高效光催化材料最新研究进展及挑战

闫世成，邹志刚

(南京大学 环境材料与再生能源研究中心，江苏 南京 210093)



第一作者：闫世成，男,1979年生，副教授

zgzou@nju.edu.cn

高效光催化材料最新研究进展及挑战

闫世成，邹志刚

(南京大学 环境材料与再生能源研究中心，江苏 南京 210093)

摘要：光催化材料在能源转换和环境净化领域具有重要的应用前景。实现光催化技术的实际应用，其关键是开发出高效的光催化材料，高效的光催化材料需要满足带隙与太阳光谱匹配、导价带能级位与反应物电极电位匹配、高量子效率和光化学稳定等性能要求。综述了新型光催化材料开发策略及研究进展，重点总结了包含能量转换效率提高方法、光催化机理认识与表征手段等光催化领域材料发展的新趋势。分析了提高光催化能量转换效率的关键所在及开展新型光催化材料研究工作的重要性，展望了该领域的未来发展方向。

关键词：光催化原理；光催化材料；再生能源；环境净化

1前言

当今世界正面临着能源短缺和环境污染的严峻挑战，解决这两大问题是人类社会实现可持续发展的迫切需要。中国既是能源短缺国，又是能源消耗大国。近年来，伴随社会经济的快速发展，中国石油对外依存度不断攀升，已经严重影响国家经济健康发展和社会稳定，并威胁到国家能源安全。同时，石油等化石能源的过度消耗导致污染物大量排放，加剧了环境污染，尤其是我国近年来雾霾天气的频繁出现，严重影响了人民的生活和身体健康，开发和利用太阳能是解决这一难题的有效方法之一。

如图1所示，光催化技术可以将太阳能转换为氢能。氢能能量密度高、清洁环保、使用方便，被认为是一种理想的能源载体。目前氢能的利用技术逐渐趋于成熟，以氢气为燃料的燃料电池已开始实用化，氢气汽车和氢气汽轮机等一些“绿色能源”产品已开始投入市场。氢利用技术的成熟提高了对制氢技术快速发展的要求。高效、低成本、大规模制氢技术的开发成为了“氢经济”时代的迫切需求。自20世纪70年代日本科学家利用TiO2光催化分解水产生氢气和氧气以来，光催化材料一直是国内外研究的热点之一。光催化太阳能制氢方法是一种成本低廉、集光转换与能量存储于一体的方法，该领域的研究越来越受到各国的广泛关注。国际上光催化材料研究竞争十分激烈。光催化材料不仅具有分解水制氢的功能，而且具有环境净化功能。如图2所示，利用光催化材料净化空气和水已成为当今世界引人注目的高新环境净化技术。太阳能转换效率是制约光催化技术走向实用化的关键因素之一，光催化材料的光响应范围决定了太阳能转换氢能的最大理论转化效率。光催化领域经过40余年的发展和积累，正孕育着重大突破，光催化太阳能转换效率不断提高，光催化技术正处于迈向大规模应用的关键阶段，国际竞争十分激烈。

图1　光催化技术能源利用途径：光催化水分解产氢，以氢气为燃料，其燃烧产物为洁净的水Fig.1　Photocatalysis for energy conversion: photocatalytic water splitting to release hydrogen. The product after burning of hydrogen is water

图2　光催化技术环境利用途径：光作用下产生多种强氧化性自由基，自由基可以降解多种污染物，实现水净化、空气净化Fig.2　Photocatalytic technique for environment purification: the free radicals with strong oxidability produced by photocatalysis and degraded the various pollutions for achieving the water and air purification

