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张金龙教授、邱博诚教授， EES综述：氧化/还原双助催化剂整合用于人工光合作用

科学材料站

2021-09-22

导读：该综述分析了常用的氧化/还原双助催化剂存在构型及其优劣势，设计原理，表征方法，光催化应用，同时提出了其未来存在的挑战及发展方向。

文章信息

氧化/还原双助催化剂整合用于人工光合作用

第一作者：邱博诚

通讯作者：邱博诚*，张金龙*

单位：南京农业大学，华东理工大学

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研究背景

在当前“双碳”背景下，利用人工光合作用产生高附加值的碳氢化合物和氢能被认为是缓解当前能源危机及应对气候变化的重要途径之一。

尽管半导体光合成反应已经展示出其相较于生物光合作用的优势，但效率依然受到两个因素制约：电荷分离效率低以及产物选择性差。在半导体表面同时负载氧化/还原助催化剂，不仅可以实现光生电子和空穴在半导体光催化剂表面分离，而且氧化/还原助催化剂位点往往具有更低的反应过电位和更高的产物选择性，因此被认为是解决上述人工光合成困境的有效手段之一。

本篇论文展示了近期关于氧化/还原双助催化剂整合方面的研究进展，同时还就氧化/还原双助催化剂的选择、功效、构型以及其诱导的电荷迁移行为的表征手段进行了深入讨论和分析，并就氧化/还原双助催化剂联用技术在全解水，产氢耦合有机物转化，CO2还原，O2还原中的应用进行了总结。本文为未来助催化剂的设计提供了方向，有助于加速光催化领域的研究及其实际应用。

文章简介

在这里，来自南京农业大学的邱博诚教授与华东理工大学的张金龙教授合作，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Integration of redox cocatalysts for artificial photosynthesis”的综述文章。

该综述分析了常用的氧化/还原双助催化剂存在构型及其优劣势，设计原理，表征方法，光催化应用，同时提出了其未来存在的挑战及发展方向。

图1. 氧化/还原双助催化剂存在的构型。

文章要点

要点一：整合氧化/还原双助催化剂的优势

相较于单一助催化剂，双助催化剂的引入不仅能够实现电子和空穴抽离光催化剂表面（提高光催化剂稳定性，尤其是对于金属硫化物半导体），而且双助催化剂之间的协同效应能促使更多载流子流向相应的助催化剂位点（提高太阳能利用率）；相对于光催化剂，双助催化剂表面具有更多的催化位点，更低的反应过电位及反应物吸附能，更高的产物选择性。

要点二：氧化/还原双助催化剂设计原理

如何去选择合适的氧化/还原双助催化剂对于人工光合成反应效率至关重要。通常，我们会从光催化剂-助催化剂-溶液（或气体）三者形成的界面出发，首先优化光催化剂-助催化剂界面（如何分别快速提取半导体表面的电子和空穴到还原助催化剂位点和氧化助催化剂位点），其次优化助催化剂-溶液（或气体）界面（主要考虑的是助催化剂位点上的反应物的吸附及产物的脱附能力）。

要点三：氧化/还原双助催化剂的构型

根据目前报道，氧化/还原双助催化剂存在的构型主要分为随机负载型和空间分离负载型（图1）。空间分离负载型又可以细分为基于核壳结构的内外负载型，基于单晶的异面负载型，基于一维结构的尖端和侧壁负载型，以及基于二维材料的中心和边缘负载型。

要点四：氧化/还原双助催化剂整合在人工光合成中的应用

当前，氧化/还原双助催化剂整合主要被应用于全解水制氢、产氢耦合有机物转化、CO2还原、氧还原等重要光催化反应。

从上述反应可以看出，OER助催化剂的选择至关重要，因为全解水反应以及CO2还原反应中氧化端的反应都涉及了OER，因此选择一个合适的OER助催化剂对于提高全解水反应或者CO2还原反应效率都是及其重要的。

当然由于OER反应缓慢的动力学过程（涉及4个空穴转移），不少研究学者在氧化端用有机物转化反应替代了OER（包括污染物氧化降解、生物质转化等），均达到了不错的催化效率。

文章链接

Integration of redox cocatalysts for artificial photosynthesis

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EE/D1EE02359D

通讯作者简介

邱博诚教授.

南京农业大学理学院教授，博士生导师。2017年博士毕业于华东理工大学，导师：张金龙教授。2017-2020年在香港理工大学应用物理系从事博士后研究，合作导师Yang Chai教授。主要研究方向为：具有高效光催化析氢效率的半导体材料合成。以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energ. Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B: Environ., Small等国际一流期刊上发表论文20余篇，被引用3600 余次，H因子28。

张金龙教授.

华东理工大学教授，博士生导师，欧洲科学院院士（外籍，2019），华东理工大学“汇贤学者”讲席教授。主要从事在环境和能源领域中高效光催化材料的设计和制备，以及有机功能染料的设计和合成。已在Nat. Commun.; Chem.; Chem. Soc. Rev.; Chem. Rev.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Energ. Environ. Sci.等国际一流杂志上发表论文470余篇，被引用31000余次，H因子为91。入选“ESI高被引论文”（世界前1%）30篇，“0.1%热点文章”6篇。2014-2018年连续6年入选Elsevier公布年度中国高被引学者之一，并入选2018-2020年度科睿唯安“全球高被引科学家”

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