光催化剂：基于先进表征技术的合成方法与性能评估

《Materials Research Bulletin》：Photocatalysts: Synthesis Methods and Property Evaluation through Advanced Characterization Techniques

　　• 本综述文章讨论了制备纳米光催化剂的不同合成方法。• 全面比较了用于评价光催化剂性能和性质的表征技术。• 电荷动力学和表面反应路径原位表征的最新进展。• 理解光催化反应和机理面临的主要挑战及未来方向。引言太阳能是一种清洁的可再生能源，在地球生命的演化中发挥着至关重要的作用。快速工业化、过度资源开发、不可再生资源的广泛利用以及人口过度增长都导致了不利的、不可逆的且严重的环境后果。[1]、[2] 因此，利用太阳能不仅对于生产可再生能源至关重要，对于长期治理环境污染也十分重要。然而，由于阳光的间歇性和不可预测性，太阳能的原位利用和储存具有挑战性。[3] 光催化被认为是利用太阳能最具前景的方式之一，它利用阳光作为主要能源来驱动各种化学反应和路径。通过这一过程，太阳能可以简单地转化为可用、可运输和可储存的化学燃料。[4] 能源和环境问题有望通过光催化过程同时得到解决。1972年，当Fujishima及其同事将可见光引入电化学分解水系统时，他们发现光可以加速化学反应。值得注意的是，他们的工作具有开创性意义，为后续研究者奠定了坚实基础。[5]、[6] 此后，半导体光催化因其巨大的应用潜力而引起了广泛关注，这些应用涵盖从环境修复到能源转换，如CO?还原和H?析出。[7]、[8]、[9]光催化过程主要关注电子和能量转移。[3]、[10] 为了理解电子转移和能量耗散的基本原理，有必要了解分子激发态的基本行为。这可以通过图1所示的Jablonski图来更好地理解。图1中的S?、S?和T?分别表示单重态基态、第一单重态激发态和第一三重态激发态。此外，VR代表振动弛豫，通常以皮秒为单位表示。VR是电子从激发态弛豫到最低能级的过程。每个激发态都可以跃迁到任何非激发态，也可能包括基态。该过程由于过量的振动能转化为热能而造成能量损失。此外，当处于激发态的分子弛豫到最低振动能级后释放光子并返回基态时，就会发生荧光（F）过程。内转换（IC）是指电子激发分子从一个较高的激发态返回到具有相同多重度的较低激发态的过程（从三重态到三重态或从单重态到单重态）。另一方面，系间窜越（ISC）是指电子从一个自旋多重度不同的状态转移到另一个状态的过程（例如：S?到T?或S?到T?）。另一个过程，磷光（P），用于在分子通过ISC从单重态转移到三重态后进一步使分子去活化。[11]、[12]迄今为止，已报道并利用了许多不同的多相光催化剂应用于多个领域。一些常见应用包括二氧化碳还原[13]、氧气析出[14]、氢气生产[15]、氮固定[16]、H?O?生产[17]、甲烷氧化[18]、有机及药物污染物降解[19]、[20]、[21]、[22]、重金属去除[23]以及有机合成[24]。Zhao等人报道了Cu-TiO?@ZIS复合光催化剂的成功合成并将其用于CO?还原。[13] Chen及其同事阐述了AgI/Bi?O?I?对光催化析氧反应的增强效果。[25] Guo及其团队报道了Ga?SeTe/AlAs异质结，并展示了该光催化剂在水分解和太阳能电池方面的优异光电特性。[26] 此外，Wang等人利用一种新型MOF衍生中空Bi?S?光催化剂用于氮固定。[27] Wang及其同事构建了另一种S型光催化剂ZnCdS/C?N?，并评估了其在H?O?生成反应中的优异光催化效能。他们还将其用于苄胺偶联反应。[28] Sun等人合成了ZnGaAl层状双氢氧化物用于高效光催化甲烷氧化偶联反应。[29] Bharali及其同事开发了Mn-Ce/HAp光催化剂，用于高效降解常见染料亚甲基蓝（MB）。[30] 此外，Sharma等人在其最新综述文章中详细讨论了各种用于重金属治理的光催化纳米材料。[31]材料科学论文主要包括三个部分：新型材料的设计、制备材料的表征以确保其合成成功，以及评估材料在目标应用中的效能。由于光催化材料是本综述文章的焦点，文章简要介绍了通常用于合成光催化剂的各种方法。本文还描述了用于评价光催化剂性质的基本分析和仪器技术。文章的后半部分讨论了光催化材料的未来方向及其更先进的表征方法。章节摘要**光催化剂的常见合成方法**多种合成方法，如干法、湿法和高法，主要被用于制备多相光催化剂。每种制备方法都能产生不同形貌、尺寸和晶相的材料，这些材料被用作光催化剂。材料的制备方法的多样化和复合材料形式的制备，可以根据所需的产品特性而有所不同。图2展示了不同的制备技术。**光催化剂的表征技术**光催化剂可以通过上述任何一种合成方法来制备。为了确保设计的光催化剂成功制备，利用多种分析和仪器方法就变得至关重要。在材料科学中，制备材料或复合材料的表征起着主要作用。它还协助评估应用部分。有多种可用于分析所制备光催化剂不同方面的技术。为了评估结构……**结论与未来展望**光催化是能源和环境应用研究中日益重要的课题，本文所综述的方法在光催化剂的表征中变得越来越重要。制备策略控制着物理化学特性，如形貌、粒径、结晶度、孔隙率、比表面积和带隙能量，这些特性在决定光催化材料性能方面发挥着重要作用。不同的制备……**CRediT作者贡献声明****Linkon Bharali：** 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法论，调查研究，获取资金，概念化。**Sonali Sengupta：** 指导。**Dwaipayan Dhar：** 撰写——审阅与编辑。**利益冲突声明**作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。Linkon Bharali | Dwaipayan Dhar | Sonali Sengpt