在能源和环境问题强大需求的推动下，国际上光催化领域的研究已经从最初的实验现象发现，逐步由基础理论研究转向光催化材料的应用基础研究；由光催化材料探索逐步转向高效光催化材料体系设计[1-2]。在研究手段上，已经能够从分子、原子水平上揭示光催化材料基本物性以及光催化材料的构-效关系，从飞秒时间尺度上研究光催化反应过程与反应机理。包括第一性原理与分子动力学模拟在内的现代科学计算方法，逐渐在光催化材料物性与光催化反应机理研究方面起到重要作用。以半导体物理学、材料科学和催化化学为基础的较为完整的光催化基础理论体系已经初步建立。光催化已经发展为物理、化学、能源和环境等多学科交叉领域，成为了热点研究领域之一。光催化领域最新的研究进展主要集中体现在认识光催化太阳能转换效率限制因素；揭示光催化机理与发展表征手段；设计基于新奇物理机制的光催化材料；改善光催化反应效率；阐明光催化材料构-效关系以及构建复杂、高选择性环境净化体系等方面。

2光催化领域的发展动态和面临的挑战

光催化材料研究的国内外研究现状和发展趋势主要体现在以下几个方面。

2.1光催化材料的太阳能转换效率逐步提高

构建高效的光催化反应体系的核心问题是开发高效光催化材料。近年来，光催化薄膜材料分解水制氢的太阳能转换效率逐步提升。2008年，Augustynski[3]报道了WO3光催化薄膜材料的饱和光电流达3 mA/cm2(按外加偏压来自太阳电池提供计算，太阳能转换效率约3.6%)，接近其极限值3.9 mA/cm2。2010年，Grätzel[4]小组报道了Si掺杂的Fe2O3薄膜光催化材料，在1 M NaOH水溶液中AM1.5模拟太阳光照射下，其饱和光电流达到3.75 mA/cm2(太阳能转换效率约4.6%)。同年，Sayama[5]等制备了BiVO4光催化薄膜材料，在1 M Na2SO4水溶液中AM1.5模拟太阳光照射下的饱和光电流为1.5 mA/cm2(太阳能转换效率约1.8%)。2011年，邹志刚课题组[6]通过掺杂和表面修饰获得BiVO4光催化薄膜材料的太阳能转换为氢能的效率可以达到4.1%，是BiVO4材料里的最高值。可见，利用光催化薄膜材料分解水制氢最有希望率先获得应用。

在太阳能分解水制氢领域，我国学者作出了很多高水平的研究工作。西安交通大学的郭烈锦教授[7-8]采用超声喷雾热裂解方法制备了BiVO4光催化薄膜材料，发现W掺杂可以提升其光电化学性能，他们还研究了WO3/BiVO4纳米异质结构光催化薄膜材料，在AM1.5模拟太阳光照射下的饱和电流为1.6 mA/cm2(太阳能转换效率约1.9%)。上海交通大学蔡伟民教授[9]研究发现Co3O4修饰的BiVO4光催化薄膜材料，量子转换效率提高了4倍，在1V vs. Ag/AgCl电极电势下，400 nm光辐照下的量子转换效率达到7%左右。上海交通大学的上官文峰教授[10]开发了BiYWO6光催化材料，实现了可见光分解水制氢。邹志刚课题组[11-13]系统研究了具有可见光响应的BiFeO3、α-Fe2O3、BiVO4、(SrTiO3)1-x(LaTiO2N)x、In1-xGaxN、Ta3N5等半导体光催化材料分解水制氢的性能；利用低成本方法制备Si，Ti共掺杂α-Fe2O3光催化薄膜材料，太阳能转换为氢能的效率可以达到3.3%。这些工作表明在这一研究领域我国学者在国际上处于先进水平。

