近日，《催化學(xué)報(bào)》在線發(fā)表了江蘇大學(xué)霍鵬偉教授團(tuán)隊(duì)在光催化環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的最新綜述文章。該工作綜述了多相光催化體系的基本原理、面臨挑戰(zhàn)、半導(dǎo)體光催化劑及其改性策略在多相光催化環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)多相光催化在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。論文第一作者為：王慧杰，論文共同通訊作者為：霍鵬偉、李鑫。
02背景介紹
日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題深刻影響著人類的生存和健康，探究?jī)r(jià)廉、反應(yīng)條件溫和且高效的污染物降解技術(shù)成為了目前研究的熱點(diǎn)。多相光催化技術(shù)作為一種直接利用太陽(yáng)光降解多種污染物的先進(jìn)氧化工藝在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究中已成為一個(gè)具有重要研究意義的課題。然而，由于環(huán)境中污染物逐漸呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化，多相光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用中面臨著眾多挑戰(zhàn)，亟需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效的半導(dǎo)體光催化材料和修飾策略，以及結(jié)合先進(jìn)的表征技術(shù)和理論計(jì)算等方法探究反應(yīng)機(jī)理，從而進(jìn)一步提高污染物的光催化降解活性，實(shí)現(xiàn)多相光催化技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。
03本文亮點(diǎn)
(1)本文將多相光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的基本原理、半導(dǎo)體材料及修飾策略進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。本文將其基本原理分為五個(gè)過(guò)程，并著重討論了光催化反應(yīng)體系中環(huán)境系統(tǒng)、活性氧物種、維度結(jié)構(gòu)、界面效應(yīng)，載流子傳輸機(jī)制，能帶結(jié)構(gòu)，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程等因素對(duì)反應(yīng)體系的影響。
(2)在多相光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)中面臨的挑戰(zhàn)討論中，梳理了應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)中的半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體修飾策略的最新研究進(jìn)展。并重點(diǎn)介紹了各種半導(dǎo)體修飾策略：異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)、缺陷工程、助催化體系、元素?fù)诫s、活性氧物種體系以及金屬磷化。此外，詳細(xì)闡述了各種異質(zhì)結(jié)體系在電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理方面差異、優(yōu)勢(shì)和未來(lái)的發(fā)展方向。
(3)最后，總結(jié)了多相光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)多相光催化在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望：開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體修飾策略，結(jié)合半導(dǎo)體材料的光電性能、光催化活性以及先進(jìn)的表征手段和理論計(jì)算等，為理解、研究和設(shè)計(jì)各種環(huán)境污染物的光催化修復(fù)體系提供參考，并最終實(shí)現(xiàn)多相光催化環(huán)境修復(fù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。
04圖文解析
大量研究已證明多相光催化可有效降解復(fù)雜和多樣的環(huán)境污染物。然而，還未能實(shí)現(xiàn)多相光催化的規(guī)?；瘧?yīng)用?；诖?，本文詳細(xì)討論了多相光催化的基本原理、在環(huán)境污染物修復(fù)中的應(yīng)用、半導(dǎo)體材料以及修飾策略，以期為多相光催化在環(huán)境修復(fù)中的進(jìn)一步研究提供參考。
要點(diǎn)1：
近年來(lái)，隨著多相光催化技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展，在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究逐年增加。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染物種類也逐漸趨于多樣和復(fù)雜化，將各類污染物通過(guò)多相光催化技術(shù)降解為低污染或者無(wú)污染的小分子是眾多研究者追求的目標(biāo)，也成為了目前研究的熱點(diǎn)。
要點(diǎn)2：
