光催化全解水助催化剂的设计与构建

孙尚聪 张旭雅 刘显龙 潘伦 张香文 邹吉军

引用本文: 孙尚聪, 张旭雅, 刘显龙, 潘伦, 张香文, 邹吉军. 光催化全解水助催化剂的设计与构建[J]. 物理化学学报, 2020, 36(3): 1905007-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905007 shu
Citation:  Sun Shangcong, Zhang Xuya, Liu Xianlong, Pan Lun, Zhang Xiangwen, Zou Jijun. Design and Construction of Cocatalysts for Photocatalytic Water Splitting[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(3): 1905007-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905007 shu

光催化全解水助催化剂的设计与构建

    作者简介:




    邹吉军,1978年生。2005年在天津大学获得博士学位。现为天津大学化工学院教授、博士生导师,万人计划领军人才、教育部青年长江学者、中组部青年拔尖人才、国家优秀青年科学基金获得者,主要研究方向为能源与环境化工;
    通讯作者: 邹吉军, jj_zou@tju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21676193, 51661145026, 21506156)资助项目

摘要: 能源和环境危机是当今社会面临的两大关键课题,利用太阳光驱动化学反应、将太阳能转化为化学能是解决上述问题的重要措施。通过光催化分解水是直接利用太阳能生产氢燃料的有效策略。光催化水分解过程可以分为三个基元步骤:光吸收、电荷分离与迁移、以及表面氧化还原反应。助催化剂可有效提高电荷分离效率、提供反应活性位点并抑制催化剂光腐蚀的发生,进而提高水分解效率。助催化剂也可以通过活化水分子以提高表面氧化还原动力学,进而提升整体光催化反应的太阳能转换效率。本文综述了助催化剂在光催化反应中的重要作用以及目前常用的助催化剂类型,详细说明了在光催化全解水过程中双助催化剂体系的构建及作用机理,并根据限制全解水的关键因素提出了新型助催化剂的设计策略。

English

    1. [1]

      Fu, C. F.; Wu, X. J.; Yang, J. L. Adv. Mater. 2018, 30, 1802106. doi: 10.1002/adma.201802106

    2. [2]

      Wu, W.; Jiang, C. Z.; Roy, V. A. L. Nanoscale 2015, 7, 38. doi: 10.1039/c4nr04244a

    3. [3]

      Kong, D.; Zheng, Y.; Kobielusz, M.; Wang, Y.; Bai, Z.; Macyk, W.; Wang, X.; Tang, J. Mater. Today 2018, 21, 897. doi: 10.1016/j.mattod.2018.04.009

    4. [4]

      Zhou, P.; Yu, J. G.; Jaroniec, M. Adv. Mater. 2014, 26, 4920. doi: 10.1002/chin.201439243

    5. [5]

      Maeda, K. J. Photochem. Photobiol. C 2011, 12, 237. doi: 10.1016/j.jphotochemrev.2011.07.001

    6. [6]

      Chen, X. B.; Shen, S. H.; Guo, L. J.; Mao, S. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6503. doi: 10.1021/cr1001645

    7. [7]

      Marzo, L.; Pagire, S. K.; Reiser, O.; Konig, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 10034. doi: 10.1002/anie.201709766

    8. [8]

      Inoue, Y. Energy Environ. Sci. 2009, 2, 364. doi: 10.1039/b816677n

    9. [9]

      Wang, Z.; Li, C.; Domen, K. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2109. doi: 10.1039/c8cs00542g

    10. [10]

      Wu, L. Z.; Chen, B.; Li, Z. J.; Tung, C. H. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2177. doi: 10.1021/ar500140r

    11. [11]

      弓程, 向思弯, 张泽阳, 孙岚, 叶陈清, 林昌健.物理化学学报, 2019, 35, 616. doi: 10.3866/PKU.WHXB201805082Gong, C.; Xiang, S. W.; Zhang, Z. Y.; Sun, L.; Ye, C. Q.; Lin, C. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 616.