2.2光催化机理认识逐步深入、表征手段快速发展

对光催化机理的认识有助于开发高效光催化材料，提高光催化性能。2005年，日本大阪大学Majima T小组[14-15]将单分子荧光显微观察手段引入光催化领域，对光催化材料表面的反应活性位分布进行直接观测。时间分辨原位红外光谱具有原位实时监控和利用红外光谱精确分析物质结构的优点, 能够实时跟踪反应物在不同条件的化学变化。2007年，中国科学院大连化学物理研究所李灿教授课题组[16]将这一技术运用于光催化反应机理研究，获得了光生电子的衰减动力学信息、光生电子寿命以及反应物对光生空穴的捕获行为。2008年，英国帝国理工学院Durrant教授等[17-19]利用瞬态吸收光谱确定了TiO2光催化材料中光生电子-空穴复合、迁移、以及与水的氧化-还原反应的时间尺度。从时间尺度上来看，水氧化反应是光催化分解水反应的主要速率控制步骤。水氧化反应是多空穴参与过程且受光生空穴的界面传输控制，因此长寿命光生空穴的浓度将决定某些中间物种的形成与累积过程。2008年，李灿教授课题组[20]将紫外拉曼光谱表征手段引入TiO2相变研究过程，揭示了TiO2表面相的形成、演变及其对光催化性能的影响规律。利用原位衰减全反射表面增强红外光谱可以方便地获得表面分子振动信息。2009年，日本东京大学Domen教授[21]采用该技术监测吸附在贵金属表面的CO的振动频率, 获得了贵金属助催化剂与光催化材料之间费米能级的匹配信息。先进的表征手段不断地引入，有助于深入认识光催化反应机理。

国外研究［23-24］也表明，LA病变范围主要位于深部侧脑室周围的脑白质内，长期脑灌注不足导致LA认知损害的机制包括：氧化应激、自由基形成、炎性反应，细胞凋亡以及线粒体功能障碍等，各种机制相互作用导致神经传导及受体功能异常，逐渐导致认知功能减退的发生。同时，高血糖使血管内皮功能受损，小动脉正常的舒张功能受到影响，加重小血管痉挛，使白质区慢性缺血加重。糖尿病可使LA发病风险增高，且可影响LA的病变容积，一定程度上使病损区增大而加重了认知损害［25］。

2.3改善光催化反应效率的手段趋于明确化

半导体光催化材料的光生电子-空穴复合是限制光催化反应效率的重要因素。电子-空穴复合主要包括体相复合和表面复合，因此减小体相和表面复合是提高光催化反应效率的重要手段。邹志刚课题组[6,22]提出了通过降低载流子的有效质量来提高载流子的迁移能力的方法，制备了Mo掺杂BiVO4多孔氧化物薄膜材料，以Mo部分取代V，有效地降低了光生空穴有效质量，提高了其扩散长度，有效地减少了光生载流子的体相复合。2011年，邹志刚课题组[23-24]发现在In0.2Ga0.8N和Mo掺杂BiVO4的光催化薄膜材料制备中会出现表面偏析相，成为光生电子和空穴的复合中心。通过利用电化学腐蚀减少表面偏析相，可以有效减少光生电子-空穴的表面复合，显著提高了光催化材料的量子转换效率。此外，助催化剂修饰也是有效减少表面光生电子-空穴复合的有效手段。近年来，国外有几个研究组将钴磷配合物助催化剂用于修饰BiVO4、Fe2O3和WO3等光催化薄膜材料，均能显著提高光催化分解水的反应效率[25-29]。

2.4基于新奇物理机制的光催化材料逐渐兴起

近年来，光催化材料种类不断拓展。2008年，福州大学付贤智教授课题组[30]研究发现了二维共轭大π键结构的g-C3N4聚合物半导体光催化材料。与无机半导体光催化材料不同，g-C3N4具有简单的晶体结构, 其导、价带分别由C2p和N2p轨道构成，光生电子-空穴是通过π-π键传输，开辟了光催化材料研究的新方向。由于聚合物的种类丰富，功能易调节，组成元素来源丰富，成本低廉，因此这一类材料引起了人们的广泛关注。

