二維光催化材料

董帆

電子科技大學基礎與前沿研究院，環境與能源催化研究中心，成都 611731

二維納米材料是一類性能獨特且有良好前景的光催化材料。二維材料表面原子排列通常與塊體材料不同，對表面性質和界面電荷轉移有顯著影響，展現出獨特的表/界面特性。近年來，各類二維納米材料合成方法和表面改性策略的快速發展，在光催化性能提升和能源環境領域應用等方面發揮了重要作用。本專刊邀請了從事光催化研究的學者，分享了他們在二維光催化材料方面的最新研究成果。這些成果可為實現二維光催化材料的可控合成、構-效關系建立、光催化效率提升和反應機理揭示等方面提供理論基礎。本專刊共收錄論文12 篇，包括綜述4 篇、研究論文8 篇。

近年來，二維光催化材料的合成方法和改性研究方面得到了快速發展。呂康樂等1綜述了典型的二維光催化材料g-C3N4的制備研究進展，通過對比分析現有方法，討論了g-C3N4納米片制備所面臨的問題和挑戰，并展望了未來的發展方向。黃宇等2回顧了近年來利用缺陷工程策略，來實現對g-C3N4表面電子結構和能級結構的調整，以增強光捕獲、光生載流子分離-遷移和目標分子吸附/活化能力，并總結了二維g-C3N4在光催化凈化大氣方面的研究進展。董帆等3從光吸收、電荷分離和活性位點三個方面，綜述了二維光催化材料表面設計和電子結構調控策略的最新研究進展，并總結了電子結構調控對二維光催化材料凈化典型空氣污染物反應機理的影響機制。

在環境光催化應用方面，周瑩等4以二維BiOI為模型材料，通過復合BN 納米片，實現了BiOI富氧晶面的選擇性暴露。暴露的表面晶格氧原子可以直接參與到NO的氧化反應中，顯著增強BiOI的NO 氧化活性。王海強等5實現了非晶態TiO2層在NH2-UiO-66 MOF 表面的包裹，制備了核殼結構的NH2-UiO-66@TiO2催化劑。得益于增強的光吸收能力與異質結的建立，復合催化劑的可見光催化甲苯降解效率達到76.7% (3 h)。王海強等6通過一步水熱法，制備了稀土金屬La 摻雜的BiOI微球(二維BiOI 納米片組裝體)。通過調變La 摻雜量，實現了復合材料帶隙結構與氧空位的優化，其可見光催化NO 氧化性能與穩定性相比于純相BiOI 得到顯著提升。黃海保等7利用自制固定床連續流反應器，通過浸漬法成功制備了磷酸根修飾的Mn 摻雜介孔TiO2催化劑。得益于磷酸根修飾和Mn 摻雜的協同作用，復合材料在甲苯的真空紫外光解協同催化氧化工藝中，實現了臭氧的完全消除，并有效強化了甲苯的降解效率。展思輝等8采用溶劑熱法合成了一種新型NiO/g-C3N4光電類芬頓體系，應用于水體中環丙沙星的光催化降解。相比于傳統芬頓體系，新型光電類芬頓體系展現了更寬的pH 適應范圍和更好的結構穩定性。敖志敏等9采用密度泛函理論計算方法，構建了單原子Ti 和V 負載的單層MXene-Ti2CO2模型。通過研究H2S 分子在這類單原子催化劑表面的吸附和催化解離行為，證實了單原子Ti 和V 的負載可誘導Ti2CO2表面電荷的重新分配，從而改善H2S分子與Ti2CO2之間的相互作用，實現光催化活性的顯著提升。

在光催化CO2還原應用方面，曹少文等10通過簡單的水熱法，實現了FeNi 層狀雙氫氧化物助催化劑在g-C3N4納米片上的負載，獲得二維/二維FeNi-LDH/g-C3N4復合光催化材料。通過改變FeNi-LDH 的負載量，實現光催化CO2還原活性的調變。復合材料的甲醇最高產率達到 1.64 μmol·h?1·g?1，是純相g-C3N4的6 倍。此外，在光催化水分解方面，張高科等11以共軛聚合物(SCN)n為前驅體，實現了Ni2P/類石墨碳氮化物光催化劑的制備。復合材料的可見光產氫效率達到了623.77 μmol·h?1·g?1，顯著優于貴金屬Pt 基CN 樣品的產氫效率。另外，鐵基化合物具有半導體/金屬的特性和獨特的電子結構，其可作為出色的助催化劑，用于改善催化劑的電導率和對水的吸附性能，在協同增強光催化水分解方面展現了出色的潛力。基于此，王其召等12綜述了羥基氧化鐵、鐵基層狀雙氫氧化物以及鐵基鈣鈦礦等常見二維鐵基材料的結構、合成方法和光催化水分解應用方面的最新研究進展。

二維光催化材料近年來已成為環境與能源催化領域的明星材料，擁有廣闊的實際應用前景，存在很大的研究空間和機會。我們希望該專刊能為先進二維光催化劑的設計構建及應用提供指導，并為深入理解二維材料光催化反應過程與反應機理提供幫助。