Small综述：三维有序大孔（3DOM）材料在光催化应用中的最新进展

不可说 1年前 (2023-03-30) 2649浏览

一、【导读】

        随着人类社会的加速发展和大规模工业化，能源短缺、全球变暖、环境污染等挑战日益严峻。光催化技术利用可再生太阳能和催化剂，是缓解能源短缺问题和实现环境修复的有前途的方法之一。开发高效、稳定、可回收的光催化剂对于实现光催化技术的实际应用至关重要。最近，各种半导体，如TiO2，MoS2，g-C3N4，和BiOX [X=Cl, Br, and I]已在光催化领域得到发展。然而，大多数半导体催化剂的光吸收有限，光生电子-空穴对复合速率快，反应位点少，导致光催化活性较差，无法在实际规模上利用。因此，已经做出了大量努力来提高催化剂的光催化性能，例如形态调节，掺杂元素，和构建异质结构。具有多孔结构的光催化剂由于具有较大的比表面积和丰富的活性位点，有利于光子捕获和光生电荷的分离，引起了研究人员的极大兴趣。此外，在多孔结构上负载助催化剂被认为是进一步提高催化剂光催化性能的可行途径。尽管已有有了一部分对光催化领域的3DOM材料综述，但大多数都集中在3DOM材料的制备和应用上。光催化的基础理论、3DOM材料的制备、3DOM材料的结构与性能及其对光催化性能的影响鲜有全面且系统的综述。

二、【成果掠影】

        上海电力大学郭瑞堂教授团队简要介绍了3DOM材料的概述，基于3DOM材料的光催化原理，总结了3DOM材料在光催化方面的优势和3DOM材质的制备。详细阐述了3DOM材料的结构和性能，并系统性讨论了3DOM对光催化性能的影响。此外，系统地研究了3DOM材料作为负载型催化剂在光催化领域的最新研究进展。这项工作能够为研究人员在未来构建基于3DOM的光催化系统提供大量的灵感，并鼓励更多的研究人员探索和拓宽3DOM在光催化领域的应用。

       相关研究工作以“Recent Progress of Three-dimensionally Ordered Macroporous (3DOM) Materials in Photocatalytic Applications: A Review”为题刊登在材料科学TOP期刊Small上。

三、【核心创新点】

  • 介绍了3DOM材料的概述、基于3DOM材料的光催化原理以及3DOM材料在光催化方面的优势。
  • 总结了3DOM材质的准备并详细描述了3DOM材料的结构和性能，简要讨论了它们对光催化性能的影响。
  • 系统地研究了3DOM材料作为负载型催化剂在光催化领域的最新研究进展。

四、【数据概览】

图1 (a,b)代表性蛋白石和反蛋白石的SEM图像。© 2021 Elsevier Inc.

图2 光催化过程的例证。© 2023 Wiley-VCH Inc.

图3 (a)3DOM-CNW的光催化还原机理；(b)组建IEF。© 2022 Elsevier Inc.

图4 CCT法制备3DOM材料过程示意图。© 2021 Elsevier Inc.

图5 (a,c)PS-bcc、(e)PS-fcc、(b,d)3DOM /-四方晶系、(f)3DOM /-六方晶系的SEM图像。© 2017 Elsevier Inc.

图6 (a)3DOM NaTa的制备过程示意图；(b)3DOM 的光催化生产机制的说明。© 2022 Elsevier Inc.

图7 (a)紫外-可见光谱；(b) PL光谱，斩波I-t曲线；(c)带420 nm滤光片(d)带570nm滤光片；(e)3DOM Au-CPB可能的光催化机制。© 2022 Elsevier Inc.

图8(a)吸附的CO2的电荷密度分布；(b)3DOM CdSQD/NC上的原位FTIR光谱；(c)CdS和CdSQD/NC表面的自由能图。© 2021 Wiley-VCH Inc.

图9(a)紫外-可见光谱；(b)PL光谱；(c)3DOM-CNPTC可能的光催化CO2还原机理；(d)CO2-TP曲线。© 2020 Elsevier Inc.

五、【成果启示】

         本研究全面总结了3DOM材料在光催化中的基本原理，并详细讨论了3DOM材料的制备方法、结构和性能及其对光催化性能影响的最新进展。与其他多孔结构相比，3DOM结构不仅具有更大的比表面积，而且具有优异的传质性能和独特的光学性能，这对于提高光催化活性至关重要。3DOM结构的大孔体系虽然有利于反应物的传输和扩散，但会影响结构的稳定性和光学性能。因此，3DOM结构的集成控制对于提高光催化性能至关重要。此外还总结了CO2还原、光催化H2释放和污染物降解。近年来，虽然3DOM材料在光催化领域取得了重大的研究进展，但距离商业化应用还很遥远，在很多方面仍值得进一步研究：

1、3DOM材料的大孔形貌会导致结构不稳定。3DOM材料的制备策略涉及不同的方法，每种合成方法都有其优缺点，必须根据不同和所需应用的结构、纹理和功能要求进行选择。

2、3DOM材料的光催化活性与实际应用的理想活性还相差甚远。其他策略包括元素掺杂、缺陷引入和异质结的构建，应考虑在3DOM支撑材料中进行合理设计，以进一步提高3DOM材料的活性。

3、需要开发更多类型的材料与3DOM材料耦合关联，以获得更高的催化活性，结合多种材料的优点，积极构建多面复合材料。

4、3DOM作为光催化CO2还原应用的支撑材料研究较少，需要投入更多的研究。光催化还原CO2的反应途径、产物选择性、光催化机理等仍不清楚，需要结合更多的表征方法和理论计算进一步研究。

3DOM材料在结构和光学上的优势，证明了3DOM材料在光催化领域巨大的发展潜力，亟待拓展3DOM材料及3DOM基复合材料在光催化领域的应用。

 

原文详情：https://doi.org/10.1002/smll.202207767

本文由早早供稿

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