Advanced Materials:结构相催化氧化还原反应在能源及环境中的应用

基于化石燃料的能源危机和环境问题驱动着科学界研发具有环保,可持续,低成本的新兴能源技术,如通过水分解和二氧化碳还原来获取氢能和碳氢燃料。具有出色选择性,高活性和稳定性的氧化还原反应催化剂材料是这些技术的关键。材料的组成取决于化学计量比;但是,在相同化学计量比下,材料的性能与晶体结构密切相关。结构相工程,用于开发面向能源和环境应用的功能导向的新型相材料,正逐步成为当今研究热点。

近日,Advanced Materials上发表了题为“Structural-Phase Catalytic Redox Reactions in Energy and Environmental Applications”的综述文章。

本综述建设性总结了纳米至原子级别的结构相工程策略在可持续能量转换方面的应用。该策略研究如何通过相工程改变材料内在特性,进而调控表面反应动力学,对氧化还原活性产生影响。在过去几年,该策略已成功用于光,电和光电催化产氢,氧还原,产氧,全解水和二氧化碳还原反应。通过总结,我们发现结构相工程在该领域中的技术进步,包括通过控制材料的多元参数,如材料的结晶度,化学成分,表面状态,形貌,带隙,激子离解,带电载流子(电子和空穴)迁移率,界面能带对准,氧化还原电势等。迄今为止,科学研究与实际应用之间仍然存在间距。为实现高效可靠的能量转换,需要对上述多个参数进行更全面和深入的了解,以实现氧化还原反应的选择性,活性和稳定性的协同效果。

结构相工程还可以应用于高级氧化水处理。目前研究最多的高级氧化催化剂主要是纳米尺度的光(电)催化剂以及类芬顿反应催化剂。采用不同的相工程策略,如离子掺杂,缺陷与空位调控,前躯体选择,应力工程,热处理调控,许多具有多相组分或者单一相组分的催化剂材料已被成功合成,并应用于高级氧化中。通过汇总最近几年的文献报道,该综述详细总结了单一相组分的金属氧化物(比如氧化钨,氧化锰等)应用于电催化降解水相污染物,并总结了各相结构之间的性能差异。在光以及光电催化高级氧化中,多相和单相工程策略都可以发挥巨大作用。通过调控半导体材料(比如二氧化钛,氧化铁,硫化钼等)的不同相比例,相形貌从而构建合适的多相异质结,其电子结构,能带结构,吸光度,表面活性,相稳定性,以及导电性都可以得到优化并且展现出高效的光及光电催化污染物降解活性。而单一相组分的半导体材料主要通过调控合成方法来改变材料形貌进而优化其吸附性能以及光(光电)催化降解活性。最后,该综述还总结了相工程策略在最近热门的类芬顿高级氧化中的应用。通过形貌控制,同相组分的催化剂可以不同程度的激活过硫酸盐,从而产生氧活性物种用于污染物的降解。而通过相比例调控,多相催化剂也可以展现出不同的过硫酸盐激活性能。

最后,该综述展望了基于低维相变材料的能源转换和环境处理的机遇和挑战,并为基于原子层二维材料的相工程设计提供新的思路。这些经过精心结构相调控的材料,将为会纷繁妙曼的新能源开发与环境保护写下新的音符。

该综述发表于Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201905739),澳大利亚国立大学Nasir Uddin博士是本文第一作者,澳大利亚国立大学殷宗友教授,澳大利亚阿德莱德大学王少彬教授,南开大学杜亚平教授为论文通讯作者。