武汉大学彭天右教授课题组综述: Z-型机制异质结在光催化能源转化领域的应用

第一作者：刘东

通讯作者：彭天右，李仁杰

通讯单位：武汉大学化学与分子科学学院

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

刘东, 陈圣韬, 李仁杰, 彭天右. 用于光催化能量转换的Z-型异质结的研究进展. 物理化学学报, 2021, 37 (6), 2010017.

doi:10.3866/10.3866/PKU.WHXB202010017

Dong Liu, Shengtao Chen, Renjie Li, Tianyou Peng. Review of Z-Scheme Heterojunctions for Photocatalytic Energy Conversion. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (6), 2010017.

doi:10.3866/10.3866/PKU.WHXB202010017

主要亮点

文章重点介绍了不同构型的Z-型异质结在光催化分解水、二氧化碳还原和固氮领域的最新研究进展，强调了采用先进的原位表征技术和理论计算相结合的方式分析和理解光催化Z-型作用机制的重要性，并评述和总结了各类Z-型异质结光催化性能的优化策略。最后，文章提出了Z-型异质结催化剂面临的挑战及发展趋势，为深入理解Z-型机制异质结光催化剂并构建新型催化剂提供了参考。

研究背景：意义、现状

开发清洁、可再生、环境友好的新能源是缓解能源短缺和环境污染等问题的首选方案。太阳能取之不尽、用之不竭，把太阳能转化为能被人类利用的能源，逐渐成为能源转化领域的研究热点。其中，光催化分解水制氢；光催化还原二氧化碳制“太阳燃料”和光催化固氮制氨（NH₃）等光-化学能转化技术，因具有成本低、环境友好和潜在应用范围广等优点受到了广泛关注。在一个完整的光催化剂反应体系中，光催化剂是必不可少的组成部分。因无机材料具有易制备、活性高的优点，而有机材料具有结构多样、可调控范围宽的特色。因此，充分利用无机材料和有机材料的优势，制备低成本、高活性的光催化剂、并寻求有效的性能优化策略是获得高能源转化效率的主要路径。本文重点介绍了近些年来不同类型的Z-型异质结光催化剂在能源转化领域的研究进展以及相应的表征方法和结构与性能的调控策略等，并剖析了Z-型异质结光催化剂的挑战和发展前景。

核心内容

1  Z-型异质结光催化剂在能源转化领域的应用

目前，用于光催化能源转换的Z-型异质结材料大致可分为三大类：无机材料、有机材料和无机-有机复合材料。其中，Z-型无机异质结材料的光催化体系往往能获得较高的量子效率，但其光谱吸收范围的可调控区间非常有限。Z-型有机异质结材料体系常具有复杂的电子构型，因而具有多种多样的化学和能带结构，便于进行性能调控与优化。但有机材料也存在制备流程较复杂、光生载流子复合较严重等问题，因而在光催化CO₂还原、分解水产氢和固氮等领域的应用不如无机异质结材料广泛。综合考虑无机材料和有机材料的优缺点，越来越多的光催化体系采用Z-型无机-有机复合材料。正如文中所述，这样的体系也表现出了优异的催化活性，表明该类Z-型异质结在未来光-能转换领域具有广阔的应用前景。

2  Z-机制异质结催化剂的表征方法和调控策略

负载金属或添加牺牲试剂、自由基捕获、原位XPS表征、光催化还原测试、瞬态谱学表征和理论计算等方法常被用来证明Z-型异质结的光催化作用机制。为了获得高能源转化效率，研究者根据目标材料的性能，提出了多种调控Z-型机制光催化体系性能的策略。其中拓宽光谱吸收范围、提高光生电荷的分离/转移效率、表面化学修饰等方法受到研究者们的重点关注。

结论与展望

综上所述，充分利用无机材料和有机材料的优势，开发高效光催化剂对于获得高效的能源转化效率具有重要意义。作为一种高效光催化剂，Z-型异质结材料已经引起了研究者越来越多的关注。本文对近几年不同类型的Z-型异质结光催化剂在光催化能源转化领域的应用进行了较全面的总结，对于深入理解Z-型无机异质结材料、有机异质结材料和无机-有机复合材料的载流子产生、转移及分离机制、表界面反应及其构效关系等方面具有指导意义。尽管如此，深入理解不同体系的反应机理以及更好地证明Z-型异质结光催化体系光生电荷间的相互作用和分离机制等仍然是颇具挑战性的工作。

☎作者介绍

 彭 天 右 

1969年生，武汉大学化学与分子科学学院教授，博导。1998年于武汉大学获得博士学位。主要从事纳米功能材料、光催化、电化学催化，新能源技术方面的研究工作。

 李 仁 杰 

1981年生，武汉大学化学与分子科学学院副教授。2008年于山东大学获得博士学位。主要从事卟啉/酞菁等功能配合物的设计合成与表征、光催化、新能源技术方面的研究工作。

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.WHXB202010017