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人工光合作用中的2D材料 | NSR观点
The following article is from 中国科学杂志社 Author 《国家科学评论》
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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。
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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