文献速递 | 范长征&汤琳&曾光明 Journal of Materials Chemistry A 光催化制氢

第一作者：罗俊

通讯作者：范长征 汤琳 曾光明

DOI:10.1039/D0TA11510J

本文亮点

本文通过具体的文献案例，系统地总结了光催化制氢研究中涉及的实验手段和模拟方法，研究两个研究方向的相互联系和区别并进一步分析它们的优缺点，归纳出实验与模拟之间的主要关系。

01 前 言 

2021年1月，Journal of Materials Chemistry A杂志在线发表了湖南大学范长征副教授、汤琳教授与曾光明教授团队在光催化制氢领域的最新综述成果。该工作系统总结了光催化制氢中实验和模拟的具体研究方法，分析了它们的优缺点以及它们之间相互验证和补充的关系。论文第一作者为：罗俊，论文共同通讯作者为：范长征副教授、汤琳教授、曾光明教授。

02 背 景 介 绍 

化石燃料的燃烧所引起的能源危机和环境污染促使人们开发更为清洁和可再生的能源。氢是合适的选择。它的燃烧产物仅是水，在相同质量下，氢产生的能量是化石燃料的1.5倍。因此，用氢气代替化石燃料是一种可行的解决方案。而光催化制氢相比于其他制氢方法具有绿色、可持续等优点，极具研究前景。近年来，在光催化制氢领域，关于实验和模拟的综合研究变得越来越流行。越来越多的研究人员使用这两种方法在有关光催化制氢的研究文章中提出、解释和证明自己的观点。许多综述也从实验和模拟的角度介绍了光催化制氢领域的进展。这些综述涉及各种主题，例如材料的类型，光催化性能，催化剂的改性方法，相同材料的不同应用和Z型光催化系统等。

03 图 表 解 析 

关系一：模拟对实验的解释和补充如图1所示，通过紫外可见漫反射光谱和X射线光电子能谱-价带谱等实验手段研究了单掺杂和共掺杂对TiO₂光学性质的影响，同时也发现了反常的现象。理论学者在此基础上通过能带计算和分子轨道理论解释了令人困惑的实验结果，并总结出双空穴耦合理论进一步指导实验研究。

如图2所示，实验人员通过实验提出并验证了基于动态平衡的光催化制氢系统：部分溶于水的钙钛矿材料在此平衡中持续稳定地产生氢气。针对这一新奇的设计，在理论模拟上，通过过渡态计算发现了全新的产氢路径，借助非绝热分子动力学阐释了温度对催化剂的本质影响。

关系二：从理论预测到实验验证1. 针对材料本身的设计通过模拟对材料进行剥离、钝化和自组装等理论设计，再通过实验进行验证，可节约材料开发的成本和时间。图3分别以磷烯和二维共价有机框架为例阐述了涉及到的研究方法并且分析了这个“预测-验证”之间的关系。

2. 基于原理的设计基于模拟结果，可以推导和预测具有普适性的光催化规律，进一步指导实验，形成“理论推导通用原理-实验方法验证”的研究方式。图4通过展示阴阳离子共掺杂和内建电场两个具体例子，总结了在这样的研究方式中涉及到的实验和模拟的具体方法以及它们之间的关系。

关系三：模拟和实验的相互独立与相互验证实验和模拟两种研究方法还可以分别独立地得出许多一致的结论，从而达到相互验证的目的，这在异质结基光催化研究中比较常见，如图5所示。此外，还着重讨论了能得出相同结论的实验、模拟方法之间的差异、协同作用以及优缺点。

关系四：原位表征与模拟之间的相互辅助先进的原位表征技术可以监控光催化反应的实时演化，并提供有效的信息以进行更准确的模拟。模拟计算在此基础上能得到更具体的信息以进一步完善实验结果。本文以TiO₂和CdSe/CdS量子点 Ni(OH)₂复合材料的研究为例，着重分析了原位表征与模拟计算之间的关系，如图6所示。

04 全 文 小 结 

本文系统地总结了光催化制氢中实验和模拟两个方向的具体研究方法，讨论了两个研究大方向的复杂关系和优缺点，并且在每一章节的最后将其拓展到整个光催化领域，例如光催化产氧、降解污染物、产过氧化氢、二氧化碳还原等。最后，作者基于光催化制氢领域的发展现状，提出了5个展望：

相比于将实验和模拟整合到一个工作的报道，相互联系的纯实验和纯模拟的工作更有助于读者提升自己的研究深度和广度。

目前，紧密结合实验与模拟仍然是一个难题，这需要：

1)更精准的表征实验来为模拟的建模提供准确信息;

2)使用更精确的理论方法和更细节的理论模型(比如显式溶剂模型)以还原实际的反应环境。

部分原位表征所需的实验条件还十分严格，还需要进一步改善。

基于实验和模拟数据，机器学习可以弥补实验和模拟的不足，以更有效，更通用的方式模拟材料和光催化反应。

光催化制氢的工业化所应该考虑的一些问题。

05 作 者 简 介 

范长征，湖南大学环境科学与工程学院副教授，博士生导师，美国Rice University访问学者。主持国家自然科学基金面上项目2项，国家自然科学基金青年基金1项，湖南省自然科学基金面上项目1项。先后以第一或通讯作者在Environmental Science & Technology Letters，Chemical Engineering Journal和Journal of Materials Chemistry A等国际知名期刊上发表SCI论文20余篇。汤琳，湖南大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，现任湖南大学环境科学与工程学院院长，环境生物与控制教育部重点实验室主任。先后以第一或通讯作者在Chemical Society Reviews，Progressin Materials Science，Environmental Science & Technology,等国内外相关领域的高水平刊物上发表SCI论文100余篇，H指数60，主编相关著作1部。曾光明，湖南大学环境科学与工程学院教授，博士生导师。先后以第一或通讯作者在Chemical Society Reviews，Environmental Science & Technology, Water Research等国内外相关领域的高水平刊物上发表SCI论文600余篇，H指数99。

文献信息：Jun Luo, Yani Liu, Chengyang Feng, Changzheng Fan, Lin Tang, Guangming Zeng, Ling-Ling Wang, Jiajia Wang and Xiang Tang. Joint Connection of Experiment and Simulation for Photocatalytic Hydrogen Evolution: Strength, Weakness, Validation and Complementarity. Journal of Materials Chemistry A2021.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d0ta11510j#!divAbstract

05 本 文 所 用 仪 器 

关键特征：
● 具有恒光辐照度输出(光控)和恒电流输出(程控)两种工作模式；
● 采用光学光反馈技术，实现输出光强的长期稳定输出；
● 采用液晶显示屏，显示相对辐照值、灯泡寿命计时；
● 具有过载过流保护，风扇延时等多种保护功能。

本文素材来源：湖南大学范长征副教授、汤琳教授与曾光明教授团队。