1. 首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

Advanced Materials综述:空心纳米结构之于光催化的优势与挑战

该文章基于光催化反应的三个基本过程(光吸收,电荷分离与传输,表面反应)系统地总结了空心纳米结构在光催化反应中存在的优势和面临的挑战,并提出了可行的解决策略和研究方向,以期进一步推动这一研究领域的快速发展。

【前沿部分】

太阳能驱动的光催化反应为解决能源和环境问题提供了一个可行之道,从而受到了广泛的关注。近些年来,关于光催化的研究取得了突破性的进展。光催化的性能取决于光催化剂的设计,可以通过优化光吸收,电荷分离与传输,以及表面反应等过程来实现高效的太阳能转化。相对于传统的块体材料,空心纳米结构在光催化剂设计中具有诸多优点,包括有效的光闪射和吸收,缩短电荷迁移距离和实现定向电荷分离,以及壳表面提供大量的反应位点。然而,在高效率的空心纳米结构光催化剂的设计,光催化机理的探索以及光催化反应的优化等方面仍然存在很多挑战。

近期,澳大利亚昆士兰大学的王连洲教授和中科院金属所的刘岗研究员联合在Advanced Materials发表了题为“Hollow Nanostructures for Photocatalysis: Advantages and Challenges”的综述文章。该文章基于光催化反应的三个基本过程(光吸收,电荷分离与传输,表面反应)系统地总结了空心纳米结构在光催化反应中存在的优势和面临的挑战,并提出了可行的解决策略和研究方向,以期进一步推动这一研究领域的快速发展。

空心纳米结构之于光催化:优势与挑战

图1 综述概览图

【核心内容】

首先,作者从光催化反应的机理出发,系统地分析了空心纳米结构在光催化反应中存在的优势:1)通过光散射和慢光子效应增强光吸收能力;2)通过减少电荷转移距离和引导电荷的定向分离来抑制电荷损耗;3)通过增加表面积来加速表面反应,以及在空间上分离氧化还原反应。

空心纳米结构之于光催化:优势与挑战

图2 空心纳米结构光催化剂与自然界光合作用对比图

(1)光吸收

光催化剂的吸光能力决定了太阳能转化效率的上限。空心纳米结构通过减少光的穿透损失从而提高光吸收能力。一方面,空心纳米结构增强了散射效应;另一方面,三维有序的空心纳米结构(光子晶体)存在慢光子效应,有效地提高了光吸收。

空心纳米结构之于光催化:优势与挑战

图3 空心纳米结构中的光散射现象

(2)电荷分离与传输

光生载流子的复合损失是制约光催化反应效率的主要因素。空心纳米结构一方面通过缩短载流子传输距离而使载流子快速的到达表面参与反应,另一方面通过构筑异质结构实现载流子的定向分离与传输从而有效地抑制复合

空心纳米结构之于光催化:优势与挑战

图4 空心纳米结构中的电荷分离和传输

(3)表面反应

表面氧化还原反应是光催化反应中的最后一步。空心纳米结构在表面反应的优势体现在两个方面:一是高比较面积可以提供大的反应接触面积;二是空心球壳结构使空间分离氧化和还原反应成为了可能

空心纳米结构之于光催化:优势与挑战

图5 空心纳米结构中的表面反应

其次,作者提出了空心纳米结构在光催化应用中所面临的挑战以及可行的解决策略:

  1. 空心纳米结构的制备相对复杂,制约了其在光催化材料设计中的应用。有鉴于此,开发新型的合成空心纳米结构的方法迫在眉睫。

  2. 空心纳米结构对光催化反应效率的影响缺乏系统而深入的研究,阻碍了空心纳米结构光催化剂的设计。因此,理论与实验结合以建立空心纳米结构的物理化学性质与光催化反应之间的联系是十分有必要的。

  3. 基于空心纳米结构的粉末光催化体系在工业应用上存在困难。蒋空心纳米结构融入人工树叶的设计理念是一种可能的解决方案。

 

最后,作者对光催化的发展方向提出了一些见解,希望能够进一步推动这一研究领域的快速发展。

 

Mu Xiao, Zhiliang Wang, Miaoqiang Lyu, BinLuo, Songcan Wang, Gang Liu*, Hui-Ming Cheng, and Lianzhou Wang*, Hollow Nanostructures for Photocatalysis: Advantages and Challenges, Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201801369.

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论

联系我们

0755-86936171

有事找我:点击这里给我发消息

邮件:zhangzhexu@v-suan.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code