光熱催化材料的結構設計、合成及其應用研究

蔡文宇，劉成寶,3，陳 豐,3，錢君超,3，邱永斌，孟憲榮，陳志剛,3

(1. 蘇州科技大學 江蘇省環境功能材料重點實驗室, 江蘇 蘇州 215009;2. 蘇州科技大學 材料科學與工程學院, 江蘇 蘇州 215009;3. 蘇州科技大學，江蘇水處理技術與材料協同創新中心，江蘇 蘇州 215009;4. 江蘇省陶瓷研究所有限公司，江蘇 宜興 214221; 5. 蘇州市環境科學研究所, 江蘇 蘇州 215007)

0 引 言

太陽能是可以大規模和長期使用以解決當前能源存在的高污染、低儲量和低能效等缺點的候選能源之一，是解決我國提出的“碳中和和碳達峰”戰略的重要依賴能源。目前太陽能的使用方法包括太陽能光伏發電[1-2]，太陽熱能發電[3-4]，以及與本文相關的光催化(PC)制氫、熱催化(TC)還原CO2和光熱協同催化(PTC)等技術，其中光熱催化技術由于具有綠色高效、易于構建和便于實現太陽能的全光譜利用等優點成為近年的研究熱點。

PTC是在光催化的基礎上發展起來的，從最初的光催化TiO2分解水制氫，到現在的各種單相或多相復合材料的構建應用，已有了相當多的工作積累，為PTC材料的批量應用乃至產業化起到了重要推動作用。但如何組裝光熱協同催化材料，重點關注其光熱協調機理和效能，實現界面組裝的便捷、低成本、穩定和高效利用是推進PTC研究的關鍵所在。目前，光熱催化材料的構建主要包含金屬納米粒子，如Au、Ag、Pd等；異質結的構建，如TiO2/g-C3N4、Ag/Bi2S3/MoS2等；表面的摻雜和負載，如Pt/TiO2-WO3等；半導體材料的復合，如GO/MnOx、CuS/TiO2等。從反應進程上來看，PTC可分為加熱模式和光熱協同模式[5-8]。光熱化學材料將吸收的光能轉化為熱能，對提高PTC的性能起著重要作用。這一領域開發的材料有很多，主要包括金屬、半導體等。目前，PTC在太陽能燃料生產[9-11]，污染物降解[12-14]和有機合成等方面得到了廣泛的利用。本文將著重分析不同情況的光熱協同模式及相關材料，以期為之后的相關研究提供參考。

1 光熱協同催化的原理及研究背景

催化是化學的一個重要組成部分，對化學產品的高效生產具有重大影響。事實上，大約95%的化學產品是通過催化途徑生產的。與此同時，這些過程大部分所需要的能量由不可再生資源提供。

在過去的幾十年里，隨著非均相半導體光催化的發現，利用光作為能源催化化學轉化的可能性已經成為現實。半導體中，在吸收能量等于或高于帶隙的光子時，會產生電子-空穴對。其中產生的光生載流子會遷移到半導體表面，并轉移到被吸附的分子，從而開始氧化或還原過程。自1972年Fujishima和Honda的開創性論文發表以來，光催化領域取得了巨大的進展。盡管如此，大多數光催化過程的效率仍然不高，這主要是由于傳統寬帶隙半導體電荷載流子的快速復合和對太陽光的利用率不高等原因。繼光激發的電荷分離之后，等離子體介導的過程引起了人們極大的興趣。局域表面等離子體共振(LSPR)所產生的熱載流子比直接光激發產生的熱載流子具有更高的能量。此外，這些高能載流子可以在內部自由移動，并通過對周圍局部環境加熱消散其能量，對材料造成熱效應。這種光熱效應已被廣泛應用于癌癥治療、污染物降解、海水淡化、水蒸汽等諸多領域。因此，類似的概念被應用于加速化學反應只是一個時間問題。事實上，光熱催化結合了陽光的光化學和熱化學貢獻，已經成為一個引人注目的新研究領域。光熱催化可以更有效地利用太陽能，包括不足以直接促進光催化反應的低能可見光和紅外光子。此外，由于催化活性位點溫度的升高，光熱催化在溫和的條件下也能產生很高效的化學反應。因此，光熱協同催化(PTC)反應的驅動力不僅是光還有熱，其中光直接驅動PC，而熱量直接驅動TC。在這種情況下，催化劑需要同時具有PC和TC活性。這樣，它不僅能表現出光催化活性和熱催化活性，而且比兩種單一活性的總和更好[15]。

