第一作者：舒澳强
其他合作者：钦陈程，李淼，赵露娜，上官子琛，舒子涵，袁兴中，朱明山（暨南大学）和吴艳（湖南农业大学）
通讯作者：王侯
通讯单位：湖南大学
论文DOI：10.1039/D4EE01379D.
光催化是一种高效的太阳能转换方式，在缓解日益严重的能源危机和环境风险方面具有广阔的前景。然而，实现理想的太阳能转换效率仍然是一个巨大的挑战，因为电荷载流子的产生、传输、解离和重组等复杂的光电子过程直接限制了太阳能转换效率。这些电荷载流子的行为被认为是由电效应主导的。本综述结合光催化过程中的应用，讨论了利用电荷载流子的电效应（如压电效应、磁阻效应和激子效应）方面的最新进展，强调了光催化过程中激子解离的机制、内置压电场的作用以及负磁阻在促进光诱导电荷转移和分离方面的作用。最后，深入探讨了利用载流子的电效应增强光催化过程可能面临的挑战。
全球能源需求和生态环境问题日益严峻，这促使研究人员探索可持续能源的来源，同时消除生态环境中的有害污染物。其中一种策略是利用太阳能进行光催化，将二氧化碳还原成有价值的碳氢化合物燃料、分裂水分子产生氢气或分解污染物分子。目前，许多材料的太阳能-化学转换效率仍无法满足商业需求。电荷载流子在光催化剂中的行为被认为是实现高效光催化的关键原因。电荷载流子行为受内在电效应的支配，这推动了对其复杂功能和动态过程的深入研究。
图1. 电效应增强光催化的的主要进展和前景发展时间轴
图3. 异质结能带示意图：（a）无应变，（b、c）有应变
图6. 光催化活化O2机理图：（a）电荷载流子主导，（b）激子主导
光催化被视为21世纪通往美好世界道路上的梦想技术，在有效缓解能源危机和环境污染方面具有巨大潜力。电效应对于解释载流子的光催化行为是至关重要的，但在光催化过程中，各种电效应的影响往往被忽视。借由本综述，我们希望通过对电效应进行清晰、深入和系统的研究来帮助研究者构造更高效的光催化系统。虽然在调节载流子的电效应以加强光催化方面已经取得了相当大的成功，但仍有许多挑战需要克服：
（一）光催化过程中多种电效应的协同调节进一步提高光催化效率，深入了解多种电效应的耦合机制对于实现高效的光催化反应至关重要。例如，压电效应与光热效应耦合可以促进光催化剂中的光电-光热过程。具有局域表面等离子体共振（LSPR）效应的光催化剂对可见光具有更高的响应性，有助于产生更高效的载流子以及提高量子产率。
（二)离子液体已被证明具有压电效应，由离子液体制成的器件的形状允许更多的变化，使它们具有更广泛的设计机会和应用前景。此外，具有光-磁-电三耦合光伏/磁薄膜异质结的光伏自旋电子器件已经被合成，其中阳光可以通过界面效应直接操纵器件的磁性能，将光伏自旋电子学引入光催化系统有望实现更高的光催化性能。
（三）电效应的引入为光催化系统的调控增加了新的途径，扩大了其应用范围。然而，额外的能量输入可能会削弱光催化技术的主要优势，即从太阳能中获得可再生能源。在权衡这些电效应与能源成本消耗时，需要考虑光催化技术的总体优势和局限性。
（四）目前，电效应实现的光催化性能提升是相对有限的，对电效应在提高光催化性能方面的认识仍存在很大的挑战。光催化反应涉及多种物理化学机制，虽然电效应能在一定程度上影响电荷载流子的行为，但它们并不能完全涵盖光催化反应的所有步骤和影响因素。其次，光催化效率在很大程度上取决于材料本身的特性，以压电效应为例，如何设计和制造同时具有优异压电和光学特性的压电光催化剂将会是一大难题。此外，压电效应导致的界面电位和能带变化也会抑制光催化活性，需要进一步了解压电势与光催化性能之间的动态联系。
（五）需要开发额外的原位和实时表征技术，以进一步探索各种电效应在载流子的产生、分离和传输中的作用。例如，原位单粒子PL光谱技术可有效观察到界面的电荷载流子行为，原位霍尔效应测量和光辅助磁力显微镜可以帮助分析光催化过程中的光磁变化。这些表征技术可以帮助识别载流子的行为和电效应，以及催化剂结构和性质的演变。
（六）光催化研究中的理论模拟可以对相关的电子和光学性质进行定性描述，为光催化剂的设计和优化提供理论指导和支持。然而，在大多数研究中都忽略了载流子的电效应，这将导致结果的偏差。有效的激发态模拟可以通过计算方法的进步和对模拟模型的适当修改，时间相关密度泛函理论（TDDFT）可以有效模拟从基态到激发态转变过程中的电子响应，实时TDDFT能够模拟从基态到激发态的密度变化，这对于准确预测和理解材料在各种光诱导条件下的行为至关重要。
王侯，工学博士，副教授，博士生导师，新加坡南洋理工大学博士后研究员（2016-2021），国家高层次青年人才计划获得者。从事非均相催化水污染控制和污水能源化研究。主持国家自然科学基金2项、湖南省杰出青年基金和湖南省青年科技人才支持计划。以第一/通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Appl. Catal. B: Environ., Water Res.等国际著名期刊上发表论文60余篇；论文总引用次数2.2万余次，h指数80。获授权发明专利20余件。
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