用于太阳能至化学能转化的空心异质结光催化剂学术资讯

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太阳能因其所具有的广泛性、丰富性和清洁性等特点，成为了具有替代化石能源潜力的可再生能源之一。尽管太阳能已大量地应用于光热及光伏领域，但光照的不连续性和分散性却制约着太阳能更广泛的应用。将光能转化为便于利用的化学能可以有效的克服相关问题，得到了越来越多的关注，成为解决人类未来能源危机的和环境问题最具前景的手段之一。因此，设计高效的太阳能至化学能转化光催化剂是实现这一过程的重点与难点。近年来，新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组在空心异质结光催化剂的设计与制备及其在太阳能至化学催化转化方面取得了优秀的成果，得到了广泛关注，并受邀撰写了题为“Design of Heterostructured Hollow Photocatalysts for Solar-to-Chemical Energy Conversion”的综述文章。文章基于课题组研究的特色，介绍了相关领域的最新研究成果，并对高性能空心异质结光催化材料的设计与发展前景进行了展望。此综述论文首先以光催化水分解制氢以及光催化二氧化碳还原为例，介绍了光催化反应过程中光生电子与空穴的行为模式，讨论了提高各个步骤中载流子利用效率的方法，突出强调了异质结的建立与空心结构的构筑对催化剂性能提高的重要作用（图1）。具体而言，异质结的建立能够有效的拓展催化剂可吸收利用光谱的范围，在内电场的作用下促进电子与空穴的分离，并可实现对氧化与还原反应活性的同步提高。于此同时，光催化剂空心结构的构筑可以提高材料的比表面积而提供丰富的表面活性位点，能够降低电荷传导的距离，增强光散射效应以提高材料对光的吸收与利用（图2）。对于具有开放空心结构的催化剂而言，材料中的传质过程能够得到进一步的促进，从而提高催化剂的性能。

图 1. 太阳能至化学能转化与空心异质结光催化剂。

图 2. 具有封闭与开放空心结构光催化剂在反应中的优势。文章进一步介绍了具有封闭空心结构异质结光催化剂的相关研究工作，并将材料分类为单层及多层空心异质结光催化剂进行讨论（图3）。随后，对具有管状结构及框架结构的开放空心异质结光催化剂进行了分别的论述。最后，综述总结了所介绍的空心异质结光催化剂在相应光催化反应中的表现，同时展望了这一领域在未来新合成方法的开发、促进机理的研究以及大规模应用中所将面临的机遇与挑战。

图 3. 空心异质结催化剂的代表性结构。此综述文章发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者和通讯作者分别是新加坡南洋理工大学的张鹏博士和楼雄文教授。

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