編號：CYYJ03882
篇名：氧化鋅基梯型異質(zhì)結光催化劑
作者：江梓聰 程蓓 張留洋 張振翼 別傳彪
關鍵詞： 光催化 梯型異質(zhì)結 氧化鋅 內(nèi)建電場 光催化應用
機構： 武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室 中國地質(zhì)大學（武漢）材料與化學學院太陽燃料實驗室 大連民族大學物理與材料工程學院
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,能源危機和環(huán)境污染日益嚴重.光催化技術在能源與環(huán)境領域具有良好的應用前景,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注.然而,ZnO光催化性能受限于光生載流子復合嚴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,構建梯型異質(zhì)結可以較好地解決上述問題.梯型異質(zhì)結界面處的內(nèi)建電場可以促進光生載流子的高效分離和轉(zhuǎn)移,同時保留光催化體系最強的氧化還原能力,從而實現(xiàn)更高效的光催化反應.然而,盡管已有大量關于ZnO基梯型異質(zhì)結的研究工作被陸續(xù)發(fā)表,卻很少有評論性文章對該領域進行綜述.因此,有必要對ZnO基梯型光催化劑的研究成果進行總結,并為這一研究方向的發(fā)展提供及時的指導.本文首先介紹了異質(zhì)結的發(fā)展歷程,討論了II型異質(zhì)結、傳統(tǒng)Z型體系、全固態(tài)Z型異質(zhì)結的光催化反應機理,并在此基礎上指出了它們在熱力學上的挑戰(zhàn).其次,深入分析了梯型異質(zhì)結的理論基礎,包括還原型半導體和氧化型半導體的選擇,相互接觸后的電子轉(zhuǎn)移,梯型異質(zhì)結中內(nèi)建電場的形成,以及光激發(fā)后梯型異質(zhì)結中光生載流子的分離和遷移,并詮釋了梯型異質(zhì)結在促進電荷載流子分離以及增強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)結的分類和設計原理.除了常見的ZnO基梯型n-n異質(zhì)結,還討論了以Zn O為還原型半導體的梯型n-p異質(zhì)結以及以ZnO為氧化型半導體的梯型p-n異質(zhì)結.歸納了目前ZnO基梯型異質(zhì)結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)缺點以及所制備的ZnO基梯型異質(zhì)結的界面性質(zhì).概述了以ZnO基梯型異質(zhì)結為代表的梯型異質(zhì)結的表征技術,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算.總結了ZnO基梯型異質(zhì)結近年來在不同光催化應用領域的研究進展,包括光催化環(huán)境修復、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)結的未來發(fā)展進行了展望,提出了其所面臨的機遇與挑戰(zhàn),希望能為該領域帶來新的啟示。
