催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (5): 710-730.DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63698-1

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异质结光催化材料的新进展

王宗鹏a,b, 林志萍a,c, 申士杰a,c, 钟文武a,c,*(), 曹少文b,#()   

  1. a台州学院高等研究院, 浙江台州318000
    b武汉理工大学, 材料复合新技术国家重点实验室, 湖北武汉430070
    c台州学院医药化工与材料工程学院, 浙江台州318000
  • 收稿日期:2020-04-29 接受日期:2020-04-29 出版日期:2021-05-18 发布日期:2021-01-29
  • 通讯作者: 钟文武,曹少文
  • 基金资助:
    科技部重点研发项目(2018YFE0202601);国家自然科学基金(11947070);国家自然科学基金(51572183);国家自然科学基金(51922081);国家自然科学基金(21773179);浙江省一流学科(P61021902);浙江省自然科学基金(LTY20E020001)

Advances in designing heterojunction photocatalytic materials

Zongpeng Wanga,b, Zhiping Lina,c, Shijie Shena,c, Wenwu Zhonga,c,*(), Shaowen Caob,#()   

  1. aSchool of Advanced Study, Taizhou University, Taizhou 318000, Zhejiang, China
    bState Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China
    cSchool of Pharmaceutical and Material Engineering, Taizhou University, Taizhou 318000, Zhejiang, China
  • Received:2020-04-29 Accepted:2020-04-29 Online:2021-05-18 Published:2021-01-29
  • Contact: Wenwu Zhong,Shaowen Cao
  • About author:# E-mail: swcao@whut.edu.cn
    * E-mail: zhongww@tzc.edu.cn;
  • Supported by:
    Key Research and Development of Ministry of Science and Technology of China(2018YFE0202601);National Natural Science Foundation of China(11947070);National Natural Science Foundation of China(51572183);National Natural Science Foundation of China(51922081);National Natural Science Foundation of China(21773179);Materials Science & Engineering of Zhejiang Province First-Class Discipline(P61021902);Natural Science Foundation of Zhejiang Province(LTY20E020001)

摘要:

伴随着人类文明的快速发展, 一些危机慢慢显露出来, 例如能源危机、环境污染和全球变暖. 2019年5月11日, Mauna Loa天文台报告, 大气中的二氧化碳水平超过415 ppm, 达到人类历史上的最高记录, 欧盟随后于2019年11月宣布了气候紧急状态. 因此, 绿色能源技术已成为迫切需求, 以减少化石燃料的使用, 并减少污染物的产生.

光催化是直接利用太阳能的技术, 可以应用于水分解产氢、CO2还原、降解有机污染物、促进有机物合成等, 是解决能源和环境问题的最有前途的技术之一. 光催化剂是光催化技术的核心. 目前, 许多半导体材料可作为光催化剂, 并已被充分地研究, 例如TiO2、CdS、ZnO、BiVO4和C3N4等. 然而, 单一的半导体材料具有一些缺点, 阻碍了它们的实际应用. 其中, 限制这些半导体材料光催化活性的一个关键问题是, 光生电子-空穴对容易快速复合而不是参与光催化反应. 例如, ZnO中激子的寿命估计仅为数百皮秒, 大多数激子来不及参与到氧化还原反应中.

为了抑制电子-空穴对的复合, 需要应用特殊的策略. 构建异质结光催化材料已成为最有前途的方法之一. 通常, 可以根据相邻材料的能带结构, 将异质结分为以下几种类型: PN型异质结, II型异质结, Schottky型异质结和S型异质结. 以上异质结大都是由两种半导体材料复合而形成的. 除此之外, 还可以根据形成异质结的特殊材料, 补充两种特殊的异质结类型, 即晶面异质结和石墨烯基异质结. 晶面异质结是由同一材料, 由于暴露不同的晶面而形成的. 石墨烯具有独特的能带结构、极大的比表面积及优良的导电性, 可以与其他半导体形成各种类型的异质结. 这些异质结材料能有效抑制电子-空穴对的复合, 从而提高材料整体的光催化活性, 也已成为光催化剂家族的重要分支. 本文详细介绍了以上各种类型的异质结光催化剂的最新进展, 概述了实现高性能异质结光催化剂的基本策略, 并对异质结光催化剂未来发展方向进行了一些探讨.

关键词: 光催化剂, 异质结, 可再生能源, 电荷转移, 氧化还原能力

Abstract:

Under the background of increasing energy crisis and global warming, semiconductor-based photocatalysis has received tremendous attention due to its potential application in green energy production, CO2 reduction and pollutant degradation. The photocatalytic activity of semiconductors, however, remains low due to issues like fast recombination of photo-generated electron-hole pairs, limited electron mobility, restricted optical absorption or insufficient active sites. Designing appropriate heterojunctions is proved to be a promising method to address most of these issues and thus to improve the photocatalytic performance. In this review, the working mechanism of various heterojunctions is presented systematically. The most recent advances of strategies in designing and preparing efficient heterojunction photocatalysts are further summarized and some perspectives on the future directions in this field are provided.

Key words: Photocatalyst, Heterojunction, Renewable energy, Charge transfer, Redox ability