Materials Today: 晶体刻面光催化剂的最新发展——太阳能转化和环境应用的设计和相关性能

【引言】

基于半导体的光催化材料被广泛用于将CO₂光还原为可再生燃料，将水分解为H₂和O₂以及对污染物进行光降解，这是解决未来日益恶化的环境问题和能源危机的有前途的方法。科学家们为了设计各种类型的半导体光催化剂，例如TiO₂，ZnO，SrTiO₃，CeO₂，WO₃，Fe₂O₃和CdS，做出了巨大的努力。然而，由于高的载流子复合率，不适合捕获可见光谱光的带隙能量，表面的氧化还原反应效率低，光催化过程的效率仍然很低。由于表面反应是光催化过程中的关键步骤之一，因此半导体的光催化活性固有地通过表面原子结构的调整来确定。可以通过光催化剂的晶面工程微调和优化不同的表面原子排列和相关的电子结构。被高折射率小平面所包围的光催化剂具有较高比例的配位不足的原子，通常表现出较高的催化活性。特定的表面能和分子与晶体表面的相互作用是导致高光催化性能的原因。晶体刻面工程可以调整表面原子结构，表面自由能，表面空位，异质/均质结的形成，空穴/电子的有效质量以及助催化剂位点的负载，从而影响这些关键因素。如分子在光催化反应中的吸附和活化，电子能带结构以及电荷转移和分离。尽管有大量研究对TiO₂依赖的光催化应用进行了广泛介绍，但近年来也对许多有前途的光催化剂进行了广泛研究，例如Bi₂VO₄，Zn₂GeO₄，Bi₂WO₆，Ag₃PO₄和BiOCl等。因此，基于晶面的光催化剂的进展报道十分必要。

【成果简介】

近日，南京大学周勇教授和安徽工业大学李海金教授在这篇研究进展综述中总结了除TiO₂之外，最受关注的光催化剂的晶体刻面相关性能的最新技术进展。它包括（1）通过改变表面能的相对顺序，设计具有多种途径的暴露于晶面的光催化剂；（2）基于晶体小面的表面结，促进电荷转移和分离；（3）原位技术，用于检测晶面表面上的电荷积累；（4）暴露于表面的光催化在水分解中的应用，将CO₂光还原为可再生燃料，从反应物吸附和活化的角度降解有机污染物。文章还介绍了未来发展的挑战和前景。该成果以题为“State-of-the-art advancements of crystal facet-exposed photocatalysts beyond TiO₂: Design and dependent performance for solar energy conversion and environment applications”最近发表在Mater. Today上。

【图文导读】

Figure 1.晶体面暴露的光催化剂在光催化应用中的主要因素的示意图

Figure 2.{0 0 1}和{0 1 0}面中的内部电场

Figure 3.在BiVO₄上进行选择性光沉积

Figure 4.BiVO₄性能表征

（a）单个BiVO₄晶体的拓扑图像

（b）在单个BiVO₄晶体的不同位置获得的空间分辨SPV光谱

（c）具有不同形态的单一BiVO₄光催化剂上的各向异性电荷分布示意图

（d）在不同小面的空间电荷区域中具有相对强度的内置电场的示意图

Figure 5.图示（左）是在TiO₂上由非荧光DN-BODIPY光催化生成荧光HN-BODIPY的结果，以及在488下于Ar饱和DN-BODIPY溶液中固定在盖玻片上的TiO₂晶体的透射图（右）

Figure 6.使用便捷的电化学处理部分还原Bi³⁺和V⁵⁺可有效改善具有（040）刻面的晶体面设计的BiVO₄膜的体积和表面电荷分离

Figure 7.TEM表征

（acd）六面体棱镜锚定的八面体CeO₂的TEM图像

（be）HRTEM图片

（f）CeO₂六面体棱镜臂和八面体界面的HRTEM图像

（g）二氧化碳光还原成CH₄的示意图

Figure 8.SEM表征和光催化活性表征

（ab）Ag₃PO₄菱形十二面体和Ag₃PO₄立方体的SEM照片

（cd）Ag₃PO₄菱形十二面体，立方体和球体以及N掺杂的TiO₂在可见光照射下对MO和RhB的光催化活性

【总结】

定制具有最佳反应性面的半导体晶体被认为是提高光催化活性和能量转化以及环境修复选择性的有效策略之一。通过晶面工程对表面原子结构的排列可以调节表面自由能，电子能带结构，电荷转移和分离，反应物吸附和产物解吸以及表面氧化还原位点。这篇综述旨在简明地突出除TiO₂以外有希望的光催化剂在晶体方面的依赖性能的最新技术进展。它包括（1）通过改变表面能的相对顺序，设计具有多种途径的暴露于晶面的光催化剂；（2）基于晶体小面的表面结，促进电荷转移和分离；（3）原位技术，用于检测晶面表面上的电荷积累； （4）暴露于表面的光催化在水分解中的应用，将CO₂光还原为可再生燃料，从反应物吸附和活化的角度降解有机污染物。

文献链接：State-of-the-art advancements of crystal facet-exposed photocatalysts beyond TiO₂: Design and dependent performance for solar energy conversion and environment applications.Mater. Today,2019, DOI: 10.1016/j.mattod.2019.09.003.

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