摘要
光催化一直被视为“21世纪的梦想技术”，并因其环境和经济适用性而激发了越来越多的科学兴趣。由于光催化材料（PMs）面临的载流子分离效率低、活性位点不足、表面界面性质与靶向反应不相容等瓶颈，制约了其从实验室到应用的推进。离子液体 （ILs） 的出现因其可定制性和多样性而为 PMs 的发展提供了有利条件。本文从ILs的性质（氢键效应、静电效应、极性效应和配位效应）开始，然后分析ILs在PMs修饰中的潜力。具体而言，本文系统总结了ILs对PMs粒径、形貌、电子传输和界面特性的调控机制和独特优势。最后，对ILs改性策略在大功率PMs中面临的主要挑战和未来研究机遇进行了总结和展望。
1 背景 | 为何光催化需要“加速器”？
自 Fujishima 与 Honda 于 1972 年报道半导体 TiO2 光电极实现水分解之后，光驱动化学迅速崛起，被誉为“阳光化工”的核心技术— —依托取之不尽的太阳能，能够在单一体系内完成水裂解制氢、CO2 还原、精细有机合成以及污染物降解等多重转化，兼具绿色、经济与普适性。从机理视角看，典型光催化在材料表面经历“光吸收—载流子生成—空间分离—界面迁移—表面反应”五步序列，其中任何一步受限都会放大体系能耗。然而，现实中的光催化材料普遍面临“四座大山”：一是可见光吸收带窄，导致光子利用率低；二是辐照瞬间形成的电子-空穴对易受声子散射与极化子捕获而迅速复合；三是内外表面积有限，活性位点与反应物接触几率不足；四是固-液/气界面能级错配，电子-质子转移动力学受阻。为此，研究者尝试通过异质结构构筑、表面/缺陷工程、元素掺杂与界面微环境调控等多维手段提升性能，但各策略往往针对单一瓶颈，功能叠加与过程耦合仍显不足。因此，开发一种能够同时调控晶核生长动力学、界面电子耦合与能带结构的“全能助推剂”已成为学界与产业界的迫切共识。
ILs因可通过设计阳离子和阴离子灵活调控性质，被引入用于PMs的合成与修饰，可优化界面特性、孔结构和带隙，并兼具溶剂、模板、结构调控等多重作用；其应用已扩展至催化、光化学等领域，尤其在光催化中展现出巨大潜力和绿色化学优势，对高性能材料设计与新能源、环境及健康相关应用具有重要意义。
图1 PMs瓶颈与ILs“加速器”概念示意
图2 ILs对PMs监管的发展时间表
2 离子液体简介 | “可编程溶剂”登场
ILs通常由四大类阳离子（咪唑鎓、吡啶鎓、季胺、季磷盐）与多样化阴离子（BF4⁻、PF₆⁻、NTf₂⁻、Cl⁻、OAc⁻ 等）以“模块化拼装”策略构筑而成；通过在取代基长度、功能团（—OH、—CN、—SO3H、—COOH 等）与立体位阻上的精细工程，可在极性、氢键密度、Lewis/Brønsted 酸碱性、配位强度乃至 π–π 堆积行为等维度实现亚毫摩尔级调控。其近零蒸气压消除传统挥发性有机溶剂（VOCs）的环境与安全隐患；宽电化学窗口（通常 4–6 V）与高热稳定性（> 400 °C）使之能够在极端温度或强氧化/还原条件下长期服役；而 可设计的离子对互溶性与易于回收再利用 的闭环循环属性，使 ILs 在绿色化工体系中被誉为“第三代溶剂”。更重要的是，ILs 并非简单的惰性介质，而是一种可对反应微环境进行分子级雕刻的“软构件”：
- 位场调控：通过离子对内在的静电与氢键网络，可在纳米尺度产生可调电场和浓差梯度，为晶体成核、生长与取向提供方向性驱动力；
- 限域模板：体相或界面处自组装形成的“离子笼”“离子通道”能够限制前驱体尺寸并诱导介孔/中孔结构生成，实现尺寸与形貌精控；
- 活性配体/掺杂源：含 F、N、S、P 等元素的阴离子在热或光场下可原位裂解，产生多功能自由基或杂原子，实现缺陷工程与多元元素共掺；
