四川大学周雪梅教授课题组综述：TiO2负载金属单原子催化剂用于光催化反应

作者：物理化学学报

第一作者：周雪梅

通讯作者：周雪梅

通讯单位：四川大学化学工程学院

注：此综述是“先进光催化剂设计与制备”专刊邀请稿，客座编辑：武汉理工大学余家国教授、厦门大学马来西亚分校王伟俊教授、华南农业大学李鑫研究员、武汉理工大学张留洋副研究员

引用信息

周雪梅. 二氧化钛负载单原子催化剂用于光催化反应的研究. 物理化学学报, 2021, 37 (6), 2008064.

DOI：10.3866/PKU.WHXB202008064

Xuemei Zhou. TiO₂-Supported Single-Atom Catalysts for Photocatalytic Reactions. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (6), 2008064.

DOI：10.3866/PKU.WHXB202008064

主要亮点

二氧化钛一直是研究和运用最广泛的金属氧化物半导体光催化剂。从原子级别调控二氧化钛表面金属助催化剂的结构性质，从而对二氧化钛的光催化活性进行改性具备重要的运用价值。本综述概述在TiO₂表面上负载单原子金属催化剂的合成方法，显微镜表征和光谱表征手段，以及在光催化应用的最新工作。合成方法包括缺陷位的产生，表面修饰，高温脉冲处理以及金属配体的自组装等。对单原子的表征手段包括球差校正扫描透射显微镜，扫描隧道显微镜，扩展X射线吸收精细结构光谱和分子探针傅里叶变换红外光谱等。本综述归纳总结在TiO₂表面金属单原子稳定的关键因素，并阐明其在光催化产氢和CO₂还原的潜在机理。

研究背景：意义、现状

通过光催化技术，将太阳能转换为可储存的化学能源，例如未来的清洁燃料氢气，甲烷，甲醇或者长链烷烃等。太阳光催化水分解产生高纯绿色氢气是生产氢气的绿色环保技术。光催化二氧化碳转换化为高附加值燃料被认为是一种经济有前景的方法。本文重点对二氧化钛负载金属单原子催化剂运用于光催化产氢和二氧化碳转化的相关机理进行揭示，阐明高分散金属单原子对催化反应的促进作用。

核心内容

1  金属单原子在二氧化钛表面上稳定的方法

讨论了在二氧化钛表面负载金属单原子的主要合成策略，包括表面缺陷法、表面修饰、高温脉冲及表面金属配体组装等，并且探讨了这些制备方法的控制条件和实用范围。

图1  TiO₂负载金属单原子的合成策略概述

2  二氧化钛负载金属单原子的评价方法

本部分介绍显微镜技术和光谱学对TiO₂负载金属单原子的分析，包括球差校正扫描透射显微镜，扫描隧道显微镜，扩展X射线吸收精细结构分析，和分子探针红外吸收谱。各种检测手段的适用条件如表1归纳所示。

表1  用于表征TiO₂表面金属单原子的相关技术以及关键实验条件

结论与展望

由于文章篇幅有限，该综述对二氧化钛负载单原子催化剂在光催化领域的运用只能粗略谈及，但是我们希望针对这个领域为感兴趣的读者提供一个覆盖面比较全的介绍。该光催化体系比较复杂，还有一些未知的问题，例如单原子金属在二氧化钛带宽中的准确位置，对光催化反应中电子传输动力学的分析，利用原位手段对反应条件下金属单原子结构的表征，以及金属单原子是否具备最优催化效率。尽管还有问题待解决，工业上（可持续的化学过程）对低成本催化剂和载体的需求促进了高分散金属单原子催化剂的研究和发展。在光催化反应中还有待研究的一些方面，例如催化理论的建立，制备方法论以及该类型催化剂在更广泛光催化反应中的利用。

☎作者介绍

 周 雪 梅 

1988年1月出生，2010年获得中国农业大学的学士学位，2013年获得中国科学院大学硕士学位，培养单位为国家纳米科学中心。2018年获得德国埃尔朗根纽伦堡大学的博士学位后，在美国印第安纳大学做博士后工作。2020年加入四川大学化学工程学院，担任特聘研究员。主要从事二氧化钛功能化的研究，以实现其在光电转化制备清洁能源和光催化制备高附加值有机物的运用。

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.WHXB202008064