《International Journal of Hydrogen Energy》：Enhanced green hydrogen production using layered double hydroxide–modified g-C
3N
4 nanostructures: A review of recent advancements and applications of 0D, 1D, and 2D carbon nanomaterials
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光催化水 splitting技术通过碳纳米材料（CNMs）提升氢能生产效率，综述了0D/1D/2D CNMs的结构特性及其在电子传递、稳定性优化中的作用，指出实验室成果与产业应用间的差距及未来研究方向。
萨尔玛·埃尔海纳维（Salma Elhenawy）| 玛杰达·赫赖谢（Majeda Khraisheh）| 法雷斯·阿尔莫马尼（Fares AlMomani）| 穆罕默德·阿尔-古蒂（Mohammad Al-Ghouti）| 伦加拉杰·塞尔瓦拉杰（Rengaraj Selvaraj）
卡塔尔大学工程学院化学工程系，多哈，2713，卡塔尔
摘要
当前世界最紧迫的问题是能源危机，而利用光催化水分解技术生产氢气（H?）被视为一种有前景的绿色解决方案。虽然贵金属历来被用作基准共催化剂，但它们的高昂成本和稀缺性限制了大规模应用；因此，人们正在广泛探索替代材料。因此，寻找丰富、价格更低、更有效且更稳定的光催化材料对于利用水分解生成氢气至关重要。碳纳米材料（CNMs）的出现为光催化氢气生产过程带来了新的时代。CNMs独特的结构和出色的性能使它们能够提高水分解生成氢气的整体效率。由于其卓越的性能，CNMs已广泛应用于光催化氢气生产过程中。因此，总结碳纳米材料在光催化氢气生产中的最新进展和应用非常重要。本文详细研究了0D（富勒烯、碳点（CDs））、1D（碳纳米管（CNTs）、碳纳米纤维（CNFs）和2D（石墨烯和石墨碳氮化物（g-C?N?））碳纳米材料在水分解生成氢气过程中的最新进展和应用，希望为利用光催化水分解生产氢气提供高效、可持续且经济可行的解决方案，以帮助应对全球能源危机。
引言
全球人口的快速增长对有限的化石燃料储备带来了巨大压力。随着人口增长导致能源需求增加，对化石燃料的依赖也随之加剧。然而，化石燃料的燃烧会产生温室气体，造成严重的环境破坏并加剧全球气候变化。因此，大量研究致力于开发绿色和可再生能源的替代方案。目前，世界各地正在使用各种可再生能源，包括氢能[1]、太阳能[2]和风能[3]。其中，氢能因其丰富性和高能量密度而常被视为最终的能源载体。
直接生产氢气主要通过两种途径实现：水分解或有机材料的转化。水是地球上最丰富且最便宜的原料，因此高效的水分解技术作为一种可持续和环保的解决方案具有巨大潜力。通过水分解获得的氢气是清洁且可再生的，应用范围从车辆燃料到电力生产和住宅供暖[4,5]。更广泛地采用氢能将减少对化石燃料的依赖，并降低温室气体排放，从而有助于缓解全球变暖。特别是，太阳能驱动的水分解技术具有革命性潜力，有可能彻底改变当前的能源生产方式。因此，大量的研究和资金正致力于推进和实施太阳能驱动的水分解系统以生产清洁氢气[6,7]。
利用太阳能分解水制氢主要有两条途径：光催化[8]或光电化学[9]。与光电化学水分解相比，光催化水分解更有效且效率更高，因为它可以在催化剂表面直接产生H?气体，而无需复杂的反应装置[10]。另一方面，光电化学水分解更为复杂，因为它需要两个电极系统和一个电子媒介来启动分解过程[11]。然而，由于大多数光催化水分解反应速度较慢，必须使用催化剂来加速整个过程。这一切始于1972年，当时藤岛和本田使用TiO?作为催化剂实现了光电化学制氢[12]。此后，多种基于半导体的催化剂被用于可见光驱动的水分解。选择用于H?生产的催化剂时，主要考虑两个因素：带隙和催化剂的电荷复合速率。半导体材料具有特定的带结构，可以适应水氧化和还原的带电位，范围从1.23 eV到3.26 eV[13]。TiO?（Eg ≈ 3.2 eV）[14]和ZnO（Eg ≈ 3.2 eV）[15]是最广泛研究的催化剂之一，因为它们价格实惠、稳定性高且毒性低。然而，它们较宽的带隙主要吸收紫外线区域的光，而紫外线仅占太阳光谱的不到5%，从而限制了其整体太阳能到氢气的转换效率。一般来说，较低的带隙对太阳能驱动的光催化水分解更为有利。为了克服这一缺点，人们探索了多种技术来修改半导体的带隙，例如贵金属沉积[16]。然而，这种修改会增加总体成本，使得该过程在经济上不太可行。因此，正在进行大量研究以开发高效且价格合理的催化剂，以提高其在可见光下的活性，从而实现可持续的水分解制氢[17]。
