中山大学王梦晔副教授JMCA综述：纳米半导体光催化材料的空位工程

点击蓝字关注我们

文章信息

纳米半导体光催化材料的空位工程

第一作者：王彪

通讯作者：王梦晔*

单位：中山大学

研究背景

随着工业化的快速发展，化石能源的大量消耗引发了能源危机和环境污染。解决上述问题的最有效方法之一是构建可再生清洁能源体系和探索高效的环境修复技术。半导体光催化技术能够直接将太阳能转化为化学能，被认为是缓解环境恶化和能源困境最有前景的绿色方法之一，而实现该技术大规模应用的关键在于发展高效、稳定、低价和环保的光催化材料。

空位工程对催化剂的电子结构和表面性质的有效调控引起了人们对空位缺陷改性光催化剂的极大兴趣。尽管通过空位工程改善光催化性能的发展时间相对较短，然而其在增强太阳光吸收、促进光生电荷转移和分离以及改善表面反应动力学等方面取得了很多重要的进展。

文章简介

基于此，中山大学的王梦晔副教授在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Vacancy Engineering in Nanostructured Semiconductors for Enhancing Photocatalysis”的综述文章。本文综述了空位工程增强光催化的最新进展，总结了空位缺陷的主要类型、制备方法和表征手段；基于空位工程在几种特定光催化剂体系中的研究进展，着重探讨了空位对光催化性能的调控机理；最后概述了光催化材料空位工程的发展前景和面临的挑战。

图1. 纳米半导体光催化材料的空位工程。

本文要点

要点一：空位的类型、制备和表征

图2. 空位的分类、制备与表征。

空位作为一种常见的点缺陷，很容易引入固体材料中。一般来说，离子化合物中的空位可分为阴离子空位、阳离子空位和两种不同空位相互作用形成的空位集合。对于共价化合物，空位可以根据缺失的元素来命名的，例如g-C3N4中的氮空位和碳空位。

这一部分总结了几种广泛研究的空位缺陷的引入技术，包括特定气氛下热处理、高能粒子轰击、掺杂、化学还原、形貌控制、相转变、酸碱处理等，总结了识别和量化空位的常用表征方法, 包括X射线光电子能谱、X射线吸收精细结构光谱、正电子湮没光谱、电子顺磁共振谱、拉曼光谱、固体核磁、电感耦合等离子体发射光谱等谱学方法和扫描透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、超分辨率荧光显微技术等显微技术。

要点二：空位工程对半导体光催化剂的改性

图3. 空位工程对半导体光催化剂的改性。

空位缺陷来源于组成原子脱离原来的晶格位点，这一过程将改变材料的电子结构和几何结构，为优化光催化剂材料的催化性能提供了潜在的机会。目前空位工程在光吸收、光生载流子的分离和转移以及表面反应这三个光催化基础步骤中表现出高效的调控能力。此外空位可以作为成核和生长的位点，选择性地与其他组分结合，这为复合光催化剂的合理设计提供了新的机会。

这一部分基于空位工程在几种特定光催化剂体系中（包括金属氧化物、硫化物、氢氧化物、类Sillén相铋基材料以及g-C3N4）的研究进展着重探讨了空位对光催化性能的调控机理。

要点三：挑战与前瞻

虽然半导体光催化剂的空位工程已经取得了不错的进展，但在空位缺陷的可控引入、精确表征以及稳定性方面仍然存在改进空间。

首先，如何精确控制光催化剂中空位的类型、浓度和位置是需要解决的关键问题。大量的研究表明空位对光催化材料性能的影响具有两面性。早期研究者们认为空位缺陷是电荷复合或散射中心，会阻碍电荷传输和降低光催化活性。然而，随后的研究表明，适当浓度的空位有利于促进电荷的分离和转移。

此外，空位的分布情况也会影响光催化过程，一般认为表面空位能够提高电荷分离效率，而体相空位会抑制电荷分离。尽管如此，体相空位在增强光吸收方面也会起到积极的作用。同样，空位类型也会影响光催化反应，这是因为不同空位类型对于反应物质和反应中间体的吸附和脱附过程的影响不同。因此，为了最大限度地减少空位缺陷的负面影响，发挥空位缺陷的优势，迫切需要发展能够准确控制空位类型、浓度和位置的空位引入方法。

其次，需要发展更系统全面的表征方法来分析空位结构和催化反应之间的构效关系。为了准确定性和定量地检测和分析空位结构，多种表征方法的组合是很有必要的。此外，目前大多数关于空位工程的研究只强调了空位的初始状态，关于在光催化过程中空位缺陷结构可能发生变化的研究很少。事实上，空位在参与光催化过程中会不可避免地发生结构和性质的变化，缺乏原位表征手段使我们无法全面地了解光催化过程中空位的演变。为了深入研究空位相关的光催化机理，有必要发展先进的原位表征技术。

最后，空位缺陷的物理化学稳定性问题值得重视。众所周知，缺陷结构是典型的亚稳态结构，空位修饰的光催化剂在储存和光催化反应过程中可能发生微观结构和表面状态的转变，这会导致空位缺陷结构的变化和功能损失。因此发展维持空位结构稳定的通用方法也有待进一步的研究。

原文链接
https://doi.org/10.1039/D1TA03895H

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。