Small:钼酸铋基光催化剂

随着人口的快速增长和化石燃料的急剧消耗,能源短缺和环境污染已经成为现阶段及未来人类亟需解决的难题。光,是地球上一切生命的源泉,植物积累养分、动物获得免疫、大自然维持稳定生物钟皆由阳光掌控。不仅如此,光还蕴藏着巨大的能量。据报道,尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一,但已高达173,000TW,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤,每秒照射到地球的能量则为1.465×1014焦。可再生能源概念的提出,将全球科学家的目光转移到太阳能的有效转化上来,以期得到的化学能或电能代替传统化石能源,减少温室气体的排放,治理环境污染。

光催化作为太阳能转化的一个重要分支,在能源及环境等多个领域受到了广泛而深入的研究。钼酸铋(γ-Bi2MoO6)既是优质的黄色涂料,更是高性能的可见光催化剂,它的无毒性、化学稳定性高、廉价、电子结构可调节等特点得到了学者们的普遍认可。然而,受限于其自身较弱的内建电场,外界激发产生的电子-空穴对快速复合,严重限制了Bi2MoO6的光催化活性;此外,较低的氧化还原电位也限制了其在能源转化领域的应用。

为全面概述Bi2MoO6基光催化剂的最新研究进展,湖南大学环境学院黄彬彬教授及合作者在Small杂志上发表了综述性文章(Modulation of Bi2MoO6-Based Materials for Photocatalytic Water Splitting and Environmental Application: a Critical Review)。在该综述中,研究人员从钼酸铋组成结构出发,详细介绍了钼酸铋的晶体结构(α,β,γ)和光电化学性质,阐明γ-Bi2MoO6相较其他两种晶型更适合做光催化剂的原因。论文进一步总结了γ-Bi2MoO6改性的五种手段和机理,包括:(1)调控形貌使其暴露更多活性位点,缩短光生电荷到达催化剂表面的距离;(2)引入掺杂原子或构造缺陷,形成中间能级,延长电荷寿命;(3)在催化剂表面沉积金属形成肖特基势垒,并利用金属的SPR效应扩展光吸收范围,产生更多的光生电荷;(4)将Bi2MoO6与其他催化剂(金属硫化物、水滑石、金属氧化物、金属有机骨架等)耦合构建异质结构,实现有效的电荷分离;(5)利用碳材料的导电性促进电子的转移,特别是碳量子点和石墨烯量子点,通过上转换作用拓展催化剂吸光范围至近红外区。最后,论文概述了现阶段γ-Bi2MoO6基光催化剂在能源与环境领域的主要应用。

基于现阶段Bi2MoO6材料设计合成中的机遇和挑战,作者提出如下几点展望:(1)将周期性孔结构与晶面调控联用,同时实现增大与底物的接触面积和高效利用光能;(2)理论计算与原为表征相结合研究光转化机理和催化活性位点;(3)构筑原子级催化剂或复合物,充分暴露活性位点;(4)利用Z型结构实现全解水和CO2还原。相关论文发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201901008)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。