【光催化固氮研究进展概述1600字】

光催化固氮研究进展概述当前，光催化固氮主要集中于高效光催化剂的开发以及如何提高光催化固氮性能。相关研究已经证实，通过对半导体催化剂晶面工程可以在一定程度上改变其电荷分离性能。截至目前，研究人员已经针对锐钛矿型TiO2光催化剂的晶面工程问题进行了大量的工作，并应用于提高光催化水分解或降解性能。[88–89]最近，研究发现，通过暴露BiOX（X=Cl,Br或I）的各向异性晶面可以实现光生电子和空穴的定向转移，从而有效实现空间电荷分离，进而达到改善其光催化性能的目的。[90]并且这一点在包括SrTiO3、LaNbON2和C3N4在内的半导体材料中也得到了证实。[91]同时，通过直接成像技术和分别在（010）和（110）晶面上的光还原或光氧化反应，研究人员证实，具有各向异性暴露面的BiVO4催化剂具备更好的空间电荷分离性能。[92]这些结果表明，光生电子（e-）和空穴（h+）将分别转移到（010）和（110）晶面。基于BiVO4的特殊性质，通过这种方式，可以显著提高其光催化分解析氧性能。[93]然而，截至目前，针对具有各向异性暴露面的BiVO4光催化剂的研究很少涉及光催化固氮这一领域。图1.24 （010）面主导型钒酸铋和（110）面主导型钒酸铋示意图。[94]一般认为，具有丰富局域电子的表面空位能够通过捕获和激活惰性N2分子而能够在光化学固氮过程中发挥关键性作用。除此之外，光生电子向惰性N2分子的有效转移也是高效光催化固氮的关键步骤之一。大量相关研究表明，表面氧空位可通过化学吸附N2分子，并能够充当光催化剂向活化N2分子传递光生电子的途径。例如，Pan及其同事发现，N≡N的键长可通过与MoO3-x纳米带或W18O49纳米线上的表面氧空位(OVS)相互作用而延长，并且用于光化学固氮的催化剂的活性与表面OVS的浓度之间存在直接相关性。[95]除此之外，包括TiO2、BiOCl、生物量子点、超细Cu2O和无定形CeOx在内的其他半导体材料也证实了催化剂表面OVS在光催化固氮中的重要作用。[96]不过，截至目前，这些研究依旧很少涉及BiVO4这一光催化剂。图1.25 （010）和（110）型钒酸铋产氧性能。[97]大部分的传统半导体是不能直接满足合成氨转化时所需的电位，因此大部分材料都要通过掺杂，制造表面缺陷，等离子诱导，小面积切割材料和制造异质结等方法来提高光催化性能。晶体缺陷对许多光催化反应有着重要的影响。而氧空位是应用最广泛的缺陷之一。含氧空位的光催化剂由于在捕获和活化N2方面的优越性，在N2光固氮中表现出了很好的活性。[98]2017年，Shiraishi课题组对于多种二氧化钛催化剂进行了研究和测试，并证明了氮气转化为氨气是利用材料的表面氧缺陷来实现光催化的反应。在他们的许多测试中，金红石相的JRC-TIO-6材料在利用2-PrOH作为牺牲剂时，表现出了最高的性能（持续测试了12h）。[99]进一步的研究表明，担载Pt或者Pd粒子的二氧化钛不会提高氨气的产量，因为它们覆盖了材料表面的氧缺陷，从而进一步证明了氧缺陷在材料光催化反应过程中的重要性。[100]此外，利用氧化铁掺杂的二氧化钛却取得了很好的结果。在紫外光的照射下，含0.2%氧化铁的二氧化钛的固氮性能超过了原始的样品。[101]2019年TingtingHou等报道了纳米多孔WO3的晶界在光照下诱导了大量的氧空位，从而显著提高了对N2光固氮的催化活性。[34]2019年潘锋课题组报道了一种利用W18O49纳米线在纯水中同时还原氧化生成NH4+和NO3-的光催化固氮策略。[102]2019年Ding等人证明BiOBr上的三原子缺陷团簇（Br，Bi，O）可以通过反应中三原子缺陷团簇（Br，Bi，O）能量发生转移时，产生单态氧。从而使得光催化固氮反应具有良好的转化率和选择性。[12]2019年JunDi等报道了缺陷丰富的Bi3O4Br光催化析氢和固氮活性分别比大块Bi3O4Br提高了4.9倍和30.9倍。[103]同年XiangGao等提出了一种新的策略，在CdS纳米棒上负载NiS共催化剂进行光催化固氮。[104]近年来，人们发现了BiVO4的催化活性。2011年YongshengFu等报道了与纯BiVO4催化剂相比，BiVO4石墨烯体系在可见光照射下对水中甲基橙（MO）、亚甲基蓝（MB）、罗丹明B（RhB）和活性黑BL-G的光催化降解活性明显提高。2014年RenguiLi