純BiOX（鹵氧鉍）基光催化劑在能源和環(huán)境的利用效率并不理想。為了獲得更高的光催化活性，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)BiOX的光催化位點(diǎn)，量子效率，電荷分離和光吸收效率，進(jìn)行了大量研究（圖1）。
最近，揚(yáng)州大學(xué)王小治教授、侯建華副教授和Asif Hussain博士生在Catalysis Reviews上發(fā)表題為“Recent Advances in BiOX-Based Photocatalysts to Enhanced Efficiency for Energy and Environment Applications”的綜述性文章。該綜述對(duì)BiOX基光催化劑的納米結(jié)構(gòu)，以及催化劑的光生電子空穴對(duì)復(fù)合和光捕獲問題進(jìn)行了分析，并總結(jié)了近年來提高其光催化活性的相關(guān)策略?？偟膩碚f，該綜述回顧了提高催化劑光催化活性的先進(jìn)策略及其在環(huán)境污染物降解和能量轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用?？偨Y(jié)了近年來BiOX在科學(xué)和技術(shù)上面臨的挑戰(zhàn)，包括制備方法、光催化活性和提高BiOX-基光催化劑活性的挑戰(zhàn)。▲圖1. 先進(jìn)的光催化系統(tǒng)在能源和環(huán)境應(yīng)用
工業(yè)革命和技術(shù)進(jìn)步帶來了環(huán)境和能源短缺問題，嚴(yán)重威脅著社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。這種依賴需要能源和其他自然資源。如圖2所示，到2050年，全球能源需求將比目前增長50%。隨著工業(yè)化和增長進(jìn)程的加快，有機(jī)污染物、室溫和有害氣體、聚合物廢物、醫(yī)療廢水等造成的生態(tài)污染已成為一個(gè)威脅人類健康的問題。隨著時(shí)間的推移，由于世界人口增長率的增加，化石燃料（天然氣、石油和煤炭）資源正在減少。因此，在不久的將來，能源供應(yīng)來源會(huì)成為一個(gè)基本問題。環(huán)境污染和能源短缺是人類面臨的兩大問題。在清潔和綠色能源措施中，半導(dǎo)體光催化技術(shù)被認(rèn)為是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效策略。利用太陽能驅(qū)動(dòng)光催化劑可進(jìn)行一系列催化活動(dòng)，如制氫、固氮合成氨、降解有毒污染物、選擇性轉(zhuǎn)換CO2為可用燃料及有機(jī)物等。▲圖2 不同資源產(chǎn)生效率的估計(jì)值。資料來源：EIA，AEO 2019，IEA，WEO 2019、WEC，世界能源情況
光產(chǎn)生載流子的轉(zhuǎn)移和復(fù)合是影響半導(dǎo)體光催化劑催化效率的重要因素。電生載流子的吸收和復(fù)合陷阱是影響光催化劑效率的兩個(gè)重要問題。第一，光生載流子可以被困在體相材料中，其中一些轉(zhuǎn)移到表面。第二，表面載流子被氧化還原反應(yīng)捕獲。通常，被次表面捕獲的電荷或被表面捕獲的電荷在半導(dǎo)體光催化劑中具有優(yōu)先性。激活類型的載流子包含被捕獲的電子、被捕獲的空穴和自由電子，這是載流子在捕獲條件下的最主要狀態(tài)。如圖3（a）所示，自由電子分散在體相材料中，而被捕獲的電子和空穴被限制在表面。在光催化過程中，光生電子空穴對(duì)（e--h+）的產(chǎn)生時(shí)間是飛秒級(jí)，而從體積到表面活化位點(diǎn)的遷移時(shí)間需要數(shù)百皮秒。如圖3（b）所示，載體子與吸附的反應(yīng)物之間的催化反應(yīng)時(shí)間在納秒到微秒之間。相反，光生（e--h+）對(duì)復(fù)合周期非常短（ps到ns范圍）。目前已經(jīng)報(bào)道的幾種電荷復(fù)合形式包括表面復(fù)合、直接復(fù)合和體相復(fù)合。材料內(nèi)部的復(fù)合是由于被處于導(dǎo)電邊緣和平衡帶隙邊緣的淺陷阱捕獲，而深陷阱捕獲處于材料帶隙內(nèi)部。為了降低和控制光生載流子復(fù)合，以下技術(shù)被研究提升光催化效率:（i）助催化劑擔(dān)載，（ii）摻雜，（iii）固溶體，（iv）缺陷工程，（v）構(gòu)建II型異質(zhì)結(jié)，（vi）構(gòu)建Z型異質(zhì)結(jié)，（vii）構(gòu)建S型異質(zhì)結(jié)，（viii）構(gòu)建p-n型結(jié)。▲圖3 （a）價(jià)態(tài)和導(dǎo)帶態(tài)示意圖（b）光誘導(dǎo)電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合（c）光催化反應(yīng)機(jī)理
該綜述從抑制電荷復(fù)合、增強(qiáng)光吸收和催化位點(diǎn)工程三個(gè)方面，廣泛、全面地總結(jié)了近年來提高光催化（BiOX）效率的技術(shù)進(jìn)展和創(chuàng)新策略。綜述了光催化劑在能量轉(zhuǎn)化和有機(jī)污染物降解方面的應(yīng)用。此外，BiOX基研究領(lǐng)域取得了優(yōu)異的成果；然而，還需要考慮到以下特征并進(jìn)一步對(duì)重要的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行完善。1. BiOX的二維層狀結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，在光驅(qū)動(dòng)光催化方面表現(xiàn)出良好的潛力。需要研究經(jīng)濟(jì)合適的規(guī)?；铣煞椒ê瞳@得更好的光催化性能。2. 表面電荷的分離策略可通過控制表面的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，它依賴于量子位點(diǎn)工程、表面空位工程、修飾和缺陷工程，它們可以誘導(dǎo)局域電場或增強(qiáng)表面電荷的遷移，并抑制載流子的復(fù)合。缺陷的目的主要根據(jù)其類型、濃度和位置進(jìn)行分類，即淺層阱（電子和空穴）和深層阱。一般來說，多重缺陷輔助作用顯著提高光催化效率，也可能增加缺陷誘導(dǎo)的復(fù)雜性。擴(kuò)散長度和腐蝕對(duì)光催化劑晶格表面的影響不容忽視?