1.1 光熱效應

在使用紅外光的光熱效應來代替外部加熱，以增強Pt/TiO2的催化產氫效率實驗中，材料的光熱協同作用非常明顯[16]。結果表明，在不同的波長下，UV-Vis-IR全光譜照射下氫氣產生速率高于UV-Vis光照射下的產氫值。但是，在紅外光照射下不會產生氫氣，這表明紅外光不能激發Pt/TiO2。此外，不同波長下溶液的溫度隨著照射時間的增加而升高，并且在20分鐘后變得穩定，這很好地證明了紅外光的熱效應。在紫外-可見-紅外光照射下，短波長紫外光激發TiO2產生氫氣，長波長紅外光誘發熱效應可以加快氫氣的產生。上述協同光熱效應顯著展現了對全光譜的完美利用。圖1顯示了在UV-Vis-IR全光譜輻射下CH3OH-H2O溶液的催化制氫機理。紫外線激發TiO2產生電子，電子被轉移到表面的Pt納米顆粒上，Vis-IR光則提供熱量以增強CH3OH的氧化作用。研究表明，紅外光足以代替外部加熱，從而促進了太陽能催化制氫的過程。因此，光熱效應在太陽能催化制氫的反應中起著重要作用。

圖1 UV-Vis-IR全光譜輻射在CH3OH-H2O溶液中Pt/TiO2的太陽催化制氫機理[16]

2D/2D的GO/MnOx復合材料也表現出優異性能(圖2)[17]。首先GO聚合物具有出色的光熱效應，可以將陽光有效地轉化為熱能。此外，GO/MnOx的緊密混合結構有利于熱能的傳遞。結果表明，GO/MnOx復合材料的溫度在太陽光照射下迅速升高，MnOx熱催化氧化氣態的HCHO。與單一MnOx和GO/MnOx的機械混合物相比，這種水熱合成的樣品對HCHO的氧化表現出更高的效率。而且，該GO/MnOx催化劑的良好穩定性使其可重復使用并且活性沒有下降。這不僅證明2D/2D結構的GO/MnOx在室溫下可以氧化、降解有機污染物，而且還能利用太陽能實現VOC的去除。

圖2 G-Mn催化劑氧化去除氣態HCHO的可能機理[17]

2 光熱催化材料結構設計、合成

光熱催化材料的設計是為了獲得優異的催化性能，應滿足的要點有：具備在整個太陽光譜都有較強的吸收能力、具有高效的光熱轉化速率以及優異的催化活性和穩定性。此外，催化過程中活性位點的數量以及所需的載體也是結構設計中兩個重要因素。不同于傳統的單相半導體材料，材料的摻雜、負載等方法在合成中顯得尤為重要，常用的合成方法有水熱法、溶劑熱法、煅燒法以及共沉淀法等。

2.1 異質結的構建

在復合材料中，兩相間往往會形成異質結，這在光熱催化材料中也比較常見。例如，Ag/Ag3PO4/CeO2三相Z型異質結材料的制備。首先，通過簡單的沉淀法制備出CeO2球體，然后將Ag3PO4覆蓋在球體上，最后烘干析出Ag/Ag3PO4/CeO2復合材料。Ag/Ag3PO4/CeO2異質結特別有效地分離空間中的光激發電子和空穴，并保持高氧化還原電位來凈化VOC。同時，該復合物種類繁多，對HCHO也具有良好的氧化能力，有望成為一種在大氣環境中凈化VOCs的有前景的材料。

