人工光合作用中的2D材料 | NSR观点

2004年，单层二维（2D）石墨烯纳米片横空出世，此后，2D材料在许多领域获得广泛应用——比如，“人工光合作用体系”。在这类人工体系中，人类效仿自然，利用2D材料独特的物化性质，吸收太阳能并催化氧化还原反应，合成燃料分子。

近期，西湖大学孙立成院士等在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表Perspective文章，分析了基于2D材料构建的人工光合作用体系在太阳能燃料合成方面的研究进展、面临的科学问题及挑战。

在人工光合作用体系中，2D材料作为光吸收体，可以捕获太阳光，同时产生高能态的电子-空穴对。由于2D材料的厚度仅为纳米级，光生电子和空穴能够迅速分别迁移到还原性和氧化性的助催化剂处，分别促进还原反应（HER、CO₂还原及N₂还原等）和水氧化反应的发生，完成人工光合作用。此外，2D材料具有高比表面积，能提供更多的活性位点和更高的光催化活性；其平面结构也使其易被修饰。

2D材料与助催化结合构建的人工光合作用体系 

在这篇文章中，作者围绕基于2D材料构建的人工光合成体系，阐述了提高太阳能转化效率的方法：

（1） 从2D材料本身的角度，设计不同结构的2D材料，降低2D材料的厚度，引入空穴和杂原子以及构建2D/2D异质结；

（2） 从助催化剂的角度，将非均相催化剂或分子催化剂与2D材料结合，构建“助催化剂-2D材料”复合催化剂，加快表面反应动力学，有效促进催化反应。

此外，作者也提出了基于2D材料构建的人工光合成体系目前面临的科学问题和挑战：

• 首先，以2D材料构建的人工光合成体系在光催化分解水、CO₂还原以及N₂还原方面仍然难以实现工业化应用。除了光转换效率较低以外，如何大规模生产可精准调控层数及原子结构的2D材料也是不可忽视的因素。
• 其次，对于光催化CO₂还原，产物主要限于C₁化学品，而非能量密度和附加值更高的C₂₊化学品。
• 另外，N≡N三键键能高，N₂分子在催化位点上的吸附和活化性能较弱，极大影响了N₂还原的光催化活性。
• 最后，作者认为合理优化反应体系、2D材料及助催化剂是实现基于2D材料的人工光合成体系在太阳能转化工业化应用的关键所在。

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2D materials for solar fuels via artificial photosynthesis

https://doi.org/10.1093/nsr/nwab116