2022/4/2 16:41:48 阅读：470 发布者：chichi77
纯BiOX（卤氧铋）基光催化剂在能源和环境的利用效率并不理想。为了获得更高的光催化活性，国内外学者对BiOX的光催化位点、量子效率、电荷分离和光吸收效率，进行了大量研究（图1）。
最近，扬州大学王小治教授、侯建华副教授和Asif Hussain博士生在Catalysis Reviews上发表题为“Recent Advances in BiOX-Based Photocatalysts to Enhanced Efficiency for Energy and Environment Applications”的综述性文章。该综述对BiOX基光催化剂的纳米结构，以及催化剂的光生电子空穴对复合和光捕获问题进行了分析，并总结了近年来提高其光催化活性的相关策略。总的来说，该综述回顾了提高催化剂光催化活性的先进策略及其在环境污染物降解和能量转换中的应用。总结了近年来BiOX在科学和技术上面临的挑战，包括制备方法、光催化活性和提高BiOX-基光催化剂活性的挑战。
图1. 先进的光催化系统在能源和环境应用
1 研究背景
工业革命和技术进步带来了环境和能源短缺问题，严重威胁着社会的可持续发展。这种依赖需要能源和其他自然资源。如图2所示，到2050年，全球能源需求将比目前增长50%。随着工业化和增长进程的加快，有机污染物、室温和有害气体、聚合物废物、医疗废水等造成的生态污染已成为一个威胁人类健康的问题。随着时间的推移，由于世界人口增长率的增加，化石燃料（天然气、石油和煤炭）资源正在减少。因此，在不久的将来，能源供应来源会成为一个基本问题。环境污染和能源短缺是人类面临的两大问题。在清洁和绿色能源措施中，半导体光催化技术被认为是解决能源危机和环境问题的有效策略。利用太阳能驱动光催化剂可进行一系列催化活动，如制氢、固氮合成氨、降解有毒污染物、选择性转换CO2为可用燃料及有机物等。
图2 不同资源产生效率的估计值。资料来源：EIA，AEO 2019，IEA，WEO 2019、WEC，世界能源情况
2 典型电荷复合的陷阱
光产生载流子的转移和复合是影响半导体光催化剂催化效率的重要因素。电生载流子的吸收和复合陷阱是影响光催化剂效率的两个重要问题。第一，光生载流子可以被困在体相材料中，其中一些转移到表面。第二，表面载流子被氧化还原反应捕获。通常，被次表面捕获的电荷或被表面捕获的电荷在半导体光催化剂中具有优先性。激活类型的载流子包含被捕获的电子、被捕获的空穴和自由电子，这是载流子在捕获条件下的最主要状态。如图3（a）所示，自由电子分散在体相材料中，而被捕获的电子和空穴被限制在表面。在光催化过程中，光生电子空穴对（e--h+）的产生时间是飞秒级，而从体积到表面活化位点的迁移时间需要数百皮秒。如图3（b）所示，载体与吸附的反应物之间的催化反应时间在纳秒到微秒之间。相反，光生（e--h+）对复合周期非常短（ps到ns范围）。目前已经报道的几种电荷复合形式包括表面复合、直接复合和体相复合。材料内部的复合是由于被处于导电边缘和平衡带隙边缘的浅陷阱捕获，而深陷阱捕获处于材料带隙内部。为了降低和控制光生载流子复合，以下技术被研究提升光催化效率:（i）助催化剂担载，（ii）掺杂，（iii）固溶体，（iv）缺陷工程，（v）构建II型异质结，（vi）构建Z型异质结，（vii）构建S型异质结，（viii）构建p-n型结。
图3 （a）价态和导带态示意图（b）光诱导电子-空穴对的产生和复合（c）光催化反应机理
3 结论和未来的挑战
该综述从抑制电荷复合、增强光吸收和催化位点工程三个方面，广泛、全面地总结了近年来提高光催化（BiOX）效率的技术进展和创新策略。综述了光催化剂在能量转化和有机污染物降解方面的应用。此外，BiOX基研究领域取得了优异的成果；然而，还需要考虑到以下特征并进一步对重要的发现进行完善。
1. BiOX的二维层状结构具有较大的比表面积，在光驱动光催化方面表现出良好的潜力。需要研究经济合适的规模化合成方法和获得更好的光催化性能。
