Solar RRL:2D/2D基Z型异质结在光催化应用中的研究进展

随着人类社会和经济的快速发展,人类所面临的能源危机和环境污染问题也越来越严重。开发一种能够生产新型清洁能源和解决环境污染问题的新技术具有非常重要的意义。光催化技术能够通过利用源源不断的太阳能来进行分解水制氢、CO2还原制备燃料和污染物的降解,因此,被认为是解决能源和环境污染问题最具前景的策略之一。经过多年的发展,光催化技术及应用取得了极大的发展。但是,单一半导体光催化剂有限的光吸收能力、不充足的光生载流子的分离效率和氧化还原能力依旧制约着其在实际生活中的应用。

目前,二维(2D)层状材料因具有一些独特的物理化学性质在光催化领域得到了广泛的研究。例如,相对于传统块体的材料,2D层状材料普遍具有大的比表面积、短的光生载流子的扩散距离、丰富且有用的催化活性位点等等。此外,构建合理的异质结构可以有效地促进光生载流子的分离。尤其是Z型异质结,它不仅继承了传统II型异质结的优点,同时,独特的光生载流子传输路径可以有效保留了异质结体系的强的氧化还原能力。在众多异质结堆叠结构中,面与面的2D/2D堆叠结构具有更多的优点,如大的接触面积、丰富的电荷传输通道和缩短的电荷传输距离,可以实现光生载流子的有效转移和分离。针对2D材料、2D/2D堆叠和Z型异质结的诸多优点,加拿大国立科学研究院的马冬玲课题组的刘小磊博士和张清哲博士详细总结了2D/2D基Z型异质结在光催化应用中的研究进展,其中包含了Z型异质结的发展历史、构建Z型异质结的要求、验证Z型异质结的方法、光催化中常见2D材料的分类、2D/2D堆叠在光催化中的优势及2D/2D基Z型异质结在光催化中的应用(光催化分解水产氢、CO2还原和污染物的降解)。

尽管2D/2D基 Z型异质结在各种光催化应用中取得了令人鼓舞的进展,但仍然存在着需要解决的挑战。最后,作者对于2D/2D基 Z型异质结在光催化中的发展提出了一些建议:(1)开发更有效的低价的大规模和高效的制备2D材料的合成方法;(2)开发保护策略,继续发掘一些在空气和液体下不稳定的2D材料的潜能,如黑磷;(3)开发更有效的合成方法来获得高质量的且大接触界面的2D/2D堆叠结构;(4)更多先进的技术需要被采用来更清楚地表征2D/2D接触界面和Z型电荷传输机理;(5)更多的改性措施可以应用在2D/2D基 Z型异质结中,如掺杂、修饰高效的助催化剂、优化2D材料的层厚和界面性质等。我们相信这项全面的综述将有助于推动2D/2D基Z型异质结在光催化剂领域的进一步发展。相关论文在线发表在Solar RRL(DOI:10.1002/solr.202000397)上