圖3 三元異質結光催化劑Ag/Bi2S3/MoS2中的電子傳遞路徑和光催化機理的示意圖[19]

Jiang等通過水熱和光還原技術制備了Ag/Bi2S3/MoS2三元異質結光催化劑[19]。首先，通過一步水熱法制備了氧摻雜的花狀MoS2納米球，然后通過水熱法制備了復合催化劑Bi2S3/MoS2，最后通過化學光沉積方法獲得了三元異質結光催化劑Ag/Bi2S3/MoS2。Ag納米粒子和有缺陷的MoS2的引入以及異質結的形成不僅可以誘導局部表面等離子體共振，而且還能促進電荷分離，從而可以將光響應擴展到可見光和近紅外區域，同時明顯增強光熱催化性能(圖3)。三元異質結復合材料光催化結果顯示，可見光下2,4-二氯苯酚的光催化降解率為99.2%。此外，光催化制氫速率達到526.3 μmol/(h·g)，是原始MoS2和Bi2S3的數倍。另外，三元異質結復合催化材料顯示出高穩定性，這對于在環境和能源領域中的實際應用是有利的。

2.2 摻雜、負載等表面修飾

摻雜在各類材料的改性中也比較常見，如錳摻雜鈣鈦礦型材料催化氧化甲苯的反應[20]。Mn離子的引入提高了光吸收和光熱轉換的能力，極大地提高了LaTi1-xMnxO3+δ的催化活性，從而為苯的氧化反應提供了足夠的熱能。其中，太陽光的作用不僅是作為熱源，并且還具有明顯的光活化作用，從而在反應過程中產生更多的活性氧。因此，LaTi1-xMnxO3+δ上的光熱催化效率比摻雜前有了明顯提升(圖4)。

圖4 錳摻雜鈣鈦礦型催化劑在光輻射下的光熱催化氧化甲苯示意圖[20]

Zhang等通過在WO3納米片的表面上組裝具有不同端基的胺基和羧酸基的碳點，制備了新穎的Z型WO3納米片-碳點(CD)復合材料[21]。他們是通過溶劑熱法成功制備了WO3-NCDs復合材料和WO3-CCDs復合材料。催化性能的顯著提高是由于NCD和WO3之間有效的Z方案電荷轉移以及光熱協同催化作用加速了環己烷鏈的氧化(圖5)。

圖5 太陽光照射下光熱協同催化環己烷氧化的可能示意圖[21]

此外，太陽光的吸收可以改善熱催化反應的效率，即光輔助效應。如Ru/TiO(2-x)Nx材料光熱催化CO2甲烷化的反應中，光熱催化效果非常明顯[17]。TiO(2-x)Nx本身容易吸附CO2并將其活化成CO物種(作為CO2甲烷化反應的中間體)，可見光則通過在TiO(2-x)Nx上形成的氧空位來促進該反應。可見光誘導TiO(2-x)Nx產生的電子可以轉移到Ru納米粒子上，導致Ru的表面電子密度增加，進而促進CO2的吸附和活化。結果顯示，Ru/TiO(2-x)Nx在可見光照射或不照射下均表現出比Ru/TiO2更好的CO2甲烷化催化活性，并且可見光對反應的促進作用非常明顯。

2.3 半導體材料的復合

g-C3N4本身是一種很好的光催化材料，g-C3N4的芳族C-N雜環使其具有出色的熱穩定性，可以在高達600 ℃的環境下保持穩定。然而純g-C3N4的光催化反應的量子效率在420～460 nm處僅為0.1%，無法滿足實際使用需求，這歸因于其可見光范圍內的光吸收率不高、比表面積低、導電性差以及電荷載流子的快速復合率等缺陷。Li等用AuCu合金NPs改性的超薄多孔g-C3N4納米片用于光熱催化[22]。首先用沉淀法制得AuCu NPs，然后水熱法得到復合材料。Au的表面的正電荷改善了CO2分子的吸附，并且合金中從Au向Cu的電荷轉移使Cu富集了過多的負電荷，從而促進了在Cu表面形成中間體CO2-和*CO。金屬與g-C3N4之間的強相互作用加速了光生電荷的遷移。溫度的升高能夠增強分子的熱運動，從而提高光催化和熱催化的協同作用。

