編號：CYYJ03882
篇名：氧化鋅基梯型異質(zhì)結(jié)光催化劑
作者：江梓聰 程蓓 張留洋 張振翼 別傳彪
關(guān)鍵詞： 光催化 梯型異質(zhì)結(jié) 氧化鋅 內(nèi)建電場 光催化應(yīng)用
機(jī)構(gòu)： 武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院太陽燃料實(shí)驗(yàn)室 大連民族大學(xué)物理與材料工程學(xué)院
摘要： 隨著工業(yè)的快速發(fā)展和化石燃料的過度開發(fā)使用,能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重.光催化技術(shù)在能源與環(huán)境領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景,是人類社會可持續(xù)發(fā)展的有效策略之一.傳統(tǒng)氧化鋅(ZnO)光催化劑因其無毒性、良好生物相容性和低成本而備受關(guān)注.然而,ZnO光催化性能受限于光生載流子復(fù)合嚴(yán)重和光生電子還原能力弱等問題.常規(guī)的改性方法,包括原子摻雜、缺陷調(diào)控、助催化劑負(fù)載等,很難兼顧載流子分離效率和氧化還原能力.相較而言,構(gòu)建梯型異質(zhì)結(jié)可以較好地解決上述問題.梯型異質(zhì)結(jié)界面處的內(nèi)建電場可以促進(jìn)光生載流子的高效分離和轉(zhuǎn)移,同時(shí)保留光催化體系最強(qiáng)的氧化還原能力,從而實(shí)現(xiàn)更高效的光催化反應(yīng).然而,盡管已有大量關(guān)于ZnO基梯型異質(zhì)結(jié)的研究工作被陸續(xù)發(fā)表,卻很少有評論性文章對該領(lǐng)域進(jìn)行綜述.因此,有必要對ZnO基梯型光催化劑的研究成果進(jìn)行總結(jié),并為這一研究方向的發(fā)展提供及時(shí)的指導(dǎo).本文首先介紹了異質(zhì)結(jié)的發(fā)展歷程,討論了II型異質(zhì)結(jié)、傳統(tǒng)Z型體系、全固態(tài)Z型異質(zhì)結(jié)的光催化反應(yīng)機(jī)理,并在此基礎(chǔ)上指出了它們在熱力學(xué)上的挑戰(zhàn).其次,深入分析了梯型異質(zhì)結(jié)的理論基礎(chǔ),包括還原型半導(dǎo)體和氧化型半導(dǎo)體的選擇,相互接觸后的電子轉(zhuǎn)移,梯型異質(zhì)結(jié)中內(nèi)建電場的形成,以及光激發(fā)后梯型異質(zhì)結(jié)中光生載流子的分離和遷移,并詮釋了梯型異質(zhì)結(jié)在促進(jìn)電荷載流子分離以及增強(qiáng)光催化體系的氧化還原能力方面的突出優(yōu)勢.此外,闡明了ZnO基梯型異質(zhì)結(jié)的分類和設(shè)計(jì)原理.除了常見的ZnO基梯型n-n異質(zhì)結(jié),還討論了以Zn O為還原型半導(dǎo)體的梯型n-p異質(zhì)結(jié)以及以ZnO為氧化型半導(dǎo)體的梯型p-n異質(zhì)結(jié).歸納了目前ZnO基梯型異質(zhì)結(jié)光催化劑的制備方法,包括水/溶劑熱法、共沉淀法和靜電自組裝法等,剖析了這些制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及所制備的ZnO基梯型異質(zhì)結(jié)的界面性質(zhì).概述了以ZnO基梯型異質(zhì)結(jié)為代表的梯型異質(zhì)結(jié)的表征技術(shù),包括原位輻照X射線光電子能譜、開爾文探針力顯微鏡、電子順磁共振波譜和第一性原理計(jì)算.總結(jié)了ZnO基梯型異質(zhì)結(jié)近年來在不同光催化應(yīng)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展,包括光催化環(huán)境修復(fù)、制氫、制備雙氧水、二氧化碳還原、殺菌、固氮等.最后,對ZnO基梯型異質(zhì)結(jié)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望,提出了其所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn),希望能為該領(lǐng)域帶來新的啟示。
