Solar RRL:缺陷工程在太阳能转换中的应用

在化石能源日益枯竭的今天,清洁太阳能的转化和利用成为当前研究的热点。半导体光催化技术可以利用太阳能来驱动一系列重要的化学反应,将低密度的太阳能转化为高密度的化学能或降解污染物,在解决能源和环境问题方面具有广阔的应用前景。催化反应往往发生在催化材料表面,为此,光催化材料的表面调控成为研究热点,尤其缺陷化学的研究得到广泛关注,利用缺陷工程调控光催化材料的光吸收、电荷分离与传输与光催化性能已取得系统的研究进展。

今日,大连理工大学孙立成院士、侯军刚教授梳理了缺陷工程在太阳能转换中的应用,总结了缺陷工程在光催化应用领域的研究进展以及未来工作面临的机遇与挑战。其一,基于三大经典缺陷类型(点缺陷,线缺陷,面缺陷和体缺陷),综合归纳了现有被开发并广泛应用的缺陷光催化材料的合成方法与途径,主要包括化学还原法,热处理和外力辅助过程等。其二,晶体中缺陷一般会引起晶格畸变,形成电子或者空穴的分离或复合中心,直接影响催化活性。然而,研究者发现缺陷使原子周围的配位数降低,从而裸露更多的活性位点,提升催化活性。那么,缺陷在光催化过程中究竟扮演着怎么样的角色?作者们总结了缺陷工程在光催化过程中光吸收特性、电荷分离与传输效率以及表面的催化活性方面的影响,对缺陷类型在光催化过程中扮演的角色提供了指导。其三,研究者通过观察与表征光催化材料的缺陷,从原子层面理解光催化材料的结构与性能的关系。通过电镜类(HRTEM、HAADF-STEM和AFM等)和光谱类(EXAFS、XANES、EPR、EELS、PAS和TA等)等先进表征技术与手段来探究缺陷工程在调控太阳能转换过程中光催化剂的光吸收性能、光生电荷转移与分离以及光催化材料表面反应动力学的作用,从而揭示光催化剂内缺陷的原子结构与光催化活性之间的联系。虽然光催化材料的缺陷表征技术已经不再罕见,但缺陷的可视化表征与定量分析仍然捉襟见肘。其四,因缺陷的存在显著改变光催化材料的电子结构与化学特性,作者们总结了缺陷工程在太阳能分解水、二氧化碳还原、氮气还原、分子氧活化、污染物降解以及太阳能电池等应用领域的研究进展。尽管缺陷工程在太阳能转换领域已经取得了长足的进步和发展,但挑战与机遇同在,比如半导体光催材料中缺陷稳定性仍然是研究者们亟待解决的一大挑战性问题,如何明确缺陷型光催化材料中缺陷在光吸收性能、光生电荷转移与分离以及光催化材料表面反应动力学的作用是未来需要深入探索的关键科学问题。该综述为缺陷工程在太阳能转化领域的认识和理解提供了新的思路。

相关论文以“Defect engineering of photocatalysts for solar energy conversion”为题在线发表在Solar RRL上(DOI: 10.1002/solr.201900487)。