港城大/吉大AM綜述：TiO2催化劑，人工光合作用新興趨勢
2023-10-28 17:47 作者:電化學(xué)與電催化 | 我要投稿
TiO2作為一種多功能過渡金屬氧化物，其應(yīng)用范圍遍布能源轉(zhuǎn)換/存儲、環(huán)境修復(fù)、傳感器和光電子學(xué)等新興研究領(lǐng)域。由于其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、光學(xué)和電子特性的可調(diào)性使其成為研究最多的工程材料之一。盡管TiO2是一種以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和高表面活性而聞名的經(jīng)典光催化劑，但基于TiO2的光催化仍舊是一個活躍的領(lǐng)域，特別是在近年催化人工光合作用方面，展現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)勢。
有鑒于此，來自吉林大學(xué)的崔小強教授、鄭偉濤教授以及香港城市大學(xué)的Sai Kishore RAVI教授等人全面概述了用于人工光合作用的TiO2的最新發(fā)展以及新興趨勢，對TiO2在人工光合作用領(lǐng)域的發(fā)展提供了新思路。首先概述了TiO2的總體發(fā)展趨勢。隨后，詳細介紹并討論了TiO2的合成策略、結(jié)構(gòu)、催化機制、性能優(yōu)化策略以及在人工光合作用領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，展現(xiàn)了TiO2在人工光合作用解決能源和環(huán)境問題上的優(yōu)勢和潛力。最后，總結(jié)了TiO2的最新趨勢和進展，同時也強調(diào)了這一經(jīng)典且快速發(fā)展的材料所面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)和未來發(fā)展前景。
相關(guān)成果發(fā)表于Advanced Materials，題為 “Catalyzing Artificial Photosynthesis with TiO2 Heterostructures and Hybrids – Emerging Trends in a Classical yet Contemporary Photocatalyst” ，文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305285
圖1. 基于TiO2的人工光合作用：合成策略、基本原理、表面和改性工程、雜化、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和摻雜、應(yīng)用以及未來的方向和挑戰(zhàn)研究內(nèi)容
（一）TiO2納米材料的合成策略
近一個世紀(jì)以來，人們對TiO2納米材料的合成進行性了廣泛的研究。首先討論了TiO2的納米級控制，隨后詳細介紹了三種常見的成熟的合成方法：水熱法、溶膠-凝膠法以及模板法，最后，綜述了TiO2合成領(lǐng)域的新興方法。這些合成策略使得能夠制造具有特定性質(zhì)以及增強光催化性能的TiO2。
（二）TiO2納米材料的人工光合作用的基本原理
本部分則介紹了TiO2的基本結(jié)構(gòu)以及人工光合作用的基本原理及過程。
（三）TiO2納米材料在人工光合作用中的優(yōu)化策略
本文從TiO2納米材料的改性與表面工程、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和摻雜以及與其他材料雜化的協(xié)同效應(yīng)等方面闡述了TiO2納米材料的性能優(yōu)化策略。
（四）TiO2納米材料在人工光合作用中的應(yīng)用
TiO2的諸多合成和優(yōu)化策略使其在人工光合作用領(lǐng)域的有著廣泛的應(yīng)用，包括太陽能燃料生產(chǎn)、有機光降解、二氧化碳減排和可再生能源存儲。
圖2. TiO2基納米材料在人工光合作用領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用
（五）未來趨勢與挑戰(zhàn)
盡管基于TiO2的催化人工光合作用仍舊是一個活躍的領(lǐng)域，但TiO2的發(fā)展之路仍有很多挑戰(zhàn)和未解決的問題。為了促進TiO2材料的可持續(xù)發(fā)展，認識和解決TiO2納米材料催化人工光合作用的挑戰(zhàn)和難題是至關(guān)重要的。在此，本文提出了TiO2納米材料當(dāng)前發(fā)展存在的挑戰(zhàn)以及未來前景，旨在為未來的道路提供方向。
圖3. TiO2人工光合作用領(lǐng)域的當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來前景結(jié)論與展望
總之，基于TiO2的人工光合作用代表了一個充滿活力且快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。憑借其經(jīng)典基礎(chǔ)和當(dāng)代創(chuàng)新，TiO2繼續(xù)激勵著不同學(xué)科的研究人員。通過全球合作和利用跨學(xué)科專業(yè)知識，我們對TiO2徹底改變能源生產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的潛力持樂觀態(tài)度。通過不斷的研究和發(fā)現(xiàn)，基于TiO2的人工光合作用無疑將超越本次綜述所涵蓋的綜合范圍，引領(lǐng)我們走向更綠色、更可持續(xù)的未來。