    12. [12]

      Huang, Z. F.; Zou, J.-J.; Pan, L.; Wang, S. B.; Zhang, X. W.; Wang, L. Appl. Catal. B: Environ. 2014, 147, 167. doi: 10.1016/j.apcatb.2013.08.038

    13. [13]

      Pan, L.; Zou, J. -J.; Zhang, X. W.; Wang, L. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 10000. doi: 10.1021/ja2035927

    14. [14]

      Huang, Z. F.; Song, J. -J.; Pan, L.; Wang, Z. M.; Zhang, X. Q.; Zou, J. -J.; Mi, W. B.; Zhang, X. W.; Wang, L. Nano Energy 2015, 12, 646. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.01.043

    15. [15]

      Tong, H.; Ouyang, S. X.; Bi, Y. P.; Umezawa, N.; Oshikiri, M.; Ye, J. H. Adv. Mater. 2012, 24, 229. doi: 10.1002/adma.201102752

    16. [16]

      Low, J. X.; Jiang, C.; Cheng, B.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Yu, J. G. Small Methods 2017, 1, 1700080. doi: 10.1002/smtd.201700080

    17. [17]

      Fan, K.; Jin, Z. L.; Yang, H.; Liu, D. D.; Hu, H. Y.; Bi, Y. P. Sci. Rep. 2017, 7, 7710. doi: 10.1038/s41598-017-08163-y

    18. [18]

      Hisatomi, T.; Kubota, J.; Domen, K. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7520. doi: 10.1039/c3cs60378d

    19. [19]

      Wang, H. L.; Zhang, L. S.; Chen, Z. G.; Hu, J. Q.; Li, S. J.; Wang, Z. H.; Liu, J. S.; Wang, X. C. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5234. doi: 10.1039/c4cs00126e

    20. [20]

      Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37. doi: 10.1038/238037a0

    21. [21]

      Li, X.; Yu, J. G.; Low, J. X.; Fang, Y. P.; Xiao, J.; Chen, X. B. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 2485. doi: 10.1039/c4ta04461d

    22. [22]

      Moniz, S. J. A.; Shevlin, S. A.; Martin, D. J.; Guo, Z. X.; Tang, J. W. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 731. doi: 10.1039/c4ee03271c

    23. [23]

      Low, J. X.; Yu, J. G.; Jaroniec, M.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A. Adv. Mater. 2017, 29, 1601694. doi: 10.1002/adma.201601694

    24. [24]

      Huang, J. H.; Shang, Q. C.; Huang, Y. Y.; Tang, F. M.; Zhang, Q.; Liu, Q. H.; Jiang, S.; Hu, F. C.; Liu, W.; Luo, Y.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2137. doi: 10.1002/anie.201510642

    25. [25]

      Gao, Y. J.; Li, X. B.; Wu, H. L.; Meng, S. L.; Fan, X. B.; Huang, M. Y.; Guo, Q.; Tung, C. H.; Wu, L. Z. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1801769. doi: 10.1002/adfm.201801769

    26. [26]

      Martin, D. J.; Qiu, K. P.; Shevlin, S. A.; Handoko, A. D.; Chen, X. W.; Guo, Z. X.; Tang, J. W. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9240. doi: 10.1002/anie.201403375

    27. [27]

      Shi, R.; Ye, H. F.; Liang, F.; Wang, Z.; Li, K.; Weng, Y. X.; Lin, Z. S.; Fu, W. F.; Che, C. M.; Chen, Y. Adv. Mater. 2017, 30, 1705941. doi: 10.1002/adma.201705941

    28. [28]

      Ning, X. F.; Zhen, W. L.; Wu, Y. Q.; Lu, G. X. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 226, 373. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.12.067

    29. [29]

      Wang, M.; Zhen, W. L.; Tian, B.; Ma, J. T.; Lu, G. X. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 236, 240. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.05.031

    30. [30]

      Li, Y. H.; Xing, J.; Chen, Z. J.; Li, Z.; Tian, F.; Zheng, L. R.; Wang, H. F.; Hu, P.; Zhao, H. J.; Yang, H. G. Nat. Commun. 2013, 4, 2500. doi: 10.1038/ncomms3500

    31. [31]

      Chen, S. S.; Takata, T.; Domen, K. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 17050. doi: 10.1038/natrevmats.2017.50

    32. [32]

      Qi, J.; Zhang, W.; Cao, R. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701620. doi: 10.1002/aenm.201701620

    33. [33]

      Xu, X. T.; Pan, L.; Zhang, X. W.; Wang, L.; Zou, J.-J. Adv. Sci. 2019, 6, 1801505. doi: 10.1002/advs.201801505

    34. [34]

      Yang, J. H.; Wang, D. G.; Han, H. X.; Li, C. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1900. doi: 10.1021/ar300227e

    35. [35]

      Al Azri, Z. H. N.; Al-Oufi, M.; Chan, A.; Waterhouse, G. I. N.; Idriss, H. ACS Catal. 2019, 9, 3946. doi: 10.1021/acscatal.8b05070

    36. [36]

      卢秀利, 韩莹莹, 鲁统部.物理化学学报, 2018, 34, 1014. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801171Lu, X.; Han, Y.; Lu, T. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 1014.