最近的研究表明，碳纳米材料（CNMs）具有出色的光催化性能，能够高效地驱动太阳能驱动的水分解制氢。如图1所示，关于CNMs在光催化氢气生成中应用的出版物数量随着时间的推移稳步增加，反映了科学界对此领域的日益关注。代表性的CNMs包括石墨碳氮化物（g-C?N?）、石墨烯、碳纳米管、富勒烯、碳点和碳纳米纤维。
这些材料具有独特的物理化学性质，如高电导率、大表面积以及强热稳定性和化学稳定性[18]。此外，它们的高光敏性增强了电荷分离，提高了光催化H?生成的总体效率。CNMs的丰富性和相对较低的成本进一步支持了它们作为长期经济可行催化剂的潜力。因此，基于CNMs的系统目前受到广泛关注，被认为是通过水分解实现可持续氢气生产的有希望的候选者[19]。
尽管许多研究报道了使用含CNMs的催化剂提高了H?的产量，但现有的综述通常只强调单一的CNM家族，或提供宽泛的总结，而没有明确的比较框架将CNM结构与其光催化功能联系起来。本文的主要创新之处在于对CNMs在光催化水分解中的性能进行了综合评估，基于维度（0D/1D/2D）和机制进行了分析，重点探讨了它们作为电子媒介/共催化剂、界面电荷转移促进剂、导电性增强剂和稳定性改良剂的作用。我们综合了g-C?N?、基于石墨烯的材料、CNTs/CNFs、富勒烯、碳点和新兴CNMs的最新进展，强调了决定活性的结构-性质-性能关系。除了汇总结果外，我们还提取了一致的性能和耐久性趋势，讨论了重复出现的实验限制，并指出了由于测试条件不标准而无法进行比较的情况。目的是提供明确的材料选择和复合设计策略路线图，以指导未来开发高效、稳定且经济可行的CNM辅助光催化剂，以实现可持续的氢气生产。
机制
光催化水分解过程主要由四个步骤组成，如下所示（图2）：
- 1.
半导体材料价带（VB）中的电子-空穴对的形成，这是由于能量捕获超过了带隙。
- 2.
空穴（h?）氧化水，产生H?和O?，如方程（1）所示。
H?O + 2h? → 2H? + ? O?E_氧化 = ?1.23 V
- 3.
通过光生电子（e?）还原H?离子形成氢气（H?）
用于光催化水分解的碳纳米材料
多种碳纳米材料被用作水分解的光催化剂，包括石墨碳氮化物（g-C?N?）、石墨烯和碳纳米管（CNTs）。这些材料因其出色的性能而成为水分解的理想候选者，包括结构多样性、高电导率和热导率、良好的机械强度以及高度有序的多孔结构。
碳纳米材料在光催化H?生产中的分类和应用
碳纳米材料可以根据维度分为零维（0D）、一维（1D）和二维（2D）CNMs，如图5所示。下面将详细讨论每种碳纳米材料在水分解制氢中的应用。
结论
全球能源需求的增加和化石燃料依赖带来的环境影响使得向清洁、可持续能源系统的过渡变得不可避免。氢气是这一转变的理想候选者，因为它是一种清洁能源载体，而光催化水分解提供了从太阳能到氢气的直接转化途径，且对环境的影响最小。然而，实际应用仍取决于开发高效、稳定且经济上可行的光催化剂。
未来展望
碳纳米材料（CNMs）在光催化水分解方面具有明显优势——高导电性、可调的表面化学性质、大表面积以及强的光-物质相互作用——但实验室性能与实际应用之间的差距仍然很大。主要障碍包括材料质量不稳定（未控制的缺陷和意外的杂原子掺杂）、聚集/堆叠（尤其是基于石墨烯的材料）、以及污染物对活性位点的强烈吸附。
作者贡献声明
萨尔玛·埃尔海纳维（Salma Elhenawy）：撰写——初稿、概念构思。
玛杰达·赫赖谢（Majeda Khraisheh）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、数据管理、概念构思。
法雷斯·阿尔莫马尼（Fares AlMomani）：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。
穆罕默德·阿尔-古蒂（Mohammad Al-Ghouti）：撰写——审稿与编辑、验证、资源协调。
伦加拉杰·塞尔瓦拉杰（Rengaraj Selvaraj）：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：玛杰达·赫赖谢报告称获得了卡塔尔大学的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项工作得到了卡塔尔大学内部IRCC基金（授予编号IRCC-2023-002）、QRDI基金ARG01-0516-230190以及苏丹卡布斯大学基金（授予编号CL/SQU-QU/SCI/23/01）的资助。