作者簡介
第一作者：阮曉文
阮曉文博士，2023年畢業(yè)于吉林大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，師從崔小強教授。2023年加入香港城市大學(xué)能源及環(huán)境學(xué)院任博士后，合作導(dǎo)師是Sai Kishore RAVI教授。主要從事光降解污染物、光解水制氫、CO2還原等新型低維材料的構(gòu)建及性能研究。目前以第一/通訊作者在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Small, Small Methods, Chemical Engineering Journal等國際知名期刊上發(fā)表10余篇文章，其中3篇曾入選ESI高被引/熱點論文。
共同第一作者：李世杰
吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料物理與化學(xué)專業(yè)2019級本科生，師從崔小強教授。主要研究方向為用于光催化CO2及貴金屬助催化劑的設(shè)計與性能研究。
論文通訊作者：崔小強教授
吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，副院長。崔小強教授主要研究方向為能源催化材料，面向氫能綜合利用、燃料電池汽車等國家重大戰(zhàn)略需求，從原子尺度上開展高效催化劑的設(shè)計和制備研究。相關(guān)研究成果連續(xù)發(fā)表在Nature Communications（3篇）、AM、JACS、AEM、AFM、Angew、Chem、Matter等學(xué)科頂級期刊，被多次正面引用。累計發(fā)表SCI論文150余篇，他引4800余次，H因子37；主持科技部國家重點研發(fā)計劃納米專項課題（1項，712萬）、國家自然科學(xué)基金面上項目（5項）等。申請國家發(fā)明專利43項，授權(quán)29項。獲教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”計劃支持、吉林省“長白山學(xué)者”、吉林省第七批拔尖創(chuàng)新人才第三層次、吉林省第十六批享受政府津貼專家（省有突出貢獻專家）、長春市第六、七批有突出貢獻專家，吉林大學(xué)“三全育人”育人標(biāo)兵等榮譽稱號。擔(dān)任中國材料研究學(xué)會青年工作委員會第七、第八屆理事會理事（2011.10至今），中國材料學(xué)會納米材料與器件分會首屆理事會（2014.4至今）、中國有色金屬學(xué)會貴金屬學(xué)術(shù)委員會會員（2018.5至今）、中國材料學(xué)會終身會員（2021.2年至今）、《中國材料進展》期刊第五屆編輯委員會青年委員（2021.4年至今）。
論文通訊作者：Sai Kishore RAVI
Sai教授是香港城市大學(xué)助理教授。博士畢業(yè)于新加坡國立大學(xué)，之后在新加坡國立大學(xué)擔(dān)任研究員。Sai教授的研究興趣包括：(1) 太陽能燃料（半人工光合作用、綠色氫氣、光催化/生物催化CO2還原）；(2) 光介導(dǎo)/生物催化水處理、廢水轉(zhuǎn)化為能源技術(shù)、太陽能脫鹽；(3) 可持續(xù)生物電子（生物電容器、自供電觸覺傳感器和電子紙）；(4) 功能性納米纖維（空氣過濾器、電子紡織品和個人熱管理）。迄今在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy & Environmental Science, Nature Communications, and Science Advances等國際著名期刊上發(fā)表論文，多個專利。
論文通訊作者：鄭偉濤
理學(xué)博士，唐敖慶卓越教授，博士生導(dǎo)師。教育部長江學(xué)者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，國家“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選。兼任國際衍射數(shù)據(jù)中心（ICDD）委員，中國材料研究學(xué)會常務(wù)理事，國務(wù)院學(xué)位委員會學(xué)科評議組成員，教育部科學(xué)技術(shù)委員會學(xué)部委員，教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會委員，國家自然科學(xué)基金委員會專家評審組成員，國際《Appl.Surf.Sci》、《Vacuum》雜志編委等職。主要從事超硬薄膜材料、功能薄膜材料、石墨烯等碳納米材料、儲能電極材料、量子點材料等研究，主持國家863、國家基金委重點項目、科技部重大儀器專項、“高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃”等，獲得吉林省科技進步獎一等獎（2008年）、吉林省自然科學(xué)獎一等獎2項（2016年，2020年）（均為第一完成人），獲得中國發(fā)明專利40余項，發(fā)表SCI收錄論文700余篇，SCI他引25000余次。著有《薄膜材料與薄膜技術(shù)》等。
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