如Wang等通過簡便的煅燒法制備了ZnO-MnO2復合材料，提高了ZnO和α-MnO2的太陽能利用率和光降解效率。α-MnO2具有良好的光熱轉換能力，在模擬太陽光照射下，α-MnO2的振動能級比ZnO低，這有利于吸收能量。吸收的能量能夠提高復合材料的溫度，并且電子的傳輸速率在較高溫度下加速，所以電子-空穴的復合率也降低了[23]。由于這個優點，兩相復合材料提高了電荷載流子的分離效率，因此Zn-Mn復合材料具有更好的光催化活性。在微波輔助光催化照射下，α-MnO2不僅能吸收光能，還能吸收微波，從而提高復合材料的溫度，使電子-空穴的遷移速度更快?；谝陨显?，Zn-Mn復合材料比單相催化材料具有更優異的光熱催化活性[24]。

此外，作為20世紀發現的TiO2光催化材料，也是人們之前研究最多的光催化材料之一，已經進行了各種各樣的材料改性來提高在實際應用中的性能。窄帶隙半導體材料CuS在紅外區具有很強的吸收能力，是一種很好的光熱轉換材料。Wang等將CuS和堿性光催化劑TiO2復合以獲得CuS/TiO2復合材料。首先制得TiO2納米片，然后添加各種數量比的CuCl2·2H2O和過量的硫脲(分別用作Cu和S的前體)制得不同配比的CuS/TiO2復合材料。CuS可以吸收大量的紅外光并將其轉化為熱量，從而提高了紅外光的利用效率。結果表明，當CuS含量為2%時，可以獲得最佳的太陽光熱協同催化CO2轉化活性(圖6)[25]。

圖6 TiO2，CuS和2%CuS/TiO2復合材料的UV-Vis-NIR DRS[25]

Li等采用溶劑熱法并煅燒制得了不含貴金屬的CeO2/LaMnO3復合物[26]。這種光熱催化活性的增強主要歸因于超寬帶光吸收、高效的光熱轉換、良好的低溫還原性和高晶格氧遷移率等。在燈光的照射下，純LaMnO3和CeO2/LaMnO3復合材料的溫度從室溫迅速升高至198，219，255和275 ℃左右，圖7(b)中顯示的催化劑的平衡溫度直接證明了其有效的光熱轉化，并能加速附近的化學反應。此外，強度更高的光會導致更高的反應溫度，這對于吸熱反應極為有利。

嚴等采用溶膠-凝膠檸檬酸絡合法，以ATP為載體，硝酸鈰銨、硝酸鑭、硝酸鎳等為主要原料，制備了La1-xCexNiO3/ATP納米復合材料[27]。La1-xCexNiO3/ATP的光熱耦合催化有利于光生電子與空穴的分離，提高光熱催化性能。

3 光熱催化材料的應用

上述綜述清楚地表明，金屬氧化物、半導體和多相復合材料在不同的機理下具有各自的優勢。根據研究現狀，PTC在各種反應中顯示出了良好設計的納米結構材料作為光熱催化劑的潛力。下文將重點介紹光熱催化應用的最新進展，包括太陽能燃料生產、污染物降解以及新型光熱醫療等領域。此外，通過不同的反應機制可以發現，不同相之間的催化協同機理與催化劑和實驗條件密切相關。

3.1 能源領域

3.1.1 H2的制備

H2是清潔能源的高密度能源載體之一，作為化石燃料的有前途的替代品具有巨大的潛力，因此開發高效的制氫系統已成為當務之急。使用太陽光進行的水分解被認為是制備H2最清潔的化學途徑，主要通過PC、光伏驅動的電解和光電解等不同途徑進行[28-30]。其中，PC被認為是最簡便的途徑之一，它能直接將H2O轉化為H2[31-36]。然而，它具有太陽能吸收量少、轉化效率低和反應速度慢等缺點。近來，已經證明了有效熱量的輸入能夠克服上述阻礙，并提高光催化性能。

