综述：梯度纳米材料基光催化剂的最新进展：原理、设计与应用

《Chinese Journal of Catalysis》：Recent advances in graded nanomaterial-based photocatalysts: Principles, designs, and applications

本综述系统阐述了梯度纳米材料在光催化领域的设计原理与性能优势，重点分析了多级孔结构、异质结构建（如S- scheme）和界面工程等策略如何提升光吸收效率、载流子分离能力及表面反应活性，为环境治理（CO2还原、污染物降解）和清洁能源（制氢）领域提供了新材料设计思路。

　　

梯度纳米材料基光催化剂的设计与应用进展

Abstract

全球能源需求增长和环境污染问题凸显了开发高效稳定光催化材料的重要性。梯度纳米材料因其多尺度孔隙、高比表面积和优化的电子传输路径等结构优势，在光催化领域展现出巨大潜力。本文系统探讨了梯度纳米材料的设计原则、合成方法及其光催化性能，为环境治理和清洁能源领域的材料优化提供新视角。

Introduction

随着化石燃料的开发利用，环境污染问题日益严重，其中二氧化碳排放尤为突出。化石燃料燃烧导致大气中CO₂浓度持续上升，引发全球变暖、空气质量下降及生物多样性减少等问题。开发清洁能源和治理技术成为全球性挑战。光催化技术利用太阳能驱动反应，在环境治理（如污染物降解、CO₂还原）和能源转换（如制氢）中具有广泛应用。然而，传统光催化剂存在紫外光吸收有限、载流子易复合及稳定性差等瓶颈。梯度纳米材料通过结构设计可显著提升光催化效率，成为当前研究热点。

Design principles of hierarchical structures

梯度结构设计注重多尺度调控（从纳米到微米级）和空间功能化。通过调控合成条件（如水热法、模板法），可构建具有特定形貌（纳米片、核壳结构等）和孔隙分布的材料。例如，ZnCdS/高熵合金（HEA）复合材料通过能带调控增强了可见光吸收；石墨烯量子点（GQDs）与Bi₂MoO₆（BMO）复合后，光生电子-空穴对分离效率显著提升，对双酚A（BPA）的降解率在120分钟内超过95%。多级孔结构（微孔-介孔-大孔）协同增加了比表面积和传质效率，为反应提供更多活性位点。

Photocatalytic performance evaluation criteria

光催化性能评估需综合考虑环境治理（如污染物降解率、矿化程度）、能源生产（如H₂产率、CO₂转化效率）及化学合成效率等指标。稳定性、成本和环境适应性是实际应用的关键约束条件。例如，BiOCl/Bi₂WO₆（BB-6）复合材料在pH=3–11范围内对四环素（TC）的降解率均保持在90%以上，展现出优异的环境适应性。

Generation and separation of photogenerated carriers

光催化反应的核心是光生载流子的产生与分离。半导体吸收光子后，价带（VB）电子跃迁至导带（CB），形成电子-空穴对。梯度结构通过能带工程（如S- scheme异质结）和内建电场促进载流子分离，减少复合损失。界面工程（如BiOX/TiO₂复合）可调控能带结构，增强对全氟辛酸（PFOA）等难降解污染物的光降解性能。

Implications and challenges of in-situ characterization

原位表征技术（如X射线吸收光谱、原位电镜）可实时监测光催化反应过程中催化剂结构演变和反应机理，为材料优化提供动态数据支持。然而，这些技术仍面临分辨率限制和复杂数据处理等挑战。

Conclusions

梯度纳米材料通过多级结构设计有效解决了传统光催化剂的光吸收窄、载流子复合快等问题。未来研究需聚焦于低成本合成工艺、稳定性提升及与实际应用场景的对接，推动光催化技术在环境和能源领域的规模化应用。

作者简介

Hailiang Chu（桂林电子科技大学材料科学与工程学院）致力于高性能电极材料、高容量储氢材料及其衍生物的合成与应用研究。