Small綜述：三維有序大孔（3DOM）材料在光催化應用中的最新進展

不可說 5個月前 (03-30) 1101瀏覽

一、【導讀】

? ? ? ? 隨著人類社會的加速發展和大規模工業化，能源短缺、全球變暖、環境污染等挑戰日益嚴峻。光催化技術利用可再生太陽能和催化劑，是緩解能源短缺問題和實現環境修復的有前途的方法之一。開發高效、穩定、可回收的光催化劑對于實現光催化技術的實際應用至關重要。最近，各種半導體，如TiO2，MoS2，g-C3N4，和BiOX [X=Cl, Br, and I]已在光催化領域得到發展。然而，大多數半導體催化劑的光吸收有限，光生電子-空穴對復合速率快，反應位點少，導致光催化活性較差，無法在實際規模上利用。因此，已經做出了大量努力來提高催化劑的光催化性能，例如形態調節，摻雜元素，和構建異質結構。具有多孔結構的光催化劑由于具有較大的比表面積和豐富的活性位點，有利于光子捕獲和光生電荷的分離，引起了研究人員的極大興趣。此外，在多孔結構上負載助催化劑被認為是進一步提高催化劑光催化性能的可行途徑。盡管已有有了一部分對光催化領域的3DOM材料綜述，但大多數都集中在3DOM材料的制備和應用上。光催化的基礎理論、3DOM材料的制備、3DOM材料的結構與性能及其對光催化性能的影響鮮有全面且系統的綜述。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 上海電力大學郭瑞堂教授團隊簡要介紹了3DOM材料的概述，基于3DOM材料的光催化原理，總結了3DOM材料在光催化方面的優勢和3DOM材質的制備。詳細闡述了3DOM材料的結構和性能，并系統性討論了3DOM對光催化性能的影響。此外，系統地研究了3DOM材料作為負載型催化劑在光催化領域的最新研究進展。這項工作能夠為研究人員在未來構建基于3DOM的光催化系統提供大量的靈感，并鼓勵更多的研究人員探索和拓寬3DOM在光催化領域的應用。

? ? ? ?相關研究工作以“Recent Progress of Three-dimensionally Ordered Macroporous (3DOM) Materials in Photocatalytic Applications: A Review”為題刊登在材料科學TOP期刊Small上。

三、【核心創新點】

  • 介紹了3DOM材料的概述、基于3DOM材料的光催化原理以及3DOM材料在光催化方面的優勢。
  • 總結了3DOM材質的準備并詳細描述了3DOM材料的結構和性能，簡要討論了它們對光催化性能的影響。
  • 系統地研究了3DOM材料作為負載型催化劑在光催化領域的最新研究進展。

四、【數據概覽】

圖1 (a,b)代表性蛋白石和反蛋白石的SEM圖像。? 2021 Elsevier Inc.

圖2 光催化過程的例證。? 2023 Wiley-VCH Inc.

圖3 (a)3DOM-CNW的光催化還原機理；(b)組建IEF。? 2022 Elsevier Inc.

圖4 CCT法制備3DOM材料過程示意圖。? 2021 Elsevier Inc.

圖5 (a,c)PS-bcc、(e)PS-fcc、(b,d)3DOM /-四方晶系、(f)3DOM /-六方晶系的SEM圖像。? 2017 Elsevier Inc.

圖6 (a)3DOM NaTa的制備過程示意圖；(b)3DOM 的光催化生產機制的說明。? 2022 Elsevier Inc.

圖7 (a)紫外-可見光譜；(b) PL光譜，斬波I-t曲線；(c)帶420 nm濾光片(d)帶570nm濾光片；(e)3DOM Au-CPB可能的光催化機制。? 2022 Elsevier Inc.

圖8(a)吸附的CO2的電荷密度分布；(b)3DOM CdSQD/NC上的原位FTIR光譜；(c)CdS和CdSQD/NC表面的自由能圖。? 2021 Wiley-VCH Inc.

圖9(a)紫外-可見光譜；(b)PL光譜；(c)3DOM-CNPTC可能的光催化CO2還原機理；(d)CO2-TP曲線。? 2020 Elsevier Inc.

五、【成果啟示】

? ? ? ? ?本研究全面總結了3DOM材料在光催化中的基本原理，并詳細討論了3DOM材料的制備方法、結構和性能及其對光催化性能影響的最新進展。與其他多孔結構相比，3DOM結構不僅具有更大的比表面積，而且具有優異的傳質性能和獨特的光學性能，這對于提高光催化活性至關重要。3DOM結構的大孔體系雖然有利于反應物的傳輸和擴散，但會影響結構的穩定性和光學性能。因此，3DOM結構的集成控制對于提高光催化性能至關重要。此外還總結了CO2還原、光催化H2釋放和污染物降解。近年來，雖然3DOM材料在光催化領域取得了重大的研究進展，但距離商業化應用還很遙遠，在很多方面仍值得進一步研究：

1、3DOM材料的大孔形貌會導致結構不穩定。3DOM材料的制備策略涉及不同的方法，每種合成方法都有其優缺點，必須根據不同和所需應用的結構、紋理和功能要求進行選擇。

2、3DOM材料的光催化活性與實際應用的理想活性還相差甚遠。其他策略包括元素摻雜、缺陷引入和異質結的構建，應考慮在3DOM支撐材料中進行合理設計，以進一步提高3DOM材料的活性。

3、需要開發更多類型的材料與3DOM材料耦合關聯，以獲得更高的催化活性，結合多種材料的優點，積極構建多面復合材料。

4、3DOM作為光催化CO2還原應用的支撐材料研究較少，需要投入更多的研究。光催化還原CO2的反應途徑、產物選擇性、光催化機理等仍不清楚，需要結合更多的表征方法和理論計算進一步研究。

3DOM材料在結構和光學上的優勢，證明了3DOM材料在光催化領域巨大的發展潛力，亟待拓展3DOM材料及3DOM基復合材料在光催化領域的應用。

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原文詳情：https://doi.org/10.1002/smll.202207767

本文由早早供稿

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