    37. [37]

      Zhang, Z.; Yates, J. T. Chem. Rev. 2012, 112, 5520. doi: 10.1021/cr3000626

    38. [38]

      Zhang, G. G.; Lan, Z. A.; Wang, X. C. Chem. Sci. 2017, 8, 5261. doi: 10.1039/c7sc01747b

    39. [39]

      Guan, J. Q.; Duan, Z. Y.; Zhang, F. X.; Kelly, S. D.; Si, R.; Dupuis, M.; Huang, Q. G.; Chen, J. Q.; Tang, C. H.; Li, C. Nat. Catal. 2018, 1, 870. doi: 10.1038/s41929-018-0158-6

    40. [40]

      Ran, J. R.; Zhang, J.; Yu, J. G.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 7787. doi: 10.1039/c3cs60425j

    41. [41]

      Subbaraman, R.; Tripkovic, D.; Strmcnik, D.; Chang, K. C.; Uchimura, M.; Paulikas, A. P.; Stamenkovic, V.; Markovic, N. M. Science 2011, 334, 1256. doi: 10.1126/science.1211934

    42. [42]

      Wang, L.; Zhu, Y. H.; Zeng, Z. H.; Lin, C.; Giroux, M.; Jiang, L.; Han, Y.; Greeley, J.; Wang, C.; Jin, J. Nano Energy 2017, 31, 456. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.11.048

    43. [43]

      Tahir, M.; Pan, L.; Idrees, F.; Zhang, X. W.; Wang, L.; Zou, J. -J.; Wang, Z. L. Nano Energy 2017, 37, 136. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.05.022

    44. [44]

      Mahmood, N.; Yao, Y. D.; Zhang, J. W.; Pan, L.; Zhang, X. W.; Zou, J. -J. Adv. Sci. 2018, 5, 1700464. doi: 10.1002/advs.201700464

    45. [45]

      Huang, Z. F.; Song, J. J.; Li, K.; Tahir, M.; Wang, Y. T.; Pan, L.; Wang, L.; Zhang, X. W.; Zou, J. -J. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1359. doi: 10.1021/jacs.5b11986

    46. [46]

      Zhang, R. R.; Zhang, Y. C.; Pan, L.; Shen, G. Q.; Mahmood, N.; Ma, Y. H.; Shi, Y.; Jia, W. Y.; Wang, L.; Zhang, X. W.; et al. ACS Catal. 2018, 8, 3803. doi: 10.1021/acscatal.8b01046

    47. [47]

      林舟, 申琳璠, 翟希铭, 张俊明, 姜艳霞, 孙世刚.物理化学学报, 2019, 35, 523. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806191Lin, Z.; Shen, L. F.; Qu, X. M.; Zhang, J. M.; Jiang, Y. X.; Sun, S. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 523.

    48. [48]

      罗盼, 孙芳, 邓菊, 许海涛, 张慧娟, 王煜.物理化学学报, 2018, 34, 1397. doi: 10.3866/PKU.WHXB201804022Luo, P.; Sun, F.; Deng, J.; Xu, H. T.; Zhang, H. J.; Wang, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 1397.

