【综述】《德国应用化学》：从表面分子层面认识氧空位的光催化作用机制

华中师范大学张礼知教授研究团队结合氧空位依赖的光催化表面化学的研究现状及其团队在该领域的最新研究进展，在Angewandte Chemie International Edition上撰写了综述。

Mon Oct 30 09:46:13 CST 2017 X一MOL资讯

‍‍‍‍

半导体光催化技术是清洁太阳能利用的有效手段，其催化效率由半导体的光吸收能力和载流子分离能力共同决定。然而，现代材料表征技术与理论计算模拟的协同发展使人们逐渐认识到对于实际的光催化剂，表面少量的缺陷相比于其体相结构和化学组成具有更重要的作用。微量的缺陷极大地影响了材料的物理性质，如导电性、载流子扩散、热动力学和光学吸收。近年来大量的基础研究工作表明，光催化反应的速率和选择性可以被表面缺陷如氧空位有效地调节。氧空位是最常见并且研究最多的一种阴离子缺陷，具有较低的形成能。在催化反应过程中，氧空位可以提供悬挂键用于反应底物的吸附；由于具有局域富电子的特性，氧空位还可以对吸附底物的惰性化学键进行活化，调控其电子结构，从而极大地影响光催化过程。鉴于此，深刻理解氧空位与光催化反应过程中的动力学、热力学以及反应路径之间的关系非常重要。

作为三元氧化物的代表物质之一，BiOCl由于具有低毒、组成元素分布广泛、化学性质稳定、电子能带结构易于调控等特点，近年来广泛应用于光催化领域的研究。BiOCl具有独特的各向异性层状结构，在晶体生长过程中易于形成具有高暴露面的二维纳米片状结构。不同于其他半导体材料，BiOCl的表面结构，包括特定晶面暴露和表面氧空位，易于调控，并且表现出很多新颖的晶面相关的物理化学性质和氧空位相关的光催化反应过程。这些特点使BiOCl成为一种很好的模型材料用来系统地研究氧空位对光催化反应的影响机制。华中师范大学的张礼知教授研究团队从成立至今一直致力于研究半导体BiOCl的光催化性能及应用，并在Acc. Chem. Res.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、ACS Catal.、Environ. Sci. Technol. 等业内顶级期刊发表了一系列的文章。近日，张礼知教授研究团队结合氧空位依赖的光催化表面化学的研究现状及其团队在该领域的最新研究进展，在Angewandte Chemie International Edition上撰写了题为Oxygen Vacancy-Mediated Photocatalysis of BiOCl: Reactivity, Selectivity and Perspective 的综述。该综述首先详细介绍了BiOCl的表面结构以及氧空位诱导的局部原子弛豫。随后根据理论和实验结果，作者论述了氧空位与常见分子（O₂、H₂O、H₂O₂、N₂）的相互作用机制及其对氧分子的活化，水的分解，双氧水解离和氮气固定的活性、选择性以及催化机理的影响。最后，作者提出了缺陷诱导的光催化化学所面临的机遇与挑战。该领域的研究不仅可以增强和推动光催化基本理论的发展，对高性能催化剂的合成也具有一定的指导意义。