【热门文章】余家国编委：中空CdS光催化剂的研究进展和展望
武汉理工大学的张留洋副教授和余家国教授在Journal of Materiomics第7卷第3期发表了题目为“Hollow CdS-based photocatalysts”的综述论文。
近年来，以太阳能为驱动力的光催化技术在缓解能源危机和环境污染方面得到了广泛的研究。然而，光催化剂的效率和稳定性仍然不尽人意。为了解决这些问题，设计先进的光催化剂非常重要。硫化镉纳米材料是一种很有前途的光催化剂。其中，中空结构的CdS吸光能力强，表面积大，氧化还原活性位点丰富，光生载流子的扩散距离缩短，具有广阔的应用前景。本文综述了中空CdS光催化剂的主要合成方法和形成机理。全面讨论其在包括产氢、CO2还原和污染物降解等光催化领域的应用。最后，对中空CdS光催化剂面临的挑战和今后的发展方向提出了简要的结论和展望。
当前，化石燃料的大量开发导致了能源严重短缺和环境污染。因此，需要我们利用新技术开发清洁、可再生、廉价的能源，同时减少环境污染。在各种技术中，太阳能驱动的光催化技术备受关注。二氧化钛基纳米材料是光催化应用中研究最广泛的半导体材料之一。然而，其宽的带隙导致二氧化钛只能吸收紫外线，且二氧化钛中光生电子和空穴的快速复合，都使光催化效率被严重限制。因此科学家们着手发展其他光催化剂如CdS材料。研究表明，与传统的二氧化钛相比，带隙为2.4 eV 的CdS具有更高的可见光吸收效率。其导带位置为负，可以满足许多光催化氧化还原反应的热力学要求。众所周知，半导体光催化剂的形态对其光催化性能有很大的影响。因此，发展先进形貌结构的CdS基纳米材料受到广泛研究，例如一维纳米线、二维纳米片、三维树枝状和球状纳米结构以及空心纳米结构。空心结构在许多方面优于实心结构，包括更大的表面积，更多的曝光活性位点和传电和传质的缩短。此外，空心结构可以通过内腔反射和散射获得强的光吸收能力，因此具有增强的光催化性能。中空CdS光催化剂在可见光照射下对污染物降解、 产氢和CO2还原具有优良的光催化活性。分级空心CdS光催化剂在光催化领域具有广阔的应用前景，值得我们进一步深入研究。由于各种方法制备的CdS光催化剂具有不同的结构、形貌、尺寸和结晶度，其催化活性也不尽相同。获得高活性和均匀的CdS空心结构仍然是一个挑战。纯中空CdS光催化剂很难实现电荷分离，其光催化效率远不能令人满意。在过去几十年里，人们采用了各种策略来进一步提高中空光催化剂的效率。这些技术包括掺杂、负载助催化剂和构建异质结结构。本文综述了中空 CdS光催化剂的优点、制备方法以及优化策略，介绍了空心CdS光催化剂的应用及其面临的挑战。
https://doi.org/10.1016/j.jmat.2020.10.010
Liu X Y, M Sayed, Bie C B, Cheng B, Hu B W, Yu J G, Zhang L Y. Hollow CdS-based photocatalysts [J]. J. Materiomics, 7 (2021), pp. 419-439.
Highlights
Fundamentals of photocatalysis are overviewed.
Merits of hollow CdS-based photocatalysts are summarized.
Their synthetic methods and modification strategies are presented.
Photocatalytic applications are discussed, including pollutant degradation, H2 generation and CO2 reduction.
Current challenges and future prospects are raised.
图文导读
图1 基于CdS的光催化反应的主要过程示意图
图2 (a) CdS中空结构作为光催化剂的优点；(b) CdS空心结构的主要合成策略
图3 (a) 常规II型异质结和(b) 梯形（S型）异质结体系的光催化机理
图4 (a-c) Cd-甘油前驱体，(d-f) 双壳和(g-i) 单壳CdS球的SEM和TEM图像。(j) 对应的形貌演化过程示意图；(k)增强的光活性
结论与展望
（1）中空CdS结构的可控生长和大规模生产仍处于萌芽阶段。大多数空心结构的合成路线相对繁琐，制备时间长，成本高。为了降低商品化成本，需采用更简单的方法获得新型CdS空心光催化剂。
（2） 中空CdS基光催化剂的生长机理比较模糊。需进一步探索更为详细的实验条件和影响因素，为今后其它空心结构材料的合成提供重要参考。
（3）为了充分发挥其固有的优势，需要更多独特的设计。以光子晶体为例，如果纳米粒子单元可以组装成周期性排列的空心结构，由于相邻纳米颗粒之间的连续光反射，光的利用率将大大提高。
（4） 原有的CdS基光催化剂分离效率较低。空心 CdS 光催化剂的有效改性策略值得进一步研究，以提高光生载体的利用效率。除了杂原子掺杂、相结构工程和助催化剂负载外，还可以构建先进的梯形异质结。梯形异质结可以有效地提高中空CdS基光催化剂的效率和稳定性。此外，为了减少制备时间和成本，需制定原位改性策略。
（5）一般来说，即使是中空的CdS基光催化剂，也无法避免光腐蚀影响。其稳定性作为衡量光催化剂的一项指标也很值得关注，然而对于催化反应后的相和形态的变化却少有报道。
（6）仍然缺乏在光催化反应中电子转移途径的直接证据。还需要更多的原位表征和深入的DFT理论计算进行支持。例如，可以使用原位XPS来确定紫外线照射后电子转移的方向，为实际应用提供更有力的支持。
作者介绍
张留洋，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室副教授。她本科毕业于上海交通大学。随后，她在新加坡国立大学获得博士学位。主要研究方向为能源与环境应用领域的纳米结构材料。她积极与其他研究人员在各个领域合作，特别是光催化材料。
余家国，华中师范大学化学学士，西安交通大学化学硕士，武汉理工大学材料科学博士。2000年，他成为武汉理工大学的教授。2001年至2004年在香港中文大学做博士后，2005年至2006年在布里斯托尔大学做访问科学家，2007年至2008年在德克萨斯大学奥斯汀分校做访问学者。目前主要研究方向为半导体光催化、光催化制氢、二氧化碳还原制碳氢燃料等。
刘祥钰，2018年获得山东科技大学材料科学与工程学士学位。她现在是武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室的在读研究生，导师是余家国教授。她目前的研究包括半导体光催化、光催化产氢和二氧化碳还原。
Mahmoud Sayed毕业于埃及Fyoum University，获得化学学士(2012)和理学硕士(2017)，现在武汉理工大学攻读博士学位。主要研究方向为光催化和环境应用纳米材料的设计。
往
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