Small Methods: 单原子光催化研究进展综述

当前世界能源经济中约88%依赖于化石能源,然而化石能源的日益减少以及气候环境的不断恶化,已经严重影响社会的可持续发展和我们的健康生活;此外,由于化工染料、农药残留等引起的水资源污染同样也严重威胁我们的身体健康。基于纳米半导体材料的光催化技术不仅能够利用太阳能将简单的小分子,如H2O和CO2直接转化为燃料(如H2,高附加值化学燃料CH4、CH3OH等),还能够有效降解水中的有机污染物,为上述问题的解决带来曙光。然而,目前光催化材料的活性依然受限于催化剂内部光生载流子的严重复合以及催化剂表面有限的活性位点,导致光催化效率远低于实际应用要求。为此,通常将贵金属纳米颗粒沉积在半导体光催化剂表面作为活性位点,以捕获光生载流子,实现光生载流子的快速分离和表面催化反应过程的加速。与这种传统的异质金属/半导体光催化材料不同,单原子光催化剂能够实现金属原子的最大利用率,极大增加光催化剂的活性位点,降低催化材料的成本;同时,负载在半导体表面的金属单原子具有独特的不饱和配位环境,呈现出优异的催化活性,提升了每个催化位点的本征活性。因此,近年来,单原子光催化成为异相催化领域中极受关注的新兴研究方向之一。

近日,来自西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室的沈少华教授课题组的综述文章“Single Metal Atom Photocatalysis”总结了单原子光催化的研究进展。首先,该综述从单原子催化剂的几何配位环境和电子结构两方面对单原子催化剂的结构特性进行了概述,指出其优异的催化性能来自单原子独特的几何和电子结构。其次,该综述从多种策略,包括减小颗粒尺寸、原子级控制合成、单原子锚定位点构建、空间限域及其他合成途径,对当前单原子的可控制备进行了仔细梳理和详尽叙述。随后,作者从光催化的实际应用出发,总结了单原子光催化剂在光催化产氢、光催化CO2还原及光催化降解三个方面应用的优势,并分别综述了最新研究进展。最后,作者对单原子光催化进行了总结和展望,分别从单原子构效关系、催化剂材料原子级制备与调控、单原子光催化本质与机理等三方面提出单原子光催化的今后发展方向与研究重点。

相关综述文章在线发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800447)。