魅力光催化劑

尹雙鳳，區(qū)澤堂，李華明

1 湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)/生物傳感與化學(xué)計(jì)量學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化石能源低碳化高效利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082

2 福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福州 350116

3 江蘇大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，能源研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013

光催化技術(shù)將綠色豐富的太陽能轉(zhuǎn)化為便于直接利用的化學(xué)能，被認(rèn)為是解決能源短缺與環(huán)境污染問題最有潛力的綠色手段之一。光催化劑在光照下產(chǎn)生具有氧化還原能力的空穴和電子，驅(qū)動(dòng)化學(xué)鍵的斷裂與生成，在污染物降解、水分解產(chǎn)氫、二氧化碳還原等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，受到了全球研究者的廣泛關(guān)注。本專輯中收集了我國部分科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，將展示SiC、In2O3、C3N4、CdS等多種光催化劑的合成、改性、結(jié)構(gòu)表征、性質(zhì)研究及在能源轉(zhuǎn)化方面的最新研究進(jìn)展。

光催化水分解制氫氣是光催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。楊貴東等1采用化學(xué)還原輔助水熱法制備了新型SiC/Pt/CdS Z型異質(zhì)結(jié)納米棒，最大析氫速率可達(dá)122.3 μmol·h-1。施偉東等2通過自組裝制備了用于水分解產(chǎn)氫的三維納米結(jié)構(gòu)In2O3光催化劑，探究了催化劑自組裝程度對(duì)催化劑內(nèi)部的光反射及氣體溢出的影響。蘇寶連等3用巰基乙酸修飾的納米晶和P(St-MMA-SPMAP)高分子小球共組裝，構(gòu)筑了CdS反蛋白石結(jié)構(gòu)用于可見光光解水產(chǎn)氫，并研究了該催化劑結(jié)構(gòu)對(duì)光子傳播和水分子吸附活化的影響。

水分解由生成氫氣的還原半反應(yīng)和生成氧氣的氧化半反應(yīng)組成。尹雙鳳等4聚焦于光催化過程中的三個(gè)步驟—光吸收、載流子分離、表面反應(yīng)，總結(jié)了光催化水分解制氫過程中的催化劑改性策略。對(duì)于水分解的氧化半反應(yīng)，丁勇等5對(duì)近年來立方烷分子催化劑在光催化水氧化中的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧，介紹了多金屬氧酸鹽立方烷水氧化催化劑，以及半導(dǎo)體復(fù)合立方烷分子催化劑用于水氧化體系的最新研究進(jìn)展。鄒吉軍等6綜述了助催化劑在光催化反應(yīng)中的重要作用以及目前常用的助催化劑類型，說明了在光催化全解水過程中雙助催化劑體系的構(gòu)建及作用機(jī)理，并提出了新型助催化劑的設(shè)計(jì)策略。

在污染物降解方面，李華明等7將Cu2+摻入g-C3N4結(jié)構(gòu)中制備了Cu/g-C3N4光催化劑，發(fā)現(xiàn)在光催化降解RhB和CIP的實(shí)驗(yàn)中，Cu/g-C3N4光催化劑的降解能力顯著高于純相的g-C3N4，并對(duì)其光催化活性提升的可能原因進(jìn)行了一系列探究。

在二氧化碳還原反應(yīng)方面，王其召等8使用棒狀PCN-222(Cu)/TiO2復(fù)合材料作為光催化劑，還原二氧化碳獲得CO和CH4的產(chǎn)率分別為13.24和1.73 μmol·g-1·h-1，該研究為金屬有機(jī)骨架和氧化物半導(dǎo)體復(fù)合材料光催化體系提供了新的策略。尹雙鳳等 綜述了光電催化二氧化碳還原反應(yīng)的基本強(qiáng)化策略，并對(duì)未來可能的研究方向進(jìn)行了展望。

甲烷催化轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物，具有重要的研究意義及工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。卞振峰等10圍繞甲烷氧化和偶聯(lián)反應(yīng)，總結(jié)了近年來光催化研究進(jìn)展，并指出光/光電/熱催化的結(jié)合有望推動(dòng)光催化在能源和環(huán)境領(lǐng)域中做出重要貢獻(xiàn)。

近幾年，石墨相氮化碳(g-C3N4)因其原料來源廣泛、無毒、穩(wěn)定以及具備可見光響應(yīng)等特點(diǎn)，在光催化領(lǐng)域獲得了廣泛的重視。沈少華等11從材料合成與改性角度，回顧了非金屬摻雜改善g-C3N4光催化活性的進(jìn)展，從光催化的本質(zhì)探究了新型g-C3N4光催化劑的開發(fā)，并對(duì)g-C3N4光催化劑的后續(xù)研究進(jìn)行了展望。

光催化技術(shù)可以有效利用太陽能這種地球上最豐富的能源來驅(qū)動(dòng)多種不同的催化反應(yīng)，但受吸光效率低、電子傳輸和反應(yīng)過程不明確等限制，性能仍有很大的提升空間。光催化劑的可控制備、性能優(yōu)化、系統(tǒng)表征方法等仍然需要不斷去探索。在未來，光催化技術(shù)在一系列應(yīng)用，諸如水分解、二氧化碳還原、有機(jī)污染物降解和有機(jī)合成等，都有廣闊的發(fā)展前景。