Small Structures:由内至外的半导体工程用于光催化二氧化碳还原:从近期进展到新趋势

人类活动将过量的二氧化碳排放到大气中,给地球的生态环境造成了负担。自然界通过地质封存的方法将二氧化碳埋藏起来,转化为化石燃料,但这需要万年以上的时间跨度。光催化技术通过模拟植物光合过程,利用太阳能快速有效地将二氧化碳还原为碳氢化合物,或高附加值化工原料。目前研究者们通过各种结构设计手段优化光催化材料,不断追求更高的二氧化碳光还原效率。同时,也迫切需要对现有设计策略进行系统整理,理解结构调控的本质,并梳理出发展趋势,为设计出更优的光催化二氧化碳还原材料提供助力。

二氧化碳分子很稳定,其多电子还原反应要求很高的还原电位,对光催化材料的导带位置提出了较高要求,此外绝大多数半导体光催化剂面临光吸收不足、电荷复合快和表面活性位点缺乏等问题,致使二氧化碳还原反应的太阳能转化效率最高仅在1%左右,所以提高转化效率迫在眉睫。另外,还原产物多样(包括CO, CH4, CH3OH, HCOOH等),如何提高特定产物的选择性也是研究关注的热点。中国地质大学(北京)张以河教授、黄洪伟教授和纽卡斯尔大学马天翼博士系统总结近期光催化二氧化碳还原的研究进展,立足于光催化材料结构设计策略,在系统梳理纳米/微米结构、晶体与能带结构、表面结构和界面结构最新进展的同时,介绍了包括构建新型光催化结构体系和极化调控策略等结构设计新趋势。包括为对纳米/微米结构(如量子点、纳米线、纳米片等)、晶体与能带结构(如异原子掺杂、固溶体等)、表面结构(如活性晶面、表面位点修饰等)和界面结构(如肖特基结、Z型结等)的调控。对其在光吸收、电荷分离与表面反应过程中的单个或多个过程的提升机理进行着重分析。由于多种改性策略的耦合可以显著提升性能,故而着重阐释不同设计方法之间的关联。在研究趋势方面,介绍了共价有机骨架材料(COF)、半导体/生物复合体系、单原子体系等新型光催化结构体系,此外,在结构调控新策略中对极化进行了介绍。

希望通过对现有光催化材料结构调控方法的归纳和梳理,促进多种改性方法协同运用提高光催化二氧化碳效率;现有设计手段的机理还需深入挖掘,并发展新策略;二氧化碳还原过程的机理也需要深入研究,以此推进二氧化碳光还原领域的前进。本综述近期发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000061)上。