太阳能—化学能转化的钥匙:全太阳光谱响应的光催化剂

环境和能源问题把太阳能的利用推到了科学与技术研究前沿,在太阳能利用的各种方案中,光催化实现太阳光能量转化为化学能的过程是一个非常重要的研究领域。目前,材料方面,能够通过能带调控、复合材料构建等,实现光催化过程的宽太阳光谱响应;基础原理方面,利用能带调控、异质结构、外源场等提升了光催化过程中载流子的利用效率,结合催化活性面调控、助催化剂辅助等,使得光催化在太阳能转化为化学能方面取得了长足的进展。对近期研究成果和新方案、新理论的总结分析,可以明确光催化领域的研究现状,指导寻找光催化研究方向和实现重点突破。

AENM-liuhong

近日,山东大学的刘宏、桑元华团队以光催化光谱响应范围拓展为主线,以太阳光能量转化为化学能为讨论的载体,在光解水产氢、光催化CO2还原固定、有机聚合等,和催化反应方面,总结和讨论了近期在光催化光谱响应范围拓展和光生载流子利用效率提升方面的新方法、新理论。文章从光催化太阳光能量转化的基本原理开始,介绍了紫外光催化的目前应用,然后拓展到可见光响应光催化,其中在能带结构调控方面主要讨论了缺陷引入带来的宽谱光吸收与载流子陷阱浓度增加的平衡对全光谱光催化效率的影响,以及利用晶体结构应力实现能带调控两种方案体系。在异质结构构建实现宽谱光吸收和高效载流子输运方面,利用可见光响应催化剂复合材料和空穴传输材料增强载流子分离的讨论对新方案进行探讨,并讨论了新型异质结构能带关系:z-scheme类型异质结构。特别讨论了近红外光响应的光催化及作为近红外光催化重要补充的光热催化。

文章最后,按照光催化的主要用途,讨论了太阳能向化学能的转化现状和瓶颈:在污水处理方面,光谱响应范围拓展与降解效率之间需要探寻一个平衡,并且针对不同类型的污水,光催化的选择需要有所调整;绿色合成方面,光催化剂主要作为能源提供介质,助催化剂的选择和协同作用更需要引起关注;光解水产氢方面,实现真正的光解水,避免牺牲剂的使用是目前的重点;CO2还原方面,效率和选择性是限制其发展的核心因素;光热催化方面,需要关注光热材料与催化剂的系统作用。

本文发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700473)上,第一作者是山东大学王晓宁和王孚雷博士。

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