Nano-Micro Lett.：二维纳米材料在光催化和电催化上的异同：策略、机遇、应用和挑战

【引言】

开发新型的可再生能源是解决日益严峻的环境问题和能源危机的关键。因此，催化在开发可持续能源和保护环境方面受到了广泛关注。光催化是半导体光催化剂利用光生分离的电子-空穴对加速氧化还原反应；电催化是一种特殊的催化形式，可以加速电极和电解质界面之间和反应物和电极之间的电荷转移。光催化和电催化都可以用于水分解和污染处理。为了提高光催化和电催化性能，具有良好导电性和大表面积的二维纳米材料受到了广泛的关注。与传统的三维（3D）块状纳米材料相比，具有非凡的稳定性和活性的原子级薄的二维（2D）纳米材料成为贵金属（如铂和铑）的替代品。因此，多种原子级薄二维纳米材料的合成和催化应用取得了快速发展。但是对合理设计高效二维纳米材料催化剂和构建工业规模应用的研究仍然不够全面。因此，需要对最新的研究成果进行全面的概述并提出新见解，明确其反应过程，促进其工业应用。

【成果简介】

近日，中国中央民族大学的李传波教授、宁波工程学院的杨为佑研究员以及中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所的杨亚研究员（共同通讯作者）等人全面概述了二维纳米材料中光催化和电催化的异同的最新研究成果。分析了提高二维纳米催化剂性能的策略和机遇，指出了光催化和电催化的系列问题。讨论了二维纳米催化剂的特征及其催化应用。最后，指明了二维纳米催化剂的机遇、挑战和发展方向。相关成果以“Differences and Similarities of Photocatalysis and Electrocatalysis in Two-Dimensional Nanomaterials: Strategies, Traps, Applications and Challenges”发表在Nano-Micro Letters上。

【图文导读】

图 1 二维纳米催化剂的反应位点数量、表面/界面特征、电子状态和能带结构策略示意图

图 2 提高催化活性的策略

（a）g-C₃N₄@TiO₂的核壳结构促进了载流子分离；

（b）K掺杂的g-C₃N₄纳米材料增强的可见光吸收、有效的载流子分离和强氧化能力；

（c）Ni-Fe LDH纳米笼具有可调节的外壳、最佳的化学成分以及较大的电活性表面积。

图 3 二维纳米材料中不同催化系统的特点

图 4 二维纳米材料的结构示意图

（a）石墨烯和石墨氮化碳；

（b）单元素化合物；

（c-e）TMD、COF和MXene；

（f-g）LDH、BiOX、h-BN和MOF。

图 5 基于自顶向下和自底向上方法的二维纳米材料的合成策略

图 6 二维纳米材料的催化降解应用

（a）在紫外光下，直接半导体单晶BiOCl纳米片光降解污染物结果；

（b，c）在紫外光下，BiOCl和BiOCl-OH的光催化染料降解图。

图 7 层状异质结构黑磷/石墨氮化碳（BP/CN）纳米材料的高效光催化分析

图 8 高质量、大横向尺寸和低异常结构缺陷的BP/gC₃N₄纳米片的光催化产H₂性能

图 9 层状双氢氧化物（LDH）纳米片的电催化析氧反应（OER）

图 10 CoCo-LDH-2D纳米网络的电催化OER反应

图 11 二维纳米材料的高效光催化CO₂转化

（a，b）超薄2D Zn-MOF纳米片将CO₂光还原为CO；

（c-e）2D ZnO纳米材料选择性光还原CO₂。

图 12 二维BiOCl纳米片的光子消融肿瘤作用

【结论和展望】

本文总结了二维纳米材料在光催化和电催化方面研究的最新成果。概述改善催化性能的新兴策略，包括：增强光吸收能力、增加反应位点、加速载流子分离和电荷迁移以及改善表面反应。与传统的块状纳米催化剂相比，二维层状纳米材料在光催化和电催化领域表现出特定的优势，如：暴露于更多的活性位点，更有利于反应物扩散和更大的比表面积。此外，通过改变层厚度、表面改性和外部刺激来优化这些材料，可以提高材料的稳定性、电气和机械性能。二维纳米催化剂的研究进展和未来方向旨在解决一系列问题和挑战，总结如下：

（1）二维纳米材料的可控制备是催化实际应用的关键。化学气相沉积和液相法是制备二维层状纳米材料的方法。最近，开发出的原位表征设备能够检测材料合成过程中的热力学和动力学反应，有助于分析二维纳米材料的生长机制。除了在受控微环境中制备二维纳米催化剂方面外，限制合成的也是一种重要的生长方法，其能够在分子水平上精确控制二维纳米材料的合成。

（2）催化活性与二维纳米催化剂的结构和表面特性密切相关。二维纳米材料的结构和表面特性与其尺寸（层间距、厚度和横向尺寸）、暴露的表面原子密度、表面杂质的存在、附加官能团和表面能态有关。

（3）复合结构的二维纳米材料因其具有不同程度各向异性的两种或多种化合物，为设计多功能特性的二维纳米复合材料提供了可能性。因此，二维纳米材料的未来方向可能涉及制备夹心结构、密闭空间结构和强电子相互作用。此外，耦合多个系统也为多种机制协同运作提供了新的机会。例如，压电半导体同时具有压电效应和光伏效应。通过结合这两种效应，可以通过耦合压电效应和光伏效应的内部电场来增强光催化活性。

（4）结合实验结果和理论分析建立合适的模型，有助于理解二维纳米材料的催化机制。目前对二维纳米材料的催化研究，侧重于催化活性的增强，而不是催化机制的特征。2D纳米材料和3D块状材料的维数控制能带隙位置的机制和影响仍不清楚。迄今为止，二维纳米材料的理论催化机理仍不能轻易应用于实际复杂的反应体系，因此关于催化机理的理论仍值得研究。

（5）催化剂实际应用状态也是应用的关键所在。当二维纳米材料以松散粉末的形式使用时，容易会结块，限制其应用。将二维纳米材料固定到基材上能够提高其易用性。例如，二维纳米材料可以外延生长在其他材料的表面，组装成泡沫，或者负载在碳纤维纸或镍泡沫上以增强催化活性。

文献链接Differences and Similarities of Photocatalysis and Electrocatalysis in Two-Dimensional Nanomaterials: Strategies, Traps, Applications and Challenges（Nano-Micro Letters DOI: 10.1007/s40820-021-00681-9）。

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