊的催化形式,可以加速電極和電解質界面之間和反應物和電極之間的電荷轉移。光催化和電催化都可以用于水分解和污染處理。為了提高光催化和電催化性能,具有良好導電性和大表面積的二維納米材料受到了廣泛的關注。與傳統的三維(3D)塊狀納米材料相比,具有非凡的穩定性和活性的原子級薄的二維(2D)納米材料成為貴金屬(如鉑和銠)的替代品。因此,多種原子級薄二維納米材料的合成和催化應用取得了快速發展。但是對合理設計高效二維納米材料催化劑和構建工業規模應用的研究仍然不夠全面。因此,需要對最新的研究成果進行全面的概述并提出新見解,明確其反應過程,促進其工業應用。

【成果簡介】

近日,中國中央民族大學李傳波教授寧波工程學院楊為佑研究員以及中國科學院北京納米能源與納米系統研究所楊亞研究員(共同通訊作者)等人全面概述了二維納米材料中光催化和電催化的異同的最新研究成果。分析了提高二維納米催化劑性能的策略和機遇,指出了光催化和電催化的系列問題。討論了二維納米催化劑的特征及其催化應用。最后,指明了二維納米催化劑的機遇、挑戰和發展方向。相關成果以Differences and Similarities of Photocatalysis and Electrocatalysis in Two-Dimensional Nanomaterials: Strategies, Traps, Applications and Challenges”發表在Nano-Micro Letters上。

【圖文導讀】

1 二維納米催化劑的反應位點數量、表面/界面特征、電子狀態和能帶結構策略示意圖

2 提高催化活性的策略

(a)g-C3N4@TiO2的核殼結構促進了載流子分離;

(b)K摻雜的g-C3N4納米材料增強的可見光吸收、有效的載流子分離和強氧化能力;

(c)Ni-Fe LDH納米籠具有可調節的外殼、最佳的化學成分以及較大的電活性表面積。

3 二維納米材料中不同催化系統的特點

4 二維納米材料的結構示意圖

(a)石墨烯和石墨氮化碳;

(b)單元素化合物;

(c-e)TMD、COF和MXene;

(f-g)LDH、BiOX、h-BN和MOF。

5 基于自頂向下和自底向上方法的二維納米材料的合成策略

6 二維納米材料的催化降解應用

(a)在紫外光下,直接半導體單晶BiOCl納米片光降解污染物結果;

(b,c)在紫外光下,BiOCl和BiOCl-OH的光催化染料降解圖。

7 層狀異質結構黑磷/石墨氮化碳(BP/CN)納米材料的高效光催化分析

8 高質量、大橫向尺寸和低異常結構缺陷的BP/gC3N4納米片的光催化產H2性能

9 層狀雙氫氧化物(LDH)納米片的電催化析氧反應(OER

10 CoCo-LDH-2D納米網絡的電催化OER反應

11 二維納米材料的高效光催化CO2轉化

(a,b)超薄2D Zn-MOF納米片將CO2光還原為CO;

(c-e)2D ZnO納米材料選擇性光還原CO2

12 二維BiOCl納米片的光子消融腫瘤作用

【結論和展望】

本文總結了二維納米材料在光催化和電催化方面研究的最新成果。概述改善催化性能的新興策略,包括:增強光吸收能力、增加反應位點、加速載流子分離和電荷遷移以及改善表面反應。與傳統的塊狀納米催化劑相比,二維層狀納米材料在光催化和電催化領域表現出特定的優勢,如:暴露于更多的活性位點,更有利于反應物擴散和更大的比表面積。此外,通過改變層厚度、表面改性和外部刺激來優化這些材料,可以提高材料的穩定性、電氣和機械性能。二維納米催化劑的研究進展和未來方向旨在解決一系列問題和挑戰,總結如下:

(1)二維納米材料的可控制備是催化實際應用的關鍵。化學氣相沉積和液相法是制備二維層狀納米材料的方法。最近,開發出的原位表征設備能夠檢測材料合成過程中的熱力學和動力學反應,有助于分析二維納米材料的生長機制。除了在受控微環境中制備二維納米催化劑方面外,限制合成的也是一種重要的生長方法,其能夠在分子水平上精確控制二維納米材料的合成。

(2)催化活性與二維納米催化劑的結構和表面特性密切相關。二維納米材料的結構和表面特性與其尺寸(層間距、厚度和橫向尺寸)、暴露的表面原子密度、表面雜質的存在、附加官能團和表面能態有關。

(3)復合結構的二維納米材料因其具有不同程度各向異性的兩種或多種化合物,為設計多功能特性的二維納米復合材料提供了可能性。因此,二維納米材料的未來方向可能涉及制備夾心結構、密閉空間結構和強電子相互作用。此外,耦合多個系統也為多種機制協同運作提供了新的機會。例如,壓電半導體同時具有壓電效應和光伏效應。通過結合這兩種效應,可以通過耦合壓電效應和光伏效應的內部電場來增強光催化活性。

(4)結合實驗結果和理論分析建立合適的模型,有助于理解二維納米材料的催化機制。目前對二維納米材料的催化研究,側重于催化活性的增強,而不是催化機制的特征。2D納米材料和3D塊狀材料的維數控制能帶隙位置的機制和影響仍不清楚。迄今為止,二維納米材料的理論催化機理仍不能輕易應用于實際復雜的反應體系,因此關于催化機理的理論仍值得研究。

(5)催化劑實際應用狀態也是應用的關鍵所在。當二維納米材料以松散粉末的形式使用時,容易會結塊,限制其應用。將二維納米材料固定到基材上能夠提高其易用性。例如,二維納米材料可以外延生長在其他材料的表面,組裝成泡沫,或者負載在碳纖維紙或鎳泡沫上以增強催化活性。

文獻鏈接Differences and Similarities of Photocatalysis and Electrocatalysis in Two-Dimensional Nanomaterials: Strategies, Traps, Applications and Challenges(Nano-Micro Letters DOI: 10.1007/s40820-021-00681-9)。

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