高效利用地球上丰富的太阳能、热能和机械能，在制备可再生燃料和去除环境污染物方面显示出巨大的潜力。其中光催化被认为是一种有前景的将太阳能转化为化学能的方式。然而，由于其不充分的光吸收、电荷分离和表面反应动力学，光催化反应仍然较难应用到实际的生活中。近期的一些研究表明引入外部激励对光催化反应的活性有明显的增强作用，如微波辐射、机械振动、温度扰动、电场以及磁场作用，这些外场主要是通过促进半导体的电荷分离和迁移从而提升光催化性能。此外，外场对光催化剂能带结构和表面性质的影响也逐步被认识。然而目前为止尚缺乏不同外场对光催化活性增强研究进展的系统总结和深入理解。
针对以上问题，我校材料科学与工程学院博士生胡程在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队田娜副教授、张以河教授和黄洪伟教授指导下，综述了近五年来的相关研究，创新性地总结了不同外场对光吸收、电荷分离和传递以及反应物吸附和活化这三个光催化主要过程的促进作用：
1. 微波场所产生的微波非热效应促进了光生载流子的产生和分离，同时提供了丰富的表面活性位点，增强了反应物的吸附和表面羟基活化。
2. 机械应力场和温度梯度场增强了光生载流子在材料体相和表面的分离，同时调节界面处的能带弯曲和电荷迁移。
3. 原位外电场引发的极化效应能促进光生载流子的分离、调节半导体的电子能带结构和表面反应物吸附；而基于铁电极化的电极化预处理过程能显著提高铁电体的自发极化，极大地促进了电荷的分离和转移，同时调控反应物分子在铁电体上各向异性的吸附，以及提高半导体的光吸收能力。
4. 磁场产生的洛伦兹力可以促进光生载流子沿相反的方向分离，促进反应物离子在催化剂表面的吸附，从而提高磁场下的光催化活性。
5. 通过耦合多个外场可以实现铁电/压电光催化，铁电/热释电光催化和压电/热释电光催化，大大促进了铁电半导体的光催化活性。
本文综述了利用微波场、机械应力场、温度梯度场、外电场、磁场和耦合场等多种外场提高光催化活性的研究进展，讨论了外场对光吸收、电荷分离、表面吸附和活化的增强机理。虽然外场辅助光催化技术在很大程度上克服了光催化剂的固有弱点，但仍有一些基本问题和挑战需要克服。
图1 增强光催化反应的不同的外场类型
图2 外场对光吸收，电荷分离和表面氧化还原反应的促进机制示意图
图3 多场耦合的光催化示意图
上述研究成果发表于材料化学领域国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上：Cheng Hu, Shuchen Tu, Na Tian,* Tianyi Ma,* Yihe Zhang, and Hongwei Huang*. Photocatalysis enhanced by external fields. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 16309– 16328. DOI:
https://doi.org/10.1002/anie.202009518 [IF2020=15.336]
发表于 2021-8-18 19:18:58
