FIE 前沿综述：用于高效能量转换和环境治理的水凝胶光催化材料

更新时间：2024-11-04  作者: 应力检测

  光催化剂具备优秀能力的性能，且有同时解决能源需求和环境污染方面的挑战的潜力，因此引起了广泛的研究兴趣。 在实际应用中，光催化颗粒需要与它们各自的介质接触才能表现出高效的光催化性能。然而，纳米级的光催化材料后期很难从反应介质中分离出来，这将不可避免地导致二次污染和比较差的循环性能。

  三维网络结构的水凝胶光催化材料具备高比表面积、高吸附能力和良好的环境相容性等特点，是一种很有前途的光催化剂载体材料。本文根据水凝胶光催化材料的组成将其分为两类，并对近年来水凝胶光催化材料的制备办法来进行了总结。此外，本文综述了目前水凝胶光催化材料在能源转化和环境修复中的应用，并对水凝胶光催化材料所遇到的挑战和发展前途进行了简要阐述。

  环境治理和可持续能源是当前面临的紧迫问题，急需有效、可持续和绿色的解决方案。太阳能是一种丰富的、清洁的、可持续的能源，可以被用来解决这样一些问题。光催化技术有效地利用太阳能进行可持续的能源转换（如H2进化、CO2还原和固氮）和环境治理（如氮氧化物和挥发性有机物的转化、重金属离子的去除和有机污染物的降解）。因此，迫切地需要高效的光催化剂和可靠的方法来满足日渐增长的发展要求。1972年，藤岛-本田效应首次被报道，该效应是在紫外线。许多新型材料，如黑TiO2、ZnO2、g-C3N4、SrTiO3、BiVO4、ZnInS4及其复合材料已被应用于光催化水分解和环境修复。为了进一步提升光催化的效率，许多有效的策略也应运而生，比如使用掺杂、助催化剂、缺陷操作、结点、量子约束效应和Z型构型等。然而，鉴于对材料带隙、比表面积和电荷分离的要求，大多数光催化材料是以纳米大小的颗粒形式应用，导致其很难与反应介质分离。此外，这些难以分离的纳米材料，有可能对环境能够造成二次污染，而且回收性能差，循环性能差，这极大地阻碍了其在实际中的应用。因此，迫切地需要找到比较合适的基质来避免这一些限制。

  目前，已经有许多关于将纳米大小的光催化材料装入发泡金属、塑料、水凝胶，以及与聚合物或粘合剂混合形成薄膜的报道。水凝胶也被认为是潜在的光催化的三维支撑网络。水凝胶拥有非常良好的柔韧性、伸展性、离子传导性和环境兼容性，并且具有高的表面积和吸附能力。将光催化剂和水凝胶结合起来，或许可以更有效、更环保地进行能源转换和环境治理。水凝胶的物理和化学特性也能够最终靠调整交联点、改变基本组成、表面结构和其他界面修饰来增强光催化效果。水凝胶为光催化剂提供了一个合适的平台，用以实现高效的能源转换和环境调节。

  这篇综述总结了合成不一样的种类水凝胶光催化剂材料的不同方法。这些水凝胶光催化剂是通过把水凝胶加入各种光催化剂，如TiO2、C3N4、CdS、CuS、PMI和石墨烯混合复合物而开发出来的。此外，本文还详细讨论了水凝胶光催化剂在能源转换和环境处理方面的两个主要使用在，并且总结了水凝胶光催化剂在各种应用中的最新进展。希望本文可以为设计和制造先进的水凝胶光催化剂材料提供新的见解，以实现高效的光催化。

  尽管近年来在水凝胶光催化剂的成分和结构设计方面取得了一些成就，但这一领域仍处于早期发展阶段，在提高光催化效率和稳定能力以满足实际应用需求方面仍有许多挑战。为了应对这些挑战，需要在以下几个方面做出努力。

  1) 目前对水凝胶光催化剂的研究集中在光催化剂和凝胶网络的随机共混上，这可能会限制光催化活性部位的暴露。颗粒状的干凝胶有几率会使操作复杂化，并因光催化剂泄漏而导致分离困难和二次污染，而且回收性差。

  2）目前的研究大多分布在在光催化剂的设计和修改上，对水凝胶成分的内在特性的研究较少。调节凝胶的网络结构和膨胀性能以及凝胶的吸附性能也会协同促进光催化剂的性能，要进一步研究。

  为了进一步改善水凝胶光催化材料的催化性能，水凝胶单体和光催化剂的界面修饰以及凝胶网络的调控可能会是一种有效的策略，能轻松实现光催化凝胶的高效可持续循环，从而克服现有水凝胶光催化剂的缺点。

  由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。