- 界面润湿与传质：可调亲/疏水比与黏度使得 ILs 在固-液-气三相界面形成离子壳层，既富集气体底物（如 CO₂、N₂、O₂），又降低界面能垒、加速电子-质子协同传输；
- 多相催化“桥梁”：ILs 既溶解无机盐/金属配合物，又与有机分子相容，因而可充当多相体系中的“分子桥”，实现均-杂相反应的一锅式耦合。
近年来，基于任务定制型 ILs（Task-Specific ILs, TSILs）与深共晶溶剂（DESs）的发展，ILs 的功能边界进一步外延：引入手性基团可赋予催化剂不对称诱导能力，嫁接光敏或电活性基元可将其转化为光/电双功能电解质，嵌段聚合或与 MOFs/COFs 复合则催生出具备选择性渗透与储能特性的离子液体-多孔杂化材料。正因如此，ILs 正快速从传统意义上的“绿色溶剂”演进为 集溶剂、反应物、催化剂与结构导向剂于一身的多功能分子工程平台，在新能源转化、精细合成、资源循环利用与先进材料可控构筑领域展现出前所未有的应用潜力。
图3 典型ILs阳/阴离子结构拼装与可编程调控维度
3 微观效应 | 四大内核为光催化“强心”
氢键效应：为前驱体提供柔性笼形模板，稳定晶核，抑制颗粒烧结；
极性效应：在纳米尺度诱导电子瞬时偏析，削弱载流子复合；
极性效应：提升表面能，促进限域生长与介孔自组装；
配位效应：以原位“分子钳”方式精准调控金属离子成核、缺陷工程及异质结构筑。四重协同，使 ILs 由“软性溶剂”蜕变为光催化材料的“分子器官”。
4 三重属性 | ILs 如何精准赋能？
溶剂属性：ILs 可通过调节黏度与介电常数，精确匹配前驱体溶解度与成核速率；配合微波加热，局域升温效应可在数秒内生成高结晶度纳米晶，显著缩短合成周期。
图4 ILs在材料合成过程中的多种功能总结
界面属性：独特的离子对层可在固液气三相界面形成“离子壳层”，一方面富集反应物（如 CO₂、N₂），另一方面提供快速电子抽取通道，延长光生电子寿命，并通过氢键和静电场实现带隙红移。
图5 与ILs修饰相关的光催化和界面结构示意
图6 PMs与ILs相关的界面与催化示意
分解/掺杂属性：在热或光激条件下，ILs 可拆分为含 N、S、P 等活性碎片，实现原位多元共掺；同时生成的自由基还能打开新的反应路径，提升产物选择性。
图7 ILs掺杂工程示意图及相应站点（g-C3N4作为示例）
可将 ILs 的功能定位归纳为溶剂、模板、结构导向剂、微波助热介质与原位掺杂源五大类别，分别在 TiO₂、BiOX、g-C₃N₄ 等经典光催化体系中展现出提升量子效率、拓宽吸收边、稳定金属单原子等多重成效。该分类为研究者提供了可检索、可复用的“分子工具箱”，有望像乐高积木般快速拼装出针对性方案。
5 挑战与展望 | 从概念验证走向产业化
尽管 ILs-PMs 的实验室成果令人振奋，但要真正走进反应器，仍需跨越三道关卡：
结构稳定性：高浓度溶剂或惰性气氛中，离子簇结构易坍塌，需借助同步辐射或原位质谱追踪动态演化；
界面机理阐释：现有工作多停留在宏观性能对比，缺少飞秒瞬态吸收与原位拉曼对气体活化、电子输运的直接证据；
经济与循环：ILs 当前成本高且回收能耗大，亟须开发可磁分离或光触发回收的新型“智能”ILs，并设计低能耗循环工艺。
作者建议，以多尺度模拟+原位表征联动解析微观过程，配合金属配位型或聚合型 ILs的分子设计，以及可翻转回收反应器的工程创新，将成为推动该交叉领域迈向产业化的三大支点。离子液体凭借其“可编程”特质，为光催化提供了精细到分子乃至原子尺度的调控手段；而光催化则为离子液体展示其分子工程潜力提供了最佳舞台。二者的跨界融合，不仅有望突破光催化材料的传统性能极限，更为绿色化工与碳中和目标注入全新动能。未来，当“星分子”真正融入工业级光反应器，我们或将见证光催化由实验室概念飞跃至规模化应用的历史时刻。
