SMALL: 黑磷基催化材料的设计及光催化还原CO2应用- 大数跨境

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SMALL: 黑磷基催化材料的设计及光催化还原CO2应用

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2021-08-02

导读：本文综述了黑磷基光催化剂用于CO2还原的最新进展；阐述了光催化还原CO2的基本原理，黑磷基光催化剂的设计合成方法、结构性质及光催化还原过程机制

文章信息

黑磷基催化材料的设计及光催化还原CO2应用

第一作者：赵国庆

通讯作者：焦飞鹏*

单位：中南大学

研究背景

能源短缺和温室效应是摆在人们面前不可回避的两大难题，如何将CO2资源化转化为高附加值的太阳能燃料成为当前研究的热点话题。光催化还原CO2合成太阳能燃料过程由于其独特的优势被认为是摆脱上述困境的有效途径之一。

黑磷作为材料的“新星”能够有效地将CO2分子催化转化为CO，CH4，CH3OH等分子，这为光催化还原CO2开辟了新的机遇。对此，本文从光催化还原CO2 的基本原理出发，详细讨论了黑磷基材料的合成、结构、性能及光催化还原过程。

此外，光催化还原过程的影响因素和光催化过程机制也进行了详细分析讨论。最后对黑磷基光催化材料的发展前景及面临的挑战作了简要展望。

文章简介

基于此，来自中南大学的焦飞鹏教授团队在国际知名期刊Small上发表题为“A Critical Review on Black Phosphorus-Based Photocatalytic CO2 Reduction Application”的综述文章。

本文综述了黑磷基光催化剂用于CO2还原的最新进展；阐述了光催化还原CO2的基本原理，黑磷基光催化剂的设计合成方法、结构性质及光催化还原过程机制；并对影响因素和催化反应机理进行了剖析总结；最后对黑磷基光催化材料的发展前景及面临的挑战作了简要展望。

图1. 黑磷基光催化材料的设计及光催化还原CO2应用。

本文要点

要点一：光催化还原CO2基本原理

CO2是一种惰性分子，如果想破坏其分子结构中的C=O键形成新的C-O键则需要巨大能量。相比于传统的CO2催化活化（大多数需要高温高压条件）技术相比，光催化则是一种极其温和的催化过程，其催化过程的能量主要由廉价太阳能提供。

其基本原理为半导体吸收到有效光子能量之后，其光生电子能够参与2-8电子过程反应生成CO，CH4，HCOOH，CH4等太阳能燃料。

要点二：黑磷光催化剂的结构及合成策略

黑磷是一种由多层单层黑磷片堆叠形成的正交晶型材料，其具有非常稳定的结构，广泛应用光催化等研究领域。相较于传统高温高压合成方法而言，目前也相继开发了多种合成策略。

鉴于此，作者系统总结了化学气相沉积法、机械剥离或液体剥离法、水热合成法、球磨法和电化学剥离法等方法在合成黑磷材料方面的应用。

要点三：黑磷基光催化还原CO2过程机制及影响因素

作者系统阐述了黑磷基光催化还原CO2的过程机制并分析了其催化过程的影响因素。总结发现，复合材料的能带结构以及光生载流子的分离在光催化还原CO2过程中扮演主要的作用。

要点四：前瞻

尽管黑磷基光催化剂在光催化还原CO2研究中已经取得了不错的研究进展，但此类催化剂在研究过程中还存在复合材料结构稳定性差、催化机理不清晰等问题需要解决。对此，可以尝试从以下几个方面研究着力解决存在的问题：

其一，通过构筑杂化材料能策略提升光催化材料的化学结构稳定性；

其二，借助现代仪器表征技术鉴定催化过程的活性位点分布，理清光催化还原过程机制；

其三，尝试新的合成技术或手段制备性能优异的黑磷基光催化剂；其四，通过构筑异质结、负载贵金属等策略抑制光生载流子复合效率，提升光催化性能。

文章链接

A Critical Review on Black Phosphorus-Based Photocatalytic CO2 Reduction Application

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102155

通讯作者介绍

焦飞鹏教授。

博士，中南大学教授，博士生导师，化工系副系主任，中国工程教育认证专家、认证专家组秘书，获得2020年度江苏省“淮上英才”创新创业领军人才项目计划。共主持国家自然科学基金项目5项，其中：国家自然科学基金面上项目4项、国家自然科学基金青年项目1项；共主持省自然科学基金项目2项，其中：省自然科学基金重点项目1项、省自然科学基金一般项目1项；主持中国博士后科学基金面上项目1项、中国博士后科学基金特别资助项目1项、省博士后基金科技计划项目1项；主持横向课题4项；主持省级研究生教改项目1项、学校本科生教改项目 1项；指导国家级大学生创新训练项目共2项、校级研究生自主探索创新项目共8项、省级研究生教育创新工程与专业能力提升工程项目2项、本科生自主探索创新及创新训练项目共6项。在包括Chem. Eng. Sci., Chem. Eng. J., Ind. Eng. Chem. Res, ACS Appl. Mater. Interf., J. Membr. Sci.等国际化工顶尖刊物的一系列刊物上发表学术论文110余篇，其中SCI收录100余篇。担任国家自科基金化工口项目通讯评审专家、教育部学位办通讯评议专家，担任Chem. Eng. J等JCR一区期刊的审稿人。

第一作者介绍