    49. [49]

      Han, G. Q.; Jin, Y. H.; Burgess, R. A.; Dickenson, N. E.; Cao, X. M.; Sun, Y. J. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15584. doi: 10.1021/jacs.7b08657

    50. [50]

      Zhao, Q.; Sun, J.; Li, S. C.; Huang, C. P.; Yao, W. F.; Chen, W.; Zeng, T.; Wu, Q.; Xu, Q. J. ACS Catal. 2018, 8, 11863. doi: 10.1021/acscatal.8b03737

    51. [51]

      Zhang, K.; Ran, J. R.; Zhu, B. C.; Ju, H. X.; Yu, J. G.; Song, L.; Qiao, S. Z. Small 2018, 14, 1801705. doi: 10.1002/smll.201801705

    52. [52]

      Lin, H. Y.; Yang, H. C.; Wang, W. L. Catal. Today 2011, 174, 106. doi: 10.1016/j.cattod.2011.01.052

    53. [53]

      Liu, J. N.; Jia, Q. H.; Long, J. L.; Wang, X. X.; Gao, Z. W.; Gu, Q. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 222, 35. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.09.073

    54. [54]

      Xu, Y.; Gong, Y. Y.; Ren, H.; Liu, W. B.; Li, C.; Liu, X. J.; Niu, L. Y. J. Alloys Compd. 2017, 735, 2551. doi: 10.1016/j.jallcom.2017.11.388

    55. [55]

      Foo, W. J.; Zhang, C.; Ho, G. W. Nanoscale 2013, 5, 759. doi: 10.1039/c2nr33004k

    56. [56]

      Wang, X. J.; Tian, X.; Sun, Y. J.; Zhu, J. Y.; Li, F. T.; Mu, H. Y.; Zhao, J. Nanoscale 2018, 10, 12315. doi: 10.1039/c8nr03846e

    57. [57]

      Wang, P. F.; Zhan, S. H.; Wang, H. T.; Xia, Y. G.; Hou, Q. L.; Zhou, Q. X.; Li, Y.; Kumar, R. R. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 230, 210. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.02.043

    58. [58]

      Chen, Y. B.; Qin, Z. X. Catal. Sci. Technol. 2016, 6, 8212. doi: 10.1039/c6cy01653g

    59. [59]

      Indra, A.; Acharjya, A.; Menezes, P. W.; Merschjann, C.; Hollmann, D.; Schwarze, M.; Aktas, M.; Friedrich, A.; Lochbrunner, S.; Thomas, A.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1653. doi: 10.1002/anie.201611605

    60. [60]

      Kumar, D. P.; Choi, J.; Hong, S.; Reddy, D. A.; Lee, S.; Kim, T. K. ACS Sustain. Chem. Eng. 2016, 4, 7158. doi: 10.1021/acssuschemeng.6b02032

    61. [61]

      Yin, L. S.; Hai, X.; Chang, K.; Ichihara, F.; Ye, J. H. Small 2018, 14, 1704153. doi: 10.1002/smll.201704153

    62. [62]

      Garcia-Esparza, A. T.; Cha, D.; Ou, Y. W.; Kubota, J.; Domen, K.; Takanabe, K. ChemSusChem 2013, 6, 168. doi: 10.1002/cssc.201200780

    63. [63]

      Nurlaela, E.; Wang, H.; Shinagawa, T.; Flanagan, S.; Ould-Chikh, S.; Qureshi, M.; Mics, Z.; Sautet, P.; Le Bahers, T.; Cánovas, E.; et al. ACS Catal. 2016, 6, 4117. doi: 10.1021/acscatal.6b00508

    64. [64]

      Li, M.; Bai, L.; Wu, S. J.; Wen, X. D.; Guan, J. Q. ChemSusChem 2018, 11, 1722. doi: 10.1002/cssc.201800489

    65. [65]

      Zhang, H. Y.; Tian, W. J.; Zhou, L.; Sun, H. Q.; Tade, M.; Wang, S. B. Appl. Catal. B: Environ. 2017, 223, 2. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.03.028

    66. [66]

      Zhang, G. G.; Zang, S. H.; Wang, X. C. ACS Catal. 2015, 5, 941. doi: 10.1021/cs502002u

    67. [67]

      Zhang, L. Z.; Yang, C.; Xi, Z. L.; Wang, X. C. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 224, 886. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.11.023

    68. [68]

      Yoshinaga, T.; Saruyama, M.; Xiong, A.; Ham, Y.; Kuang, Y. B.; Niishiro, R.; Akiyama, S.; Sakamoto, M.; Hisatomi, T.; Domen, K.; et al. Nanoscale 2018, 10, UNSP10420. doi: 10.1039/c8nr00377g

    69. [69]

      Ye, C.; Li, J. X.; Li, Z. J.; Li, X. B.; Fan, X. B.; Zhang, L. P.; Chen, B.; Tung, C. H.; Wu, L. Z. ACS Catal. 2015, 5, 6973. doi: 10.1021/acscatal.5b02185