圖7 (a)各種強度(156，194，240和280 mW/cm2)的IR輻射下CeO2，LaMnO3和CeO2/LaMnO3材料的溫度曲線，(b)相應的平衡溫度和(c)CeO2/LaMnO3復合材料在280 mW/cm2的IR輻射下的光熱轉換效率[26]

在制備氫能源的時候利用光熱協同效應，可以大大加強對太陽光全光譜的完美利用。在Liu等制備的Pt/TiO2光催化制氫實驗中[16]，可以發現在UV-Vis照射下催化水-甲醇溶液的H2產量為13.0 mmol/g。然而，經過80 min的UV-Vis-IR全光譜照射，光熱催化制氫產量達到27.4 mmol/g，是前者的兩倍以上。圖8(b)顯示了具有最佳催化劑用量的光熱催化產氫速率，圖8(c)顯示了相應的光氫(LTH)轉化效率。可以看出，在UV-Vis-IR照射下，最高速率為812 μmol/h，LTH為0.36%。為了進一步說明紅外光在Pt/TiO2系統中的作用，測試了不同波長下溶液的溫度。結果顯示，溶液的溫度隨著照射時間的增加而升高，并且在20分鐘后變得穩定。1 h后，UV-Vis，UV-Vis-IR和IR的溫度分別為38.2，54.0和49.8 ℃，這很好地證明了紅外光的熱效應。在紫外-可見-紅外輻射下，短波長紫外光激發TiO2產生氫，長波長紅外光誘導熱效應以提高氫氣的產量。

3.1.2 CO2的還原

將CO2轉化為增值化學品和燃料具有重大的工業和環境利益。通過太陽能將溫室氣體中的二氧化碳轉化為有用的燃料(例如CH4，CH3OH，CO等)是可持續生產太陽能的最吸引人的策略之一[37-41]。如今，主要通過PC或金屬氧化物的兩步熱化學氧化還原循環(例如Zn/ZnO，Ce2O3/CeO2，FeO/Fe3O4和SnO/SnO2)來實現CO2還原[42]，但目前這兩種方法都面臨著低轉化率和很高的工作溫度(≈2 000 ℃)等缺點。另一方面，CO2的光熱轉化是在溫和條件下高效轉化CO2的直接有效途徑。

二氧化碳通過催化加氫可以轉化為CO，CH4和CH3OH等有用物質，這通常是下游生產燃料和化學商品的重要基礎?？梢酝ㄟ^以下三種反應進行：

CO2+H2CO+H2O ΔH=+41 kJ/mol

(1)

CO2+4H2CH4+2H2O ΔH=-165 kJ/mol

(2)

CO2+3H2CH3OH+H2O ΔH=-49 kJ/mol

(3)

Zhao等的研究中指出，在光熱條件下(加熱套保持250 ℃)，12 h后m-WO3-x上的CH4釋放量為25.77 μmol/g，高于熱條件下的21.42 μmol/g和VIS光照射下的0.15 μmol/g)，因此PC和TC的結合產生了獨特的光熱協同催化作用。此外，DOM-LSCF的CH4轉化速率約為350 ℃+可見光>350 ℃>250 ℃>150 ℃，并且在光熱條件下的最佳性能比僅在熱條件下要高5倍。研究表明，光熱工藝可以很好地將PC和TC的優點結合起來，在一個反應系統中相互促進和支持，并提供高催化效率和反應速度。

圖8 (a)在超過30 mg Pt/TiO2的不同光(UV-Vis，UV-Vis-IR和IR)下產生的氫氣(b)在50 mg Pt/TiO2上不同的光(UV-Vis，UV-Vis-IR和IR)下，H2的產生速率和(c)光氫的轉化效率[16]

