Frontiers in Energy: 用于高效能量转换和环境治理的水凝胶光催化材料

中文摘要

光催化剂具有优异的性能，且有同时解决能源需求和环境污染方面的挑战的潜力，因此引起了广泛的研究兴趣。 在实际应用中，光催化颗粒需要与它们各自的介质接触才能表现出高效的光催化能。然而，纳米级的光催化材料后期很难从反应介质中分离出来，这将不可避免地导致二次污染和比较差的循环行能。三维网络结构的水凝胶光催化材料具有高比表面积、高吸附能力和良好的环境相容性等特点，是一种很有前途的光催化剂载体材料。本文根据水凝胶光催化材料的组成将其分为两类，并对近年来水凝胶光催化材料的制备方法进行了总结。此外，本文综述了目前水凝胶光催化材料在能源转化和环境修复中的应用，并对水凝胶光催化材料所遇到的挑战和发展前景进行了简要阐述。

研究背景及意义

环境治理和可持续能源是当前面临的紧迫问题，急需有效、可持续和绿色的解决方案。太阳能是一种丰富的、清洁的、可持续的能源，可以被用来解决这些问题。光催化技术有效地利用太阳能进行可持续的能源转换（如H₂进化、CO₂还原和固氮）和环境治理（如氮氧化物和挥发性有机化合物的转化、重金属离子的去除和有机污染物的降解）。因此，迫切需要高效的光催化剂和可靠的方法来满足日益增长的发展要求。1972年，藤岛-本田效应首次被报道，该效应是在紫外线照射TiO₂光电极的情况下产生H₂和O₂。许多新型材料，如黑TiO₂、ZnO₂、g-C₃N₄、SrTiO₃、BiVO₄、ZnInS₄及其复合材料已被应用于光催化水分解和环境修复。为了进一步提高光催化的效率，许多有效的策略也应运而生，比如使用掺杂、助催化剂、缺陷操作、结点、量子约束效应和Z型构型等。然而，鉴于对材料带隙、比表面积和电荷分离的要求，大多数光催化材料是以纳米大小的颗粒形式应用，导致其很难与反应介质分离。此外，这些难以分离的纳米材料，有可能对环境造成二次污染，而且回收性能差，循环性能差，这极大地阻碍了其在实际中的应用。因此，迫切需要找到合适的基质来避免这些限制。

Fig.1 Hydrogel photocatalysts as an effective strategy for energy conversion and environmental treatment.

研究内容

目前，已经有许多关于将纳米大小的光催化材料装入发泡金属、塑料、水凝胶，以及与聚合物或粘合剂混合形成薄膜的报道。水凝胶也被认为是潜在的光催化的三维支撑网络。水凝胶具有良好的柔韧性、伸展性、离子传导性和环境兼容性，并且具有高的表面积和吸附能力。将光催化剂和水凝胶结合起来，或许可以更有效、更环保地进行能源转换和环境治理。水凝胶的物理和化学特性也可以通过调整交联点、改变基本组成、表面结构和其他界面修饰来增强光催化效果。水凝胶为光催化剂提供了一个合适的平台，用以实现高效的能源转换和环境调节。

    这篇综述总结了合成不同种类水凝胶光催化剂材料的不同方法。这些水凝胶光催化剂是通过把水凝胶加入各种光催化剂，如TiO₂、C₃N₄、CdS、CuS、PMI和石墨烯混合复合物而开发出来的。此外，本文还详细讨论了水凝胶光催化剂在能源转换和环境处理方面的两个主要应用，并且总结了水凝胶光催化剂在各种应用中的最新进展。希望本文可以为设计和制造先进的水凝胶光催化剂材料提供新的见解，以实现高效的光催化。

Fig.9 Hydrogel photocatalysts for hydrogen generation.

Fig.11 Gel-based photocatalyst for CO₂ conversion.

Fig.12 Removal of metal ions using hydrogel photocatalyst.

Fig.13 Synergistic water evaporation and H₂ generation.

研究展望

尽管近年来在水凝胶光催化剂的成分和结构设计方面取得了一些成就，但这一领域仍处于早期发展阶段，在提高光催化效率和稳定性以满足实际应用需求方面仍有许多挑战。为了应对这些挑战，需要在以下几个方面做出努力。

1) 目前对水凝胶光催化剂的研究集中在光催化剂和凝胶网络的随机共混上，这可能会限制光催化活性部位的暴露。颗粒状的干凝胶可能会导致操作复杂化，并因光催化剂泄漏而导致分离困难和二次污染，而且回收性差。

2）目前的研究主要集中在光催化剂的设计和修改上，对水凝胶成分的内在特性的研究较少。调节凝胶的网络结构和膨胀性能以及凝胶的吸附性能也会协同促进光催化剂的性能，需要进一步研究。

    为了进一步改善水凝胶光催化材料的催化性能，水凝胶单体和光催化剂的界面修饰以及凝胶网络的调控可能会是一种有效的策略，可以实现光催化凝胶的高效可持续循环，从而克服现有水凝胶光催化剂的缺点。

原文信息

Hydrogel photocatalysts for efficient energy conversion and environmental treatment

Wenwei LEI¹, Norihiro SUZUKI², Chiaki TERASHIMA*², Akira FUJISHIMA¹

作者单位：

1. School of Environmental and Chemical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; Photocatalysis International Research Center, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, Japan

2. Photocatalysis International Research Center, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, Japan

Abstract：

Photocatalysts have attracted great research interest owing to their excellent properties and potential for simultaneously addressing challenges related to energy needs and environmental pollution. Photocatalytic particles need to be in contact with their respective media to exhibit efficient photocatalytic performances. However, it is difficult to separate nanometer-sized photocatalytic materials from reaction media later, which may lead to secondary pollution and a poor recycling performance. Hydrogel photocatalysts with a three-dimensional (3D) network structures are promising support materials for photocatalysts based on features such as high specific surface areas and adsorption capacities and good environmental compatibility. In this review, hydrogel photocatalysts are classified into two different categories depending on their elemental composition and recent progresses in the methods for preparing hydrogel photocatalysts are summarized. Moreover, current applications of hydrogel photocatalysts in energy conversion and environmental remediation are reviewed. Furthermore, a comprehensive outlook and highlight future challenges in the development of hydrogel photocatalysts are presented.

Keywords:

hydrogel, photocatalysts, energy conversion, environmental treatment

Cite this article

Wenwei LEI, Norihiro SUZUKI, Chiaki TERASHIMA, Akira FUJISHIMA. Hydrogel photocatalysts for efficient energy conversion and environmental treatment. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0756-x

Frontiers in Energy （SCI，2020 IF 2.709）)于2007年创刊，是全英文能源领域综合性学术期刊。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、科学快报、专题论文等。特别关注可再生能源、未来能源、超常规能源、2030能源、微/纳米能源、能源与环境等全球能源的重大挑战问题。

    涉及领域包括（不限于）：先进的能源材料，储能与应用，氢能与燃料电池，CO₂ 捕集、封存和利用，太阳能和光伏系统，生物燃料和生物能源，地热能，风能，地热能，潮汐能，核能，传热传质技术，能源与环境，建筑节能及能源经济政策等。

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