Small Structures:用于光催化分解水的过渡金属基助催化剂

1、研究背景

随着全球经济的不断发展,人类对能源需求日益增加。如今化石燃料仍是主要能源来源,但由于其不可再生性和使用中带来的诸多环境问题,迫切需要寻求可持续的、环境友好的替代能源来减少对化石燃料的依赖。太阳能被广泛认为是一种丰富、清洁、可再生的能源,可满足人类目前和未来的能源需求。因此,如何将太阳能转化成可利用的能源形式受到了科学界高度关注。在过去的几十年里,将太阳能转化为零碳、清洁的氢气燃料的半导体基光催化分解水制氢技术得到了广泛研究,然而光生载流子易复合、界面反应较慢限制了太阳能利用效率和催化产氢性能。引入助催化剂为加快界面反应提供了一种可行的解决方案,对提高光催化整体性能具有重要意义。贵金属及其化合物是公认的高性能助催化剂,但其地球储量少、价格高昂限制了大规模使用。因此,非贵金属基助催化剂的研制成为提高光催化分解水性能的前沿科学问题。近年来,许多非贵金属助催化剂相继被开发,其中过渡金属基助催化剂由于其独特的物理化学性质和电子结构,具有易获得、成本低、活性高、稳定性好等优势,成为了光催化分解水中理想的非贵金助催化材料之一,受到了高度重视。

2、文章概述

清华大学朱永法教授领导的环境与能源催化研究团队,在多年从事过渡金属基助催化剂研究的基础上,在Small Structures系统综述了过渡金属基助催化剂在光催化分解水中的研究进展,江南大学赵辉副教授为第一作者,董玉明教授和朱永法教授为通讯作者。

首先,总结了光催化分解水中过渡金属基助催化剂的基本原理,包括助催化剂的类别、助催化作用、沉积方法、影响因素、助催化机理、改性策略和设计考虑。其次,基于过渡金属基助催化剂的类型和作用,从还原助催化剂、氧化助催化剂和还原-氧化双助催化剂三方面,重点概述了助催化性能、功能作用、构效关系和协同机制。最后,展望了过渡金属基助催化剂在光催化分解水领域发展的关键挑战和未来方向。本文不仅介绍了过渡金属基助催化剂的研究进展,而且还详细讨论了它们的诱导机理,为光催化分解水中高效、稳定、低成本助催化剂的理性设计和开发提供了重要的理论基础。

  • 图文导读

图1 过渡金属基助催化剂分类和作用

图2 用于光催化分解水中过渡金属基助催化剂的内容概述

论文信息:

Transition-Metal-Based Cocatalysts for Photocatalytic Water Splitting

Hui Zhao,# Liang Jian,# Ming Gong, Mengyang Jing, Haixia Li, Qinyi Mao, Tongbin Lu, Yinxin Guo, Rong Ji, Wenwen Chi, Yuming Dong*, Yongfa Zhu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100229