华中科技大学王锋课题组综述：基于CdS和CdSe纳米半导体材料的可见光催化二氧化碳还原研究进展

第一作者：吴进、刘京

通讯作者：王锋

通讯单位：华中科技大学化学与化工学院

注：此综述是“CO₂还原”专刊邀请稿，客座编辑：中国科学院化学研究所刘志敏研究员、北京化工大学孙振宇教授

引用信息

吴进, 刘京, 夏雾, 任颖异, 王锋. 基于CdS和CdSe纳米半导体材料的可见光催化二氧化碳还原研究进展. 物理化学学报, 2021, 37 (5), 2008043.

Jin Wu, Jing Liu, Wu Xia, Ying-Yi Ren, Feng Wang. Advances on Photocatalytic CO₂ Reduction Based on CdS and CdSe Nano-Semiconductors. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (5), 2008043.

主要亮点

通过人工光合作用系统将二氧化碳还原为一氧化碳、甲烷等太阳燃料被认为是二氧化碳资源化利用的理想方式。纳米半导体材料因其丰富的光物理和光化学特性以及优异的光稳定性被作为光敏剂或光催化剂用于构筑光催化二氧化碳还原体系，其中CdS和CdSe纳米半导体材料（如溶胶量子点、纳米棒、纳米片）是最为常用的两种纳米半导体材料。基于CdS或CdSe纳米半导体材料的光催化二氧化碳还原体系可分为三类：(i) 基于CdS、CdSe的光催化二氧化碳还原体系；(ii) 基于CdS、CdSe复合材料的二氧化碳还原体系；(iii) CdS和分子催化剂构筑的杂化二氧化碳还原体系。本文介绍了人工光合作用体系的构筑以及半导体纳米材料光催化机理，总结了上述三类体系中的代表性工作，最后讨论了基于纳米半导体材料的光催化二氧化碳还原研究前景和面临的挑战。

研究背景：意义、现状

二氧化碳的资源化利用是当今催化研究领域的热点问题，其中通过可见光催化的方式将CO₂还原为含碳燃料或高附加值化学品被认为是颇具优势的资源化利用技术。事实上自然界中的绿色植物通过光合作用系统即能实现二氧化碳的光化学固定及还原，当前开展的光催化二氧化碳还原研究正是基于对自然界光合作用工作原理的模拟，通过构筑人工光合作用体系将二氧化碳转化为高附加值化学品。

可见光催化二氧化碳还原体系的类型多种多样，其中无机半导体微纳米材料因其丰富的光物理和光化学性质和优异的光稳定性已被作为光敏剂或光催化剂运用于人工光合作用体系的构筑中。这其中尤以CdS和CdSe等金属-硫族纳米半导体材料材料（例如CdS量子点、CdS纳米棒/片、CdSe量子点以及基于它们的复合材料）最为常用。本文总结了基于CdS和CdSe无机半导体纳米材料的可见光催化CO₂还原研究进展，对催化体系的构筑、特点及光催化二氧化碳还原表现进行了总结，并讨论了纳米半导体材料在光催化CO₂还原中面临的挑战。

核心内容

1.  半导体量子点的光催化机理

在可见光催化体系中，无机半导体微纳米材料通常与助催化剂一起构成光催化剂。其中纳米半导体材料作为吸光单元担负吸收可见光并产生激发态电子的作用；助催化剂通常是催化反应发生的中心。在可见光照射下，半导体材料被激发产生电子-空穴对；随后电子-空穴对分离，并分别向半导体材料的表面迁移。在这一过程中，电子-空穴对有可能复合——这对于光催化而言是不利的，会降低光催化体系的量子产率。迁移至半导体表面的电子引发还原反应；相应地，迁移至表面的空穴引发氧化反应。对于光催化二氧化碳还原体系而言，导带电子注入助催化剂，被还原的助催化剂结合二氧化碳分子引发还原反应生成相应的还原产物；而位于价带的空穴则与电子牺牲体反应被消耗，半导体材料在这里充当了光合作用中的光敏剂。在纳米半导体材料体系中引入助催化剂能够有效抑制电子-空穴对的复合，提高光催化效率。

图1 纳米半导体材料光催化机理示意图

2.  基于CdS、CdSe纳米半导体材料的可见光催化CO₂还原研究现状

基于CdS和CdSe纳米半导体材料的可见光催化二氧化碳还原体系可以分为三类：第一类是CdS和CdSe自身作为光催化剂的光催化CO₂还原体系，这类体系无需外加助催化剂，CO₂还原反应发生在半导体材料表面。第二类是以CdS或CdSe复合材料为光催化剂的光催化CO₂还原体系，这类体系中CdS或CdSe仍然是光催化反应的主要场所，但是通过与功能材料的复合提升了半导体材料的光催化活性。第三类是CdS或CdSe与分子催化剂构筑的杂化光催化CO₂还原体系，这类体系中CdS或CdSe作为光敏剂，被还原的分子催化剂是CO₂还原的主要场所，这类体系将无机半导体材料和分子催化剂的诸多优势结合起来，总体提升了光催化二氧化碳还原的活性和稳定性。

结论与展望

CdS和CdSe纳米半导体材料以其优异的光物理和光化学性质已成功运用于多种可见光催化CO₂还原体系中，它们或自身作为光催化剂在其表面完成CO₂的光化学还原，或作为光敏剂与助催化剂一起完成CO₂光催化还原。但是，纵观综述研究，目前仍存在一些挑战亟待解决。首先，在长时间的光催化过程中，其自身光腐蚀仍不可避免；其次，这类材料含有金属Cd，实际应用中将会带来环境污染的隐忧。最后，可见光CO₂还原的选择性和还原程度仍然不高，大多数体系仅能将CO₂还原为CO等初级还原产物。因此如何通过材料和体系设计提高光催化CO₂还原的选择性、还原程度，提升体系稳定性，同时发展环境友好的新型光催化材料仍然是目前面临的重要挑战。

☎作者介绍

 王锋 

理学博士，华中科技大学化学与化工学院副教授、博士生导师。2005年毕业于华中科技大学化学系应用化学专业，获理学学士学位。2008.09-2013.06年于中国科学院理化技术研究所攻读有机化学专业博士学位，获理学博士学位。2013.10-2016.10年在香港大学化学系从事博士后研究。2016年10月入职华中科技大学。长期致力于太阳能光化学转换和超分子光化学研究，目前主要研究方向是人工光合作用中的光催化制氢和二氧化碳还原。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202008043