2. 表面电荷的分离策略可通过控制表面的结构来实现的，它依赖于量子位点工程、表面空位工程、修饰和缺陷工程，它们可以诱导局域电场或增强表面电荷的迁移，并抑制载流子的复合。缺陷的目的主要根据其类型、浓度和位置进行分类，即浅层阱（电子和空穴）和深层阱。一般来说，多重缺陷辅助作用显著提高光催化效率，也可能增加缺陷诱导的复杂性。扩散长度和腐蚀对光催化剂晶格表面的影响不容忽视。活性点位工程，表面工程，小扩散长度（~10-9）或更少的光催化剂会潜在地将电子和空穴吸引到活性位点上，从而抑制复合过程。在目前的研究中，原子层状沉积（ALD）由于其紧密的原子结构设计而引起了人们对光催化的更多关注，在未来的光催化领域具有很大的潜力。
3. 大量的研究报道了独特层结构光催化剂的合成，制备具有较高金属掺杂的超薄结构是热点问题。负载金属含量较高的层状结构能增强光催化活性，但可能同时与邻近的反应物反应迅速，产生多余的物种，导致光催化剂的稳定性不理想。基于上述问题，合成具有较高金属种类和高稳定性的薄层结构潜在策略有望被采用。
4. 毫无疑问是已公开的几种铋基层状结构在极化层中引入诱导电场（IEF）来抑制复合，并分配光生载流子的传输通道。采用IEF技术提高层状结构光催化剂的效率具有重要意义。
总之，影响光催化活性的最重要参数包括，催化位点工程、超薄层结构和电荷分离将被进一步考虑，而具有诱导IEF电荷抑制策略的薄层结构的开发将成为重要的科学问题。理论和实验研究的持续研究可能会增强对低成本且更有效光催化剂的获得，这将有利于可持续绿色能源环境的革命。
参考文献：
Xiaozhi Wang et al., Recent Advances in BiOX-Based Photocatalysts to Enhanced Efficiency for Energy and Environment Applications, Catalysis Reviews-Science and Engineering, 2022, DOI: 10.1080/01614940.2022.2041836.
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/01614940.2022.2041836
作者介绍：
侯建华，博士、副教授、博士生导师，主要从事“双碳”目标下的能源环境关键技术的研究与应用。近年来主持国家自然科学基金等项目10余项；以第一/通讯作者在ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、ACS Sustainable Chem. Eng.、Chemical Engineering Journal、Nanoscale、Journal of Power Sources、Journal of Cleaner Production等本领域权威期发表SCI刊上发表30余篇论文。总被引3000余次，其中发表在ACS Nano杂志的论文单篇被引1100余次，属热点论文。相关成果被美国化学会（ACS），C&EN，NanoToday，中国科学报，中国教育报，科学网等专题亮点报道。荣获2021年度江苏省高等学校科学技术研究成果奖“二等奖”（R1）“新型可见光催化剂构建及其高效处理废水应用”。2020年全国商业科技进步“三等奖”（R2）、2019年度扬州大学“高端人才支持计划”的拔尖人才、2020年扬州市“绿杨金凤”领军人才计划项目、2021年江苏省“青蓝工程”。申请中国发明专利20项（已授权5项）。指导学生：科创30余项，国家级3项，省级6项，国家级奖20项，省级20项，国家级优秀毕业论文1次。
个人网页：
http://teacher.yzu.edu.cn/Hou/zh_CN/index/406371/list/index.htm
王小治，教授，博导。扬州大学环境科学与工程一级学科带头人、扬州大学环境科学研究所所长。主持4项国家基金和其它国家级、省部级项目10余项；以第一或通讯作者发表科研论文120余篇，其中SCI收录30余篇；获授权专利7项，获江苏省科技进步三等奖1项，江苏省教学成果二等奖2次。兼任中国土壤学会理事、江苏省环境科学学会理事。获评为江苏省“六大人才高峰”节能环保创新团队负责人，江苏省333工程培养对象，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人，并被聘为国家科技部重点专项会评专家。
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