可用于环境修复的半导体光催化剂及其改性策略研究进展

2022-09-05 16:39:13 0 双良环境

　　近日，《催化学报》在线发表了江苏大学霍鹏伟教授团队在光催化环境修复领域的最新综述文章。该工作综述了多相光催化体系的基本原理、面临挑战、半导体光催化剂及其改性策略在多相光催化环境修复中的应用进展，并对多相光催化在环境修复领域的未来发展方向进行了展望。论文第一作者为：王慧杰，论文共同通讯作者为：霍鹏伟、李鑫。

　　02背景介绍

　　日益严重的环境污染问题深刻影响着人类的生存和健康，探究价廉、反应条件温和且高效的污染物降解技术成为了目前研究的热点。多相光催化技术作为一种直接利用太阳光降解多种污染物的先进氧化工艺在环境修复领域的研究中已成为一个具有重要研究意义的课题。然而，由于环境中污染物逐渐呈现多样化和复杂化，多相光催化技术在环境修复中的应用中面临着众多挑战，亟需进一步开发高效的半导体光催化材料和修饰策略，以及结合先进的表征技术和理论计算等方法探究反应机理，从而进一步提高污染物的光催化降解活性，实现多相光催化技术的规模化应用。

　　03本文亮点

　　(1)本文将多相光催化技术在环境修复领域的基本原理、半导体材料及修饰策略进行了系统的讨论。本文将其基本原理分为五个过程，并着重讨论了光催化反应体系中环境系统、活性氧物种、维度结构、界面效应，载流子传输机制，能带结构，热力学和动力学过程等因素对反应体系的影响。

　　(2)在多相光催化技术在环境修复中面临的挑战讨论中，梳理了应用于环境修复中的半导体材料和半导体修饰策略的最新研究进展。并重点介绍了各种半导体修饰策略：异质结系统、缺陷工程、助催化体系、元素掺杂、活性氧物种体系以及金属磷化。此外，详细阐述了各种异质结体系在电荷转移机理方面差异、优势和未来的发展方向。

　　(3)最后，总结了多相光催化技术在环境修复中的应用进展，并对多相光催化在环境修复领域的未来发展方向进行了展望：开发性能优异的半导体材料和半导体修饰策略，结合半导体材料的光电性能、光催化活性以及先进的表征手段和理论计算等，为理解、研究和设计各种环境污染物的光催化修复体系提供参考，并最终实现多相光催化环境修复的规模化应用。

　　04图文解析

　　大量研究已证明多相光催化可有效降解复杂和多样的环境污染物。然而，还未能实现多相光催化的规模化应用。基于此，本文详细讨论了多相光催化的基本原理、在环境污染物修复中的应用、半导体材料以及修饰策略，以期为多相光催化在环境修复中的进一步研究提供参考。

　　要点1：

　　近年来，随着多相光催化技术的进一步完善和发展，在环境修复领域的研究逐年增加。随着工业的不断发展，环境污染物种类也逐渐趋于多样和复杂化，将各类污染物通过多相光催化技术降解为低污染或者无污染的小分子是众多研究者追求的目标，也成为了目前研究的热点。

　　要点2：

　　本文将各类污染物分为四类：(1)水体中的污染物;(2)固态污染物;(3)气态污染物;(4)病原微生物。多相光催化降解污染物的过程中，其基本原理通常包括五个步骤：(1)污染物的吸附;(2)一定能量的太阳光照射在光催化剂表面并成功激发光生电子和空穴对;(3)一部分光生电子空穴对在光催化剂内部或表面发生复合，另一部分光生电子空穴对迁移至半导体表面;(4)污染物的在活性氧物种作用下发生氧化或还原反应，并最终降解为小分子化合物;(5)小分子化合物脱附后，光催化降解反应继续进行。

　　要点3：

　　二维层状双金属氢氧化物(LDHs)及其衍生物已广泛应用于多相光催化降解环境污染物。LDHs通常由两个或两个以上二价(如Zn2+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Mg2+)或三价金属(包括Al3+、Ga3+、Cr3+、Fe3+)氢氧化物组成，通过调整不同的金属材料组合可以使LDHs具有独特的结构和电子性能。此外，尽管可以根据应用需要对金属阳离子进行修饰，但由于层间的阴离子保持了电荷中性，所以LDHs的骨架基本不变，保持了良好的稳定性。此外，基于LDH的材料具有表面积大、能带结构可调、光吸收范围宽等特点，为光催化降解环境污染物的设计、优化和机理研究提供了新的途径。

　　要点4：

　　从热力学角度看，光催化剂的CB和VB与反应电势的差异是光催化反应的一个特定的动力来源。然而，单一光催化剂应具有更负的CB和更正的VB，才可表现出较强的氧化还原能力。相反，为了更高的太阳能收集效率，需要更正的CB和更负的VB位置。考虑到这一矛盾，设计合理的异质结系统是有效分离光催化剂中电子空穴对的有效策略之一。异质结系统主要有：p-n异质结、表面异质结以及最新提出的S型异质结等。

　　要点5：

　　具有代表性的光催化剂根据其能带结构可分为两类:氧化型光催化剂(OP)和还原型光催化剂(RP)。S方案异质结由RP和OP组成，在RP的CB上的e-和OP的VB上h+被保留下来，从而保留了较强的氧化还原电位，此外，在内建电场，能带弯曲和静电相互作用等三个因素的协同作用下，实现了光生电子空穴的空间分离，从而大大提高光催化效率。如Wang等人利用S掺杂g-C3N4与TiO2构建了一种S型异质结复合材料，与纯TiO2和SCN相比，SCN/TiO2复合材料对CR的光催化降解活性明显增强。

　　要点6：

　　金属磷化技术在超级电容器、光催化析氢、催化转化和环境修复等领域具有广阔的应用前景。常用的磷化金属主要有Fe、Co、Ni、Mo等过渡金属，为了提高电荷分离效率，周期表IIIA中具有独特物理化学性质的金属Ga和金属In通常被用作助催化金属。值得注意的是，P可以与金属偶联形成金属- P键，从而提高光催化剂的捕光能力和电子的传输能力。

　　05全文小结

　　1. 多相光催化技术作为一种直接利用太阳光降解多种污染物的先进氧化工艺在环境修复领域的研究中引起了广泛关注。然而，由于自然环境中污染物种类越来越多样和复杂, 多相光催化技术在环境修复领域中尚未实现大规模的应用。2. 本文首先对环境修复中半导体多相光催化的基本原理, 光催化过程中活性氧物种的种类及其作用机制进行了系统介绍。并通过引入环境中潜在污染物和光催化环境修复领域面临的挑战，以具体实例详细地介绍了近年来应用于环境修复中的多相光催化半导体材料及各种半导体修饰策略。3. 总结了多相光催化技术在环境修复中的应用进展, 并对多相光催化在环境修复领域的未来发展方向进行了展望。