综述：磷酸铈杂化纳米复合材料在光电催化环境修复与能源可持续性中的应用

本综述系统阐述了磷酸铈（CePO4）独特的酸性、可调变价（Ce3+/Ce4+）特性及其杂化材料在光电催化（PEC）领域的核心应用。文章重点探讨了通过构建Z型异质结（HJs）、氧空位（OV）工程等策略，显著提升其在污染物降解、CO2还原、析氢（HER）/析氧（OER）反应及N2固定等过程中的效能，为清洁能源与环境修复提供了创新材料设计思路。

　　

Introduction

当今世界，制造业与城市社会的快速发展引发了严重的能源危机和环境恶化。传统能源如天然气和石油的过度消耗使其日益枯竭，凸显了对可持续替代能源的迫切需求。与此同时，人口快速增长和生活方式改变导致废弃物产生量激增，对水体和空气造成污染，严重威胁生态系统和人类健康。在多种催化技术中，光催化（PC）、电催化（EC）以及结合两者优势的光电催化（PEC）因其反应条件温和、能耗低、过程简单而展现出巨大潜力。这些技术的核心在于光生电荷（e^?-h⁺）的有效分离与迁移，其中PEC作为一种基于电化学的高级氧化工艺，能更高效地实现能源生产和环境净化。

Fundamental properties of CePO₄

磷酸铈（CePO₄）是一种极具应用前景的功能材料，具备独特的结构、光学和催化特性。其吸收峰位于约275 nm，主要源于Ce³⁺的电子跃迁。CePO₄存在六方相（E_g = 2.96 eV）和单斜独居石相（E_g = 4.1 eV）两种晶型，其相结构决定了材料的热稳定性和吸收性能。与二氧化铈（CeO₂）相比，CePO₄凭借其强Ce-O-P键网络，表现出更优的光热稳定性、酸性强度以及电化学和光催化活性。PO₄^3?基团可作为质子受体促进催化反应，而其畸变的几何结构增强了晶格氧的流动性，进而提升了有机物的选择性催化还原（SCR）效率。尤为重要的是，CePO₄中由Ce⁴⁺/Ce³⁺价态变化或晶格氧迁移产生的氧空位（O_V）对其电化学性能起着关键作用，通过调控能带结构、光吸收和电子-空穴对（e^?-h⁺）复合行为，直接影响催化活性。此外，CePO₄在酸性和碱性条件下均表现出卓越的耐久性，这为其在苛刻环境下的电催化应用奠定了基础。

CePO₄ in photo-electrocatalysis

在光催化反应中，催化剂受光激发产生高活性物种（如•OH、O₂^?、¹O₂），这些物种能有效降解污染物。对于CePO₄基异质结，当光子能量等于或大于其带隙（E_g）时，价带（VB）电子被激发至导带（CB），同时在价带留下空穴。光生电子可参与氧还原反应生成超氧阴离子（O₂^?），而空穴则可氧化水或氢氧根产生羟基自由基（•OH），这些活性物种是降解有机污染物的关键。

Fabrication approaches of CePO₄ electro?/photo-catalysts

为满足实际应用需求，研究人员开发了多种制备高效CePO₄基电/光催化剂的方法。这些方法旨在克服半导体材料普遍存在的性能不足、成本高、环境友好性差等问题。通过精确调控材料的尺寸、形貌和暴露晶面，可以优化其物理化学性质，从而显著提升催化性能。

Selection criteria for the photocatalyst material

一个理想的光催化剂需要满足高效、低毒、低成本等基本要求。在选择合适的CePO₄基光催化材料时，需综合考虑其能带结构、光吸收范围、电荷分离效率、化学稳定性以及环境相容性等因素。

CePO₄ HJs for photocatalysis

利用太阳能解决能源和环境问题是当前研究的热点。CePO₄基异质结在光催化领域展现出巨大潜力，特别是在降解染料、除草剂、抗生素、挥发性有机物（VOCs）和烃类等污染物方面。通过与窄带隙材料（如金属/非金属离子、等离子体纳米颗粒、金属氧化物、碳质材料（GO, g-C₃N₄）和金属磷化物（CoP₂, MoP等））构建杂化体系，可以拓宽光响应范围，促进电荷分离，从而大幅提升光催化效率。

Applications of CePO₄ hybrid in electro-catalysis

CePO₄杂化材料因其优异的氧化还原特性、强大的化学稳定性和独特的电子结构，在电催化领域同样前景广阔。其可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺价态变化有利于电子的快速传输，使其成为析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氮气（N₂）固定以及二氧化碳还原（CO₂ reduction）等电化学过程的关键组分。

Conclusions

CePO₄及其杂化材料在光催化、电催化及光电催化领域均表现出卓越的性能。其大比表面积、丰富的表面活性位点、可调的带隙以及出色的化学稳定性，使其能够高效催化复杂的环境反应和能源转化过程。通过掺杂工程、构建碳质材料异质结等策略，有望进一步突破其在可见光吸收、电荷复合和催化剂稳定性方面的限制，为未来面向环境的能源与生态应用提供强有力的技术支撑。