本文將各類污染物分為四類：(1)水體中的污染物;(2)固態(tài)污染物;(3)氣態(tài)污染物;(4)病原微生物。多相光催化降解污染物的過(guò)程中，其基本原理通常包括五個(gè)步驟：(1)污染物的吸附;(2)一定能量的太陽(yáng)光照射在光催化劑表面并成功激發(fā)光生電子和空穴對(duì);(3)一部分光生電子空穴對(duì)在光催化劑內(nèi)部或表面發(fā)生復(fù)合，另一部分光生電子空穴對(duì)遷移至半導(dǎo)體表面;(4)污染物的在活性氧物種作用下發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，并最終降解為小分子化合物;(5)小分子化合物脫附后，光催化降解反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
要點(diǎn)3：
二維層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)及其衍生物已廣泛應(yīng)用于多相光催化降解環(huán)境污染物。LDHs通常由兩個(gè)或兩個(gè)以上二價(jià)(如Zn2+、Cu2+、Ni2+、Co2+、Mg2+)或三價(jià)金屬(包括Al3+、Ga3+、Cr3+、Fe3+)氫氧化物組成，通過(guò)調(diào)整不同的金屬材料組合可以使LDHs具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子性能。此外，盡管可以根據(jù)應(yīng)用需要對(duì)金屬陽(yáng)離子進(jìn)行修飾，但由于層間的陰離子保持了電荷中性，所以LDHs的骨架基本不變，保持了良好的穩(wěn)定性。此外，基于LDH的材料具有表面積大、能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)、光吸收范圍寬等特點(diǎn)，為光催化降解環(huán)境污染物的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和機(jī)理研究提供了新的途徑。
要點(diǎn)4：
從熱力學(xué)角度看，光催化劑的CB和VB與反應(yīng)電勢(shì)的差異是光催化反應(yīng)的一個(gè)特定的動(dòng)力來(lái)源。然而，單一光催化劑應(yīng)具有更負(fù)的CB和更正的VB，才可表現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化還原能力。相反，為了更高的太陽(yáng)能收集效率，需要更正的CB和更負(fù)的VB位置。考慮到這一矛盾，設(shè)計(jì)合理的異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)是有效分離光催化劑中電子空穴對(duì)的有效策略之一。異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)主要有：p-n異質(zhì)結(jié)、表面異質(zhì)結(jié)以及最新提出的S型異質(zhì)結(jié)等。
要點(diǎn)5：
具有代表性的光催化劑根據(jù)其能帶結(jié)構(gòu)可分為兩類:氧化型光催化劑(OP)和還原型光催化劑(RP)。S方案異質(zhì)結(jié)由RP和OP組成，在RP的CB上的e-和OP的VB上h+被保留下來(lái)，從而保留了較強(qiáng)的氧化還原電位，此外，在內(nèi)建電場(chǎng)，能帶彎曲和靜電相互作用等三個(gè)因素的協(xié)同作用下，實(shí)現(xiàn)了光生電子空穴的空間分離，從而大大提高光催化效率。如Wang等人利用S摻雜g-C3N4與TiO2構(gòu)建了一種S型異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料，與純TiO2和SCN相比，SCN/TiO2復(fù)合材料對(duì)CR的光催化降解活性明顯增強(qiáng)。
要點(diǎn)6：
金屬磷化技術(shù)在超級(jí)電容器、光催化析氫、催化轉(zhuǎn)化和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。常用的磷化金屬主要有Fe、Co、Ni、Mo等過(guò)渡金屬，為了提高電荷分離效率，周期表IIIA中具有獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)的金屬Ga和金屬I(mǎi)n通常被用作助催化金屬。值得注意的是，P可以與金屬偶聯(lián)形成金屬- P鍵，從而提高光催化劑的捕光能力和電子的傳輸能力。
05全文小結(jié)
1. 多相光催化技術(shù)作為一種直接利用太陽(yáng)光降解多種污染物的先進(jìn)氧化工藝在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究中引起了廣泛關(guān)注。然而，由于自然環(huán)境中污染物種類越來(lái)越多樣和復(fù)雜, 多相光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。2. 本文首先對(duì)環(huán)境修復(fù)中半導(dǎo)體多相光催化的基本原理, 光催化過(guò)程中活性氧物種的種類及其作用機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。并通過(guò)引入環(huán)境中潛在污染物和光催化環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，以具體實(shí)例詳細(xì)地介紹了近年來(lái)應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)中的多相光催化半導(dǎo)體材料及各種半導(dǎo)體修飾策略。3. 總結(jié)了多相光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展, 并對(duì)多相光催化在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
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