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Chem Catal：李和兴/卞振峰团队光催化的挑战和机遇

2022-05-09 08:13

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学收录于合集#Cell Press论文速递 258 个 #Chem Catalysis 75 个

物质科学

Physical science

在太阳光照射下，光催化能够实现污染物去除、抗菌杀菌、新能源生产、清洁化工生产和模拟光合作用，其具有节能、绿色、可持续和低成本等特点，为“碳达峰”和生态文明建设提供强有力支撑。目前，光催化面临效率低的问题，需要从光催化基本原理入手，进一步优化光吸收利用及催化过程，开发新型反应路线和工艺。

近日，上海电力大学李和兴和上海师范大学卞振锋教授团队在Cell Press旗下Chem Catalysis发表了题为“Challenges of photocatalysis and their coping strategies”的综述文章，介绍了光催化现状、面临的挑战和机遇以及应对策略，期望助力未来光催化发展和应用。

光催化效率提升

光催化过程既涉及光吸收、半导体激发、光生电荷的迁移及分离、活性物种产生利用等光转化步骤，又涉及目标分子扩散、吸附、表面反应、脱附等催化步骤。作者基于光催化反应特征和过程，围绕光催化剂形貌构建、反应器设计及反应工艺条件优化，对光吸收和利用、光电子-空穴复合、传质吸附、活化和反应活性等瓶颈问题进行了仔细梳理和总结。首先，作者介绍了通过多次反射、旋转取光来提高光吸收的策略；同时，还可通过调变半导体能级、构建异质结、增加导电性和设计光电催化剂氧化还原耦合反应以促进光生载流子分离和利用。其次，采用尖端放电、晶面暴露和助催化剂修饰可提高光催化本征活性；结合孔道构造以及吸附光催化、压电光催化和光热协同等，能够优化光催化传质、吸附和活化过程。进一步地，通过光催化剂表面改性，开发膜分离和芬顿辅助光催化，构建光催化微化学环境等，有利于提高污染物处理浓度，避免中毒失活。因此，尝试建立材料结构-反应路径-催化性能的关系能够为合理设计光催化剂/光催化反应提供指导。

图1 (A)光催化的基本原理和(B)提高光催化活性的策略

光催化应用开发

绿色光催化技术在解决能源和环境污染等方面具有广阔的应用前景，其关键在于发展合适的应用场景。在光催化分解水制氢、矿化有机污染物、净化空气和水、脱硝脱硫脱汞、抗菌杀菌等传统应用基础上，作者还介绍了未来应用：包括光催化清洁有机合成、模拟光合作用、光催化燃料电池、二氧化碳还原、固废贵金属回收、氮固定等。其中，在建筑物内外墙以及家具表面的涂层光催化剂能够实现可持续、低成本光催化污染物降解和杀菌，这对室内外空气净化和预防及抑制疫情具有重要推广价值。

图2 光催化的应用

总结与展望

光催化技术在实际应用方面具有广阔市场，但仍面临着挑战：（1）光催化机理和结构活性对应关系的研究需要深化，进一步开展光催化氧化和还原反应全过程的研究极为必要。（2）对于过渡金属改性半导体光催化剂，需要解决掺杂均匀性、实效性和稳定性等问题。（3）对于多电荷参与的复杂氧化还原反应，如CO2还原反应和固废资源化，需要开发产品附加值和提高选择性。（4）光催化与其他高级氧化技术或分离技术的复合需要加强，进一步促进规模化应用推广。总之，了解光催化基本原理对于指导新型光催化剂和光催化反应体系的设计，阐述反应动力学和结构效率关系具有重要的指导意义。此外，从系统工程的角度着眼，开发新型反应途径和集成光催化反应器将成为光催化发展和实际应用的重要方向。