[论文解读] Nanostructures Design: the Role of Cocatalysts for Hydrogen and Oxygen Generation in Photocatalytic Water Splitting

Zhexu Xi|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Advanced Photocatalysis Techniques参考文献 38被引用 5

一句话总结

本文综述了通过共催化剂改性纳米结构光催化剂以增强太阳能驱动水分解中氢气和氧气生成的设计。详细阐述了共催化剂如何提升光吸收、电荷分离及表面反应动力学，明确了析氢、析氧及双功能共催化剂的特定作用，为高效、可扩展的光催化系统提供了路线图。

ABSTRACT

Due to the energy supply pressure caused by non-renewable fuels as well as the environment-related issues, the efficient conversion of solar-chemical energy via photo-induced water splitting is one of the promising strategies to address the existing problems. To strengthen the overall catalytic performance of photocatalytic hydrogen (H2) and oxygen (O2) evolution, the selection and construction of cocatalysts are crucial. Recently, the semiconductor photocatalysts have been well modified with the loaded cocatalysts as the active sites by extending the light harvest, promoting the electron separation and transfer, and improving the photocatalytic activity. Combined with the principles of photocatalysis, the paper focuses on the mechanism and roles of cocatalysts for boosted photocatalytic water splitting in recent research. The categories with the corresponding research contents of the existing cocatalysts are also summarised, including cocatalysts for H2 evolution, cocatalysts for O2 evolution, and dual cocatalysts for overall water splitting. Finally, the future direction of the development is suggested for the rational design and large-scale application of highly efficient cocatalysts in the photo-induced water splitting system.

研究动机与目标

• 应对可持续、可再生能源的迫切需求，推进太阳能驱动水分解以生产清洁氢气和氧气。
• 克服半导体光催化剂中量子效率低和电荷分离差的局限性。
• 系统分析共催化剂在增强光催化体系中析氢和析氧反应中的作用。
• 全面综述用于整体水分解的共催化剂类型、作用机制及设计原则。
• 为未来理性化、大规模设计高性能共催化剂以实现实际应用提供指导。

提出的方法

• 综述近期关于通过共催化剂改性纳米结构光催化剂以提升光催化活性的进展。
• 将共催化剂分为三类：析氢共催化剂、析氧共催化剂以及用于整体水分解的双功能共催化剂。
• 分析共催化剂如何改善光捕获、促进电子-空穴分离并加速表面氧化还原反应。
• 研究共催化剂材料（例如贵金属、过渡金属氧化物、硫化物）在降低过电位和稳定载流子方面的作用。
• 结合光催化原理与纳米结构工程，解释性能提升的机制。
• 采用以合成与机理为导向的方法，评估不同半导体体系中共催化剂集成策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 共催化剂如何提升光催化水分解中析氢反应的效率？
• RQ2 共催化剂在促进析氧反应中的具体作用与作用机理是什么？
• RQ3 双功能共催化剂体系如何通过空间分离还原与氧化反应位点，实现高效整体水分解并减少复合？
• RQ4 纳米结构光催化剂中，共催化剂的选择与集成遵循哪些设计原则？
• RQ5 在太阳能燃料生成中，可扩展、高性能共催化剂系统面临的关键挑战与未来发展方向是什么？

主要发现

• 共催化剂显著改善电荷分离与传输，降低光催化体系中的复合损失。
• 贵金属共催化剂（如Pt和Pd）因过电位低且催化活性优异，对析氢反应具有极高效性。
• CoO、CoPi等过渡金属氧化物可通过稳定高价态并促进四电子水氧化过程，作为高效的析氧共催化剂。
• 双功能共催化剂体系（如Pt用于析氢、CoO用于析氧）通过空间分离还原与氧化反应位点，实现高效整体水分解。
• 共催化剂的纳米结构化可提升比表面积与界面接触，从而改善反应动力学与稳定性。
• 基于电子结构与表面能考虑的共催化剂理性设计，对于实现光催化水分解的高量子效率至关重要。