二維光催化材料

董帆

電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院，環(huán)境與能源催化研究中心，成都 611731

二維納米材料是一類性能獨(dú)特且有良好前景的光催化材料。二維材料表面原子排列通常與塊體材料不同，對表面性質(zhì)和界面電荷轉(zhuǎn)移有顯著影響，展現(xiàn)出獨(dú)特的表/界面特性。近年來，各類二維納米材料合成方法和表面改性策略的快速發(fā)展，在光催化性能提升和能源環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用等方面發(fā)揮了重要作用。本?？埩藦氖鹿獯呋芯康膶W(xué)者，分享了他們在二維光催化材料方面的最新研究成果。這些成果可為實(shí)現(xiàn)二維光催化材料的可控合成、構(gòu)-效關(guān)系建立、光催化效率提升和反應(yīng)機(jī)理揭示等方面提供理論基礎(chǔ)。本專刊共收錄論文12 篇，包括綜述4 篇、研究論文8 篇。

近年來，二維光催化材料的合成方法和改性研究方面得到了快速發(fā)展。呂康樂等1綜述了典型的二維光催化材料g-C3N4的制備研究進(jìn)展，通過對比分析現(xiàn)有方法，討論了g-C3N4納米片制備所面臨的問題和挑戰(zhàn)，并展望了未來的發(fā)展方向。黃宇等2回顧了近年來利用缺陷工程策略，來實(shí)現(xiàn)對g-C3N4表面電子結(jié)構(gòu)和能級結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以增強(qiáng)光捕獲、光生載流子分離-遷移和目標(biāo)分子吸附/活化能力，并總結(jié)了二維g-C3N4在光催化凈化大氣方面的研究進(jìn)展。董帆等3從光吸收、電荷分離和活性位點(diǎn)三個方面，綜述了二維光催化材料表面設(shè)計(jì)和電子結(jié)構(gòu)調(diào)控策略的最新研究進(jìn)展，并總結(jié)了電子結(jié)構(gòu)調(diào)控對二維光催化材料凈化典型空氣污染物反應(yīng)機(jī)理的影響機(jī)制。

在環(huán)境光催化應(yīng)用方面，周瑩等4以二維BiOI為模型材料，通過復(fù)合BN 納米片，實(shí)現(xiàn)了BiOI富氧晶面的選擇性暴露。暴露的表面晶格氧原子可以直接參與到NO的氧化反應(yīng)中，顯著增強(qiáng)BiOI的NO 氧化活性。王海強(qiáng)等5實(shí)現(xiàn)了非晶態(tài)TiO2層在NH2-UiO-66 MOF 表面的包裹，制備了核殼結(jié)構(gòu)的NH2-UiO-66@TiO2催化劑。得益于增強(qiáng)的光吸收能力與異質(zhì)結(jié)的建立，復(fù)合催化劑的可見光催化甲苯降解效率達(dá)到76.7% (3 h)。王海強(qiáng)等6通過一步水熱法，制備了稀土金屬La 摻雜的BiOI微球(二維BiOI 納米片組裝體)。通過調(diào)變La 摻雜量，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料帶隙結(jié)構(gòu)與氧空位的優(yōu)化，其可見光催化NO 氧化性能與穩(wěn)定性相比于純相BiOI 得到顯著提升。黃海保等7利用自制固定床連續(xù)流反應(yīng)器，通過浸漬法成功制備了磷酸根修飾的Mn 摻雜介孔TiO2催化劑。得益于磷酸根修飾和Mn 摻雜的協(xié)同作用，復(fù)合材料在甲苯的真空紫外光解協(xié)同催化氧化工藝中，實(shí)現(xiàn)了臭氧的完全消除，并有效強(qiáng)化了甲苯的降解效率。展思輝等8采用溶劑熱法合成了一種新型NiO/g-C3N4光電類芬頓體系，應(yīng)用于水體中環(huán)丙沙星的光催化降解。相比于傳統(tǒng)芬頓體系，新型光電類芬頓體系展現(xiàn)了更寬的pH 適應(yīng)范圍和更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。敖志敏等9采用密度泛函理論計(jì)算方法，構(gòu)建了單原子Ti 和V 負(fù)載的單層MXene-Ti2CO2模型。通過研究H2S 分子在這類單原子催化劑表面的吸附和催化解離行為，證實(shí)了單原子Ti 和V 的負(fù)載可誘導(dǎo)Ti2CO2表面電荷的重新分配，從而改善H2S分子與Ti2CO2之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)光催化活性的顯著提升。

在光催化CO2還原應(yīng)用方面，曹少文等10通過簡單的水熱法，實(shí)現(xiàn)了FeNi 層狀雙氫氧化物助催化劑在g-C3N4納米片上的負(fù)載，獲得二維/二維FeNi-LDH/g-C3N4復(fù)合光催化材料。通過改變FeNi-LDH 的負(fù)載量，實(shí)現(xiàn)光催化CO2還原活性的調(diào)變。復(fù)合材料的甲醇最高產(chǎn)率達(dá)到 1.64 μmol·h?1·g?1，是純相g-C3N4的6 倍。此外，在光催化水分解方面，張高科等11以共軛聚合物(SCN)n為前驅(qū)體，實(shí)現(xiàn)了Ni2P/類石墨碳氮化物光催化劑的制備。復(fù)合材料的可見光產(chǎn)氫效率達(dá)到了623.77 μmol·h?1·g?1，顯著優(yōu)于貴金屬Pt 基CN 樣品的產(chǎn)氫效率。另外，鐵基化合物具有半導(dǎo)體/金屬的特性和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，其可作為出色的助催化劑，用于改善催化劑的電導(dǎo)率和對水的吸附性能，在協(xié)同增強(qiáng)光催化水分解方面展現(xiàn)了出色的潛力。基于此，王其召等12綜述了羥基氧化鐵、鐵基層狀雙氫氧化物以及鐵基鈣鈦礦等常見二維鐵基材料的結(jié)構(gòu)、合成方法和光催化水分解應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展。

二維光催化材料近年來已成為環(huán)境與能源催化領(lǐng)域的明星材料，擁有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景，存在很大的研究空間和機(jī)會。我們希望該?？転橄冗M(jìn)二維光催化劑的設(shè)計(jì)構(gòu)建及應(yīng)用提供指導(dǎo)，并為深入理解二維材料光催化反應(yīng)過程與反應(yīng)機(jī)理提供幫助。