先进光催化剂设计与制备

余家国，李鑫，王伟俊，张留洋

1 武汉理工大学，材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070

2 华南农业大学林学与风景园林学院，农业部能源植物资源与利用重点实验室，广州 510642

3 School of Energy and Chemical Engineering, Xiamen University Malaysia, Selangor Darul Ehsan 43900, Malaysia.

光催化材料和技术在能源1,2、环境、健康3,4、生态建筑材料等领域具有广阔的应用前景，先进光催化剂的设计与制备是光催化领域的研究热点5。当前，光催化材料面临的最大挑战是低的光催化效率和快的光生电子和空穴复合。传统II型异质结光生载流子的还原氧化能力被极大削弱，热力学上并不利于光催化反应的进行。动力学上由于光生电子和电子，空穴与空穴之间的排斥作用，电子和空穴的空间分离也很难实现。为克服II型异质结的缺陷，2019年，一个新的梯形(S-scheme)异质结概念被提出，梯形异质结由氧化型和还原型光催化剂组成，一方面该异质结可以消除系统中相对无用的光生载流子，另一方面可以保留相对有用的光生载流子，使系统具有强的氧化还原能力和高的光催化性能6。本专刊邀请了从事光催化研究的学者团队，介绍他们近年来的研究进展和总结。

本专刊共发表文章13篇，其中综述5篇，研究论文8篇。从研究材料看，4篇与TiO2有关，4篇与C3N4有关。从光催化机理看，5篇联系到梯形(Stepscheme, S-scheme)异质结光催化材料制备与机理研究。

专刊从应用领域划分为三方面：

(1) 分解水产氢

靳治良和其研究团队7制备了曙红敏化NiS2和MoSe2梯形异质结复合材料，得益于增强的光吸收和异质结的建立，该复合材料的析氢速率高达7 mmol·h−1·g−1，比纯NiS2和MoSe2提升了2.05和2.44倍。王国宏和其同事8通过微波辅助法将二维ZnIn2S4纳米片生长在TiO2纳米纤维上。通过调节前驱体的摩尔比，得到了优化的梯形异质结光催化剂，其性能比单一材料提升了数倍。余火根和其同事9通过富含羧基官能团的石墨烯修饰TiO2，且用各种先进表征技术证实了复合光催化剂的成功合成。由于亲核性羧基富集氢离子的能力，该复合光催化剂展现了较高的产氢活性。徐全龙和其合作者10设计了具有反蛋白石结构的g-C3N4,并探究了光利用率和光生电荷分离的影响因素。与体相相比，其3D多孔结构拥有超高比表面积，表现出更高的光催化产氢速率。李鑫和其研究团队11合成了一维Mn0.2Cd0.8S纳米棒和二维Ti3C2MXene纳米片的肖特基异质结，并探讨了二者之间的协同作用对光催化产氢的影响。实验结果证实了异质结能够有效分离光生电荷，而纳米片则显著改善析氢动力学。

(2) 二氧化碳还原

朱必成和其同事12通过密度泛函理论研究了二维/二维BP/g-C3N4的能带位置、界面电子相互作用以及二氧化碳还原过程，通过对比研究发现异质结有效降低了二氧化碳还原反应的势垒，且实现光生载流子的高效分离。周雪梅13总结了贵金属单原子修饰二氧化钛催化剂的制备方法及其控制条件，并讨论了电镜和谱学分析等表征手段，最后针对这些催化剂的作用机理和应用范围做出了讨论。彭天右领导的团队14介绍了Z型异质结的发展历史和调控手段，阐述了该体系的反应途径，并提出了该体系的挑战和发展方向。针对g-C3N4在光催化反应中的瓶颈问题，李云峰等15综述了各种改性方法在光催化产氢和二氧化碳还原方面的潜在应用。刘升卫团队16概括了表面氟化TiO2多孔空心微球的制备方法和微观结构参数的调控，介绍了多孔空心结构的优势。王伟俊和其合作者17展望了结构易调控的钙钛矿氧化物光催化剂在水分解、二氧化碳还原转化、固氮等方面的发展前景。

(3) 污染物降解

许第发团队18设计了柔性BiOI/PAN复合纤维，该纤维独特的分级结构改善了光吸收。此外，他们还通过一系列表征手段证实了梯形异质结的电子转移方式。该柔性复合纤维不仅在氧化苯酚中展现了优异的性能，而且易于回收再利用。除了之前探讨的无机半导体光催化剂，李喜宝带领其团队19利用g-C3N4和PDI-Ala之间的π–π相互作用和N―C键紧密结合自组装了全有机梯形光催化剂。并对其结构和性能进行了系统的分析。实验结果表明该催化剂在匹配的能带和紧密的界面的帮助下，产生了多种活性物种，并在可见光下实现了四环素和硝基苯酚的有效降解。

在先进光催化材料的漫漫探索之路上，我们希望该专刊能够为先进光催化剂的设计构筑提供指导，也为其性能突破提供新的认识。