另外，即使在相同的催化系統中，光熱協同模式也會在不同的反應條件下發生變化。例如，Ru/SiNW的CH4析出速率在黑暗中被150 ℃和λ>1 100 nm的輻射下進行的催化實驗，可將其視為光驅動的熱催化反應。當Ru/SiNW被850 nm<λ<1 100 nm或615 nm<λ<1 100 nm的光照射時，由于光效應的增強作用，反應速率可提高至暗時的2到5倍(圖9)[43]。

3.2 污染物的治理

3.2.1 NOx的降解

半導體氧化物光催化(PC)是消除環境空氣中NOx(NO+NO2)物質的一種很有前景的方法[44-54]。這些應用需要通過光氧化去除NO，同時抑制NO2的產生[55-58]。為了實現高的非NO2選擇性，主要的活性氧物種應為超氧自由基(O2-·)，而不是羥基自由基(OH·)。然而，當光催化劑暴露在高相對濕度(RH)條件下時，其表面大部分被吸附水覆蓋。由于NO的氧化是由羥基自由基控制的，因此會形成更具毒性的NO2物種[59]。因此，在高RH水平下通過具有高非NO2選擇性的氧化物光催化劑去除NOx仍然是一個挑戰。

圖9 在黑暗和在太陽模擬輻射下甲烷化率隨溫度變化的曲線圖。對于在淺色和深色中進行的一系列分批反應，顯示了最佳擬合線。插圖在ln(k)與1 000/T的關系曲線上顯示了這些甲烷化率，用于計算在明暗條件下Ru/SiNW催化劑上的活化能。注意，將甲烷化速率標準化為Ru催化劑的質量[43]

最近的研究表明，光熱催化(PTC)有助于激活半導體氧化物光催化劑的晶格氧原子，從而增強氧化能力。當使用光熱催化劑進行NO氧化時，還是會出現矛盾的情況。在反應速率方面，反應溫度升高導致NO氧化速率降低，因此較高的反應溫度會阻礙NO氧化。然而，就反應選擇性而言，加熱會導致水從催化劑表面解吸并導致超氧自由基數量增加，因此較高的溫度有利于實現較高的非NO2選擇性?；谶@些前提，需要平衡反應速率和選擇性帶來的影響。

近年來，由于廣泛報道的TiO2(B)活性低于銳鈦礦[60,61]，因此引起了一部分人的關注。還應該指出的是，活性較低的TiO2(B)通常表現出其低表面積和較差的結晶度[62]。此外，據報道TiO2(B)具有獨特的層狀結構。在熱輔助光催化氧化中起關鍵作用的晶格氧物種的熱擴散率預計高于其他TiO2相，比如銳鈦礦和金紅石。Ma等研究了TiO2(B)作為模型光熱催化劑在高RH水平下實現高非NO2選擇性的潛在應用[63]。結果顯示，在80% RH和60 ℃下，TiO2(B)微球的非NO2選擇性高達96.18%，該選擇性遠高于相同條件下P25獲得的58.33%數值。該結果表明TiO2(B)是一種很有前途的光熱催化劑，用于在炎熱和潮濕的條件下去除NOx。

3.2.2 VOCs的降解

揮發性有機化合物[64]，包括苯，甲苯[65,66]和丙酮等，是主要的空氣污染物，對人體健康和環境均有害。PTC去除VOCs時一種引人注目的方法，因為它可以利用太陽光的UV，VIS和NIR光譜來有效地降低VOCs含量并提高反應速度。

Borjigin等[67]成功地組裝了異質結構Ag/Ag3PO4/CeO2。它對C6H6和HCHO的去污表現出顯著增強的光熱催化效率和持久穩定性。氣態C6H6在太陽光照射3 h后，AC15(Ag3PO4質量分數為15%)的去除率為90.18%，CO2產生率為46.72%，氣態HCHO的去除率分別為86.01%和65.83%。機理研究證實，Ag0-Ag+介導的Z型Ag3PO4/CeO2異質結可有效促進光生電子的分離和傳輸(圖10)。此外，原位生成的超細Ag0由于具有SPR效應而有助于出色的太陽光吸收，并且由于其較少的脫落和聚集而具有出色的可重復使用性。由于CeO2在較低的溫度下具有良好的導熱性，因此可以用作光輻射引起的熱降解。它也表現出對氣態C6H6的出色的預吸附能力，這是由于表面缺陷引起的。因此，在目前的Ag/Ag3PO4/CeO2異質結中，高的太陽光利用率、強的預吸附和快速的載流子轉移等都有助于提高VOCs的去除效率。這項工作為高效光熱催化劑的設計提供了新穎的見解，該光熱催化劑可用于實際環境中在太陽光的照射下去除VOCs。

