Advanced Energy Materials:光催化二氧化碳还原中二维材料的研究进展

二氧化碳的捕获和利用是解决温室效应最有力的手段之一。利用大自然丰富的太阳能驱动二氧化碳还原反应实现人工光合作用,是促进碳循环和实现二氧化碳高附加值利用的一种有效方式,能够缓解能源危机和全球变暖并极具应用前景。

与块状材料相比,二维材料具有较大的比表面积、更多的活性位点、更短的载流子迁移距离等优点。但传统的二维半导体仍面临着带隙较宽、电子-空穴重组率高、光催化活性、选择性受限等问题,导致整个光催化二氧化碳转化过程的效率低下。针对以上问题,来自华中科技大学的李忠安教授、游波教授、夏宝玉教授团队合作,在Advanced Energy Materials上发表题为“Engineering 2D Photocatalysts toward Carbon Dioxide Reduction”的综述文章(DOI:10.1002/aenm.202003159)。合作团队系统综述了二维材料的修饰策略在光催化二氧化碳还原领域理论和实验研究的最新进展。作者按照由内到外的顺序介绍了提高光催化活性和选择性的催化剂修饰策略,包括以下几个方面:(i)缺陷工程,包括空位设计和杂原子掺杂等;(ii)表面修饰,包括修饰表面官能团和金属配合物等;(iii)构建二维复合材料,包括助催化剂和构建异质结等。经过优化后的二维材料具有(1)合适的带隙,提高对光的吸收能力;(2)较多的缺陷位点,提供了额外的活性位点;(3)较低的光生载流子重组率,提高整个体系的催化转化效率等等优势。这些新型二维材料的设计对于二氧化碳再生利用具有重大意义。最后,作者们讨论了该领域研究存在的问题和挑战,针对催化剂作用机理的精确表征、理论计算和机器学习与实验研究的系统结合,新型二维催化材料的设计和规模化制备,以及一系列修饰策略应用领域的拓展等方面提出了建议。