；钚渣c(diǎn)位工程，表面工程，小擴(kuò)散長度（~10-9）或更少的光催化劑會(huì)潛在地將電子和空穴吸引到活性位點(diǎn)上，從而抑制復(fù)合過程。在目前的研究中，原子層狀沉積（ALD）由于其緊密的原子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而引起了人們對(duì)光催化的更多關(guān)注，在未來的光催化領(lǐng)域具有很大的潛力。3. 大量的研究報(bào)道了獨(dú)特層結(jié)構(gòu)光催化劑的合成，制備具有較高金屬摻雜的超薄結(jié)構(gòu)是熱點(diǎn)問題。負(fù)載金屬含量較高的層狀結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)光催化活性，但可能同時(shí)與鄰近的反應(yīng)物反應(yīng)迅速，產(chǎn)生多余的物種，導(dǎo)致光催化劑的穩(wěn)定性不理想?；谏鲜鰡栴}，合成具有較高金屬種類和高穩(wěn)定性的薄層結(jié)構(gòu)潛在策略有望被采用。4. 毫無疑問是已公開的幾種鉍基層狀結(jié)構(gòu)在極化層中引入誘導(dǎo)電場（IEF）來抑制復(fù)合，并分配光生載流子的傳輸通道。采用IEF技術(shù)提高層狀結(jié)構(gòu)光催化劑的效率具有重要意義。總之，影響光催化活性的最重要參數(shù)包括，催化位點(diǎn)工程、超薄層結(jié)構(gòu)和電荷分離將被進(jìn)一步考慮，而具有誘導(dǎo)IEF電荷抑制策略的薄層結(jié)構(gòu)的開發(fā)將成為重要的科學(xué)問題。理論和實(shí)驗(yàn)研究的持續(xù)研究可能會(huì)增強(qiáng)對(duì)低成本且更有效光催化劑的獲得，這將有利于可持續(xù)綠色能源環(huán)境的革命。Xiaozhi Wang et al., Recent Advances in BiOX-Based Photocatalysts to Enhanced Efficiency for Energy and Environment Applications, Catalysis Reviews-Science and Engineering, 2022, DOI: 10.1080/01614940.2022.2041836.https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/01614940.2022.2041836侯建華，博士、副教授、博士生導(dǎo)師，主要從事“雙碳”目標(biāo)下的能源環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用。近年來主持國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目10余項(xiàng)；以第一/通訊作者在ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、ACS Sustainable Chem. Eng.、Chemical Engineering Journal、Nanoscale、Journal of Power Sources、Journal of Cleaner Production等本領(lǐng)域權(quán)威期發(fā)表SCI刊上發(fā)表30余篇論文?？偙灰?000余次，其中發(fā)表在ACS Nano雜志的論文單篇被引1100余次，屬熱點(diǎn)論文。相關(guān)成果被美國化學(xué)會(huì)（ACS），C&EN，Nano Today，中國科學(xué)報(bào)，中國教育報(bào)，科學(xué)網(wǎng)等專題亮點(diǎn)報(bào)道。榮獲2021年度江蘇省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究成果獎(jiǎng)“二等獎(jiǎng)”（R1）“新型可見光催化劑構(gòu)建及其高效處理廢水應(yīng)用”。2020年全國商業(yè)科技進(jìn)步“三等獎(jiǎng)”（R2）、2019年度揚(yáng)州大學(xué)“高端人才支持計(jì)劃”的拔尖人才、2020年揚(yáng)州市“綠楊金鳳”領(lǐng)軍人才計(jì)劃項(xiàng)目、2021年江蘇省“青藍(lán)工程”。申請(qǐng)中國發(fā)明專利20項(xiàng)（已授權(quán)5項(xiàng)）。指導(dǎo)學(xué)生：科創(chuàng)30余項(xiàng)，國家級(jí)3項(xiàng)，省級(jí)6項(xiàng)，國家級(jí)獎(jiǎng)20項(xiàng)，省級(jí)20項(xiàng)，國家級(jí)優(yōu)秀畢業(yè)論文1次。http://teacher.yzu.edu.cn/Hou/zh_CN/index/406371/list/index.htm王小治，教授，博導(dǎo)。揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科帶頭人、揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所所長。主持4項(xiàng)國家基金和其它國家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)；以第一或通訊作者發(fā)表科研論文120余篇，其中SCI收錄30余篇；獲授權(quán)專利7項(xiàng)，獲江蘇省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，江蘇省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)2次。兼任中國土壤學(xué)會(huì)理事、江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)理事。獲評(píng)為江蘇省“六大人才高峰”節(jié)能環(huán)保創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，江蘇省333工程培養(yǎng)對(duì)象，江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人，并被聘為國家科技部重點(diǎn)專項(xiàng)會(huì)評(píng)專家。http://hjxy.yzu.edu.cn/info/1020/2627.htm
