少层氮化碳光催化剂合成太阳燃料和高附加值化学品:现状与展望

摘要

将太阳能直接转化为燃料和高附加值化学品是存储可再生能源非常有前景的策略.少层氮化碳材料因其比表面积大、电荷传输距离短、活性位点暴露多等优点,在合成太阳燃料和高附加值化学品方面展示出巨大潜力,而成为光催化领域的研究热点.本文总结了近年来少层氮化碳基光催化剂的合成、结构调控及其在合成太阳燃料和高附加值化学品领域的研究成果.首先简要介绍了用于少层氮化碳材料的合成方法,包括剥离、热氧化刻蚀、真空冷冻干燥、分子自组装、球磨以及化学气相沉积技术,并讨论了不同方法的优缺点.其次,深入分析了少层氮化碳的化学改性(杂原子掺杂、缺陷工程、异质结构)、微结构调控(零维量子点、一维纳米带、二维纳米网片、三维纳米组装体)对其电子结构、光学性质、电荷分离和迁移的影响.针对不同的改性策略,分别从光催化反应三个过程(光的捕集、光生电荷分离和迁移及表面催化反应)讨论其对于少层氮化碳基材光催化活性的促进作用以及存在的不足,涉及的反应包括光催化分解水、CO_(2)还原、氮气还原合成氨、光合成过氧化氢和光催化有机小分子合成.最后,从光催化剂设计、光催化反应体系、反应机理和反应器四个方面讨论了少层氮化碳基光催化剂在合成太阳燃料和高附加值化学品领域面临的挑战和发展前景.对于催化剂设计,其表面态决定光催化性能.目前定量研究催化剂表面缺陷和光催化活性之间的关系是一个巨大的挑战,未来在精确控制少层氮化碳基光催化剂的表面态方面需要更多的研究工作;另外,目前报道的助催化剂大多是大颗粒或者纳米粒子,未来应将具有高活性的单原子或单活性位点与少层氮化碳结合,以提高其光催化活性.对于光催化反应体系,目前报道的研究工作大部分需要利用使用牺牲剂消耗掉空穴,以实现高效分解水产氢、CO_(2)还原、合成氨,从而导致成本较高.将原本消耗牺牲剂端的氧化半反应替换为附加值更高的化学品同时产氢、CO_(2)还原或者N2还原则可以充分利用光生电子和空穴,减少浪费.目前报道的大部分反应机理和反应路径依赖于假设,缺少确凿的证据,可以利用先进的原位技术如时间分辨光谱、瞬态和稳态光谱应该用来研究少层氮化碳的激发态载流子动力学和反应中间物种,进而阐明反应路径.对于反应器,目前反应采用的都是罐子反应器,但存在传质受限和催化剂分离与回收成本问题,结合工业化需求,未来可开发流动反应器来解决上述问题.此外,大数据、机器学习、人工智能对于繁琐的催化剂筛选以及预测提供了快捷路径,这将是未来的研究重点.