湖南大学尹双凤教授课题组综述：光催化制氢研究进展

第一作者：潘金波

通讯作者：尹双凤

通讯单位：湖南大学化学化工学院，化学生物传感与计量学国家重点实验室，湖南大学先进催化教育部工程研究中心

注：此综述是光催化剂特刊邀请稿，客座编辑：尹双凤教授、区泽堂教授、李华明教授

引用信息

潘金波,申升,周威,唐杰,丁洪志,王进博,陈浪,区泽堂,尹双凤. 光催化制氢研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(3): 1905068.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201905068

Jinbo Pan, Sheng Shen, Wei Zhou, Jie Tang, Hongzhi Ding, Jinbo Wang, Lang Chen, Chak-Tong Au, Shuang-Feng Yin. Recent Progress in Photocatalytic Hydrogen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(3): 1905068.

doi: 10.3866/PKU.WHXB201905068

主要亮点

针对光催化分解水过程中半导体光催化剂普遍存在可见光吸收较弱、载流子易复合、表面反应迟缓等问题，本文从缺陷调控、元素掺杂、上转换效应、等离子共振效应（SPR）、异质结构建、助催化剂表面负载等解决策略方面，系统总结了近年来提高光催化效率方面的研究进展，并对上述策略的作用机理进行了深入探讨，同时对光催化水分解高效光催化剂的设计与制备进行了展望。

研究背景：意义、现状

氢气具有能量密度高、来源广泛、环境友好等优点，被认为是最具前景的能源材料。光催化水分解制氢作为一种具有前景的清洁氢能生产方式，受到了广泛关注。但是，目前光催化过程存在光催化剂对可见光吸收弱、载流子复合严重、表面反应缓慢等使得太阳能利用效率低，难以实现工业应用。研究者们针对光催化剂存在的上述不足，提出了多种策略来调节半导体光催化剂的物理化学性质，以期有效提高太阳能利用效率。本文聚焦于光催化制氢中优化光吸收、增强载流子分离、加速表面反应的策略，以及反应机理探讨，并对构建高效制氢光催化剂的趋势做出了展望。

核心内容

半导体光催化剂的活性首先受制于光吸收性能，与其带隙结构紧密相关。然而，目前报道的多数光催化剂具有较宽的带隙，导致可见光吸收性能较差。缺陷调控是改变半导体带隙的有效方法，如氧空位的产生能够明显增强半导体的可见光吸收性能。另外，等离子共振现象作为增强半导体光吸收的重要手段受到研究者的广泛关注。目前，金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铋（Bi）等金属纳米颗粒被证实具有等离子共振效应，能够显著增强半导体的可见光活性。除利用可见光之外，研究者发现具有上转换效应的纳米颗粒能够吸收红外光并将其转换成可见光或者紫外光，因此将上转换效应纳米颗粒负载到半导体光催化剂的表面，能够有效提高光吸收效率。

半导体光催化剂中光生载流子易于复合，严重抑制了其光催化制氢活性。金属掺杂（K、Na、Fe、W、Mo）和非金属掺杂（P、S、C、I、B、N）能够调控半导体光催化剂的电子结构，进而抑制光生载流子复合。另外，异质结的构建使不同材料界面形成内建电场同样能够有效促进载流子的分离。值得注意的是，通过构建不同类型异质结光催化剂（Ⅰ型、Ⅱ型、Z型和S型），可调控载流子的转移方向，增强光催化活性。

缓慢的表面反应成为光催化制氢的瓶颈步骤。助催化剂的负载被证实是增强半导体光催化剂表面反应的有效手段。相关研究表明，Pt、MoS₂、CoS₂ 和NiS 等作为助催化剂能够显著降低半导体光催化剂制氢的过电势，增强其活性。

结论与展望

本文对近年来光催化水分解制氢中半导体催化剂光吸收、载流子分离、表面反应的强化策略进行了总结。涉及了缺陷调控、表面等离子体共振、元素掺杂、上转换效应、异质结构建、助催化剂负载等方法，以及催化机理讨论。并从半导体光催化剂对水分子和氢气的吸/脱附过程的强化提高光催化水分解效率方面进行了展望。该综述有望为设计制备高活性、高稳定性的半导体光催化剂提供借鉴。

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作者介绍

 尹  双  凤  

1973年生，国家杰出青年基金获得者。现任湖南大学化学化工学院教授，博士生导师，湖南大学科学技术研究院院长。2003年于清华大学获得博士学位。主要从事光/电催化、小分子烃催化转化及新型催化材料研究。