圖10 在PTO過程中，CeO2和Ag3PO4與Ag+-Ag0對之間的協同效應示意圖[67]

3.3 新型光熱醫療領域

納米合成化學的革命性進展推動了二維納米材料的興起，并引起了越來越多的研究興趣。出色的化學，機械，光學和生物特性為二維納米材料的制備提供了前所未有的機會，尤其是在納米醫學方面。例如，通常較大的表面積使氧化石墨烯和黑磷納米片具有較高的載藥量，可用于增強化學療法。具有強大的近紅外吸收特性的過渡金屬硫化物(TMDs)和MXenes，因其高的光熱轉化效率，可用于光熱介導的腫瘤根除。Tang等用于蛋白質定向合成2D MnO2納米片(M-NSs)，所得的M-NS表現出優異的酶樣活性來催化葡萄糖的氧化，這代表了急性葡萄糖氧化酶的另一種范式，它使癌細胞餓死并使它們對熱消融敏感。經過精心設計的M-NS具有出色的光熱療性能，可以實現有效的光聲成像引導協同饑餓增強光熱療法。這項研究有望建立一種基于小型和超薄M-NS的新型酶促光熱學范例，這將拓寬2D納米材料的應用范圍。

此外，Chang等將貴金屬Au沉積到NdVO4上以形成金屬/半導體雜化納米結構，以改善Vis/NIR光吸收。NdVO4/Au可以通過內吞作用有效地內在化，對HeLa細胞產生明顯的光毒性。進一步表明，NdVO4/Au可以作為高效NIR光觸發的抗癌劑，具有出色的腫瘤抑制作用。此外，基于出色的光熱轉換性能和近紅外照射下的熱膨脹效果，NdVO4/Au提供了光熱(PT)和光聲(PA)雙模態成像平臺，用于精確的癌癥診斷和治療(圖11)[68]。

圖11 癌細胞中M-NS介導的協同機制增強的PTT的示意圖[68]

4 結 語

近年來，由于成功地將PC和TC耦合在一起以實現更高的太陽能利用效率，PTC引起了越來越多的關注。目前，光熱協同催化材料已被廣泛應用于太陽能發電(減少二氧化碳，制氫)，污染物降解(VOC以及染料降解)和有機合成等領域，助推了相關領域的高速發展，也為技術創新帶來了新的機遇。然而尚存在一些不足和挑戰：

(1)PC和TC之間的協同效應研究尚不夠深入細致，因此必須很好地區分潛在的協同機制，這對于PC和TC之間協同效應的優化以最大化利用太陽能至關重要。

(2)PTC對太陽能的利用效率仍然不足。除了光熱化學材料的全光譜吸收能力弱之外，還應考慮其他轉換以及與太陽能的光熱效應有關的途徑。如何對太陽光各個波長的能量都充分利用一直是研究以來的重中之重，所以要讓不同性能的材料實現優勢互補是非常重要的。

(3)反應堆的專門設計將是PTC未來發展到實際應用的關鍵推手之一。 在設計中應該綜合考慮化學，光學，機械，熱和熱力學方面，以期實現自然陽光的高效使用，保證低成本反應器的長時間高效運行。

(4)二維納米材料因其較大的表面積，高的載藥量和出色的光熱轉化而備受生物醫學領域的廣泛關注。其中靶向藥物治療是一種新興醫療手段，在實驗中也得到了不錯的效果，但要想大規模使用就需要極高的生物安全性，還有相當多的工作要推進。