    70. [70]

      Wang, D. E.; Li, R. G.; Zhu, J.; Shi, J. Y.; Han, J. F.; Zong, X.; Li, C. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 5082. doi: 10.1021/jp210584b

    71. [71]

      Yan, H. J.; Yang, J. H.; Ma, G. J.; Wu, G. P.; Zong, X.; Lei, Z. B.; Shi, J. Y.; Li, C. J. Catal. 2009, 266, 165. doi: 10.1016/j.jcat.2009.06.024

    72. [72]

      Maeda, K.; Xiong, A. K.; Yoshinaga, T.; Ikeda, T.; Sakamoto, N.; Hisatomi, T.; Takashima, M.; Lu, D. L.; Kanehara, M.; Setoyama, T.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4096. doi: 10.1002/anie.201001259

    73. [73]

      Maeda, K.; Lu, D. L.; Domen, K. Chemistry 2013, 19, 4986. doi: 10.1002/chem.201300158

    74. [74]

      Chen, S. S.; Qi, Y.; Hisatomi, T.; Ding, Q.; Asai, T.; Li, Z.; Ma, S. S. K.; Zhang, F. X.; Domen, K.; Li, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 8498. doi: 10.1002/anie.201502686

    75. [75]

      Wang, Q.; Hisatomi, T.; Jia, Q. X.; Tokudome, H.; Zhong, M.; Wang, C. Z.; Pan, Z. H.; Takata, T.; Nakabayashi, M.; Shibata, N.; et al. Nat. Mater. 2016, 15, 611. doi: 10.1038/nmat4589

    76. [76]

      Lin, L. H.; Yu, Z. Y.; Wang, X. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 58, 6164. doi: 10.1002/anie.201809897

    77. [77]

      Niu, W. H.; Yang, Y. ACS Energy Lett. 2018, 3, 2796. doi: 10.1021/acsenergylett.8b01594

    78. [78]

      Zhang, J. W.; Gong, S.; Mahmood, N.; Pan, L.; Zhang, X. W.; Zou, J. -J. Appl. Catal. B: Environ. 2018, 221, 9. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.09.003

    79. [79]

      Zheng, Y.; Lin, L. H.; Wang, B.; Wang, X. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 12868. doi: 10.1002/anie.201501788

    80. [80]

      Pan, Z. M.; Zhang, G. G.; Wang, X. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2019. doi: 10.1002/anie.201902634

    81. [81]

      Huang, Z. F.; Song, J. J.; Wang, X.; Pan, L.; Li, K.; Zhang, X. W.; Wang, L.; Zou, J. -J. Nano Energy 2017, 40, 308. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.08.032

    82. [82]

      Zheng, Y.; Yu, Z. H.; Ou, H. H.; Asiri, A. M.; Chen, Y. L.; Wang, X. C. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705407. doi: 10.1002/adfm.201705407

    83. [83]

      Liu, N. Y.; Han, M. M.; Sun, Y.; Zhu, C.; Zhou, Y. J.; Zhang, Y. L.; Huang, H.; Kremnican, V.; Liu, Y.; Lifshitz, Y.; et al. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1841. doi: 10.1039/c7ee03459h

    84. [84]

      Zhang, G. G.; Lan, Z. A.; Lin, L. H.; Lin, S.; Wang, X. C. Chem. Sci. 2016, 7, 3062. doi: 10.1039/c5sc04572j

    85. [85]

      Pan, Z. M.; Zheng, Y.; Guo, F. S.; Niu, P. P.; Wang, X. C. ChemSusChem 2017, 10, 87. doi: 10.1002/cssc.201600850

    86. [86]

      Zheng, D. D.; Cao, X. N.; Wang, X. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 11512. doi: 10.1002/anie.201606102

    87. [87]

      Sun, S. C.; Zhang, Y. C.; Shen, G. Q.; Wang, Y. T.; Liu, X. L.; Duan, Z. W.; Pan, L.; Zhang, X. W.; Zou, J. -J. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 243, 253. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.10.051

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  60
  • HTML全文浏览量:  8
文章相关
  • 收稿日期:  2019-05-02
  • 接受日期:  2019-06-03
  • 修回日期:  2019-05-25
  • 网络出版日期:  2020-03-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章