近期，研究人员们将贵金属纳米颗粒与半导体光催化材料复合，利用贵金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应，有效地拓展了光催化材料的光吸收范围。2008年，山东大学黄柏标教授研究组[31]开发了一系列Ag@AgX(X=Cl，Br，I)等离子体增强效应的光催化材料，显著提升可见光光催化降解有机污染物性能。日本的Torimoto[32]合成了复合体系的等离子体光催化材料CdS@SiO2//Au@SiO2，发现该体系的光催化产氢效率很大程度上取决于CdS和Au纳米颗粒间的距离，这是由于金属颗粒的表面等离子体共振效应与其周围介质有很大关系。美国加州大学的Duan等[33]利用Au/Ag核壳纳米棒制备出等离子增强的Pt/n-Si/Ag光电二极管光催化材料，光谱特性研究表明光催化性能的增强很大程度上取决于Au/Ag核壳纳米棒的等离子体吸收光谱，进一步说明了等离子体增强在光催化中的作用。利用新奇物理机制拓宽光响应范围和提高光催化性能引起了人们的广泛关注。

2.5光催化材料构-效关系逐渐被重视

随着光催化研究工作的推进，人们发现控制光催化材料的形貌、尺寸以及晶面等微结构参数，能够有效调控光催化材料的性能。2002年，Jung等[33]采用有机模板法制备了双层TiO2纳米管。2007年，武汉理工大学余家国教授[34]制备了具有分级纳米孔结构的TiO2。2008年，Awaga等[35]利用模板法制备了TiO2空心球。这些纳米管、空心球结构、分级结构等特殊结构的光催化材料均具有较大的比表面积，显示了比普通颗粒更好的光催化性能。

选择性暴露晶面成为提高光催化材料反应活性的另一个有效途径。近期，关于晶体各向异性和活性面的研究已向多种半导体材料扩展，并取得了重要进展。2008年，Yang等[36]发现F能够有效稳定TiO2的高活性{001}晶面。此后，研究人员在{001}高活性晶面TiO2的可控制备方面开展了一系列的研究工作。2010年，Lou 等[37]利用溶剂热法合成了近100% (001)面暴露的锐钛矿TiO2。同年，Ye等[38]利用水热法通过控制溶液的pH值合成了(001)面暴露的BiVO4，显示出了较高的光催化氧化水性能。2011年，邹志刚课题组[39]研究发现，通过调控Zn2GeO4不同晶面暴露可以实现光催化反应的选择性。这些研究结果，进一步表明光催化材料微结构调控是改善光催化材料性能的有效手段之一。

2.6光催化环境净化向复杂体系和高选择性方向发展

与光催化分解水反应类似，有机污染物光催化降解反应过程是一个典型的界面反应，并且污染物分子的吸附构型和分子反应机理是紧密相关的。最近几年，人们在对高毒性、高稳定性的有机污染物的矿化、光催化降解的选择性等方面的研究取得了一定的进展。

中国科学院化学研究所赵进才教授研究组[40-44]在光催化选择性氧化、降解界面反应方面取得了显著的进展，该课题组在简单染料分子敏化TiO2反应体系内，成功地实现了选择性氧化醇类化合物为醛类化合物，提出了染料受光激发产生电子注入TiO2的导带，还原O2为超氧，处于激发态的染料自由基促进TEMPO氧化为TEMPO+，利用TEMPO+选择性地氧化醇类化合物为醛类化合物这一反应途径。后续，他们进一步实现了不需要染料敏化，在TiO2光催化反应体系中氧化醇类化合物为醛类化合物的反应途径。

3结语

光催化技术展示了巨大的潜在应用前景，也面临着艰巨的挑战，如何实现光催化材料带隙与太阳光谱匹配、如何实现光催化材料的导价带位置与反应物电极电位匹配、如何降低电子-空穴复合提高量子效率、如何提高光催化材料的稳定性等问题仍是这一领域必须要解决的关键科学问题。

“我相信总有一天可以用水来作燃料，组成水的氢和氧可以单独或和在一起来使用，这将为热和光提供无限的来源，所供给光和热的强度是煤炭所无法达到的，水将是未来的煤炭。”1870年，吉尔斯·费恩在科幻小说《神秘岛》中写下了这段看似“梦呓”般的预言。光催化技术在国际上被喻为“梦”的技术，它的实现将会给人类社会带来一个崭新的变革。如图3所示，光催化技术给我们展现了一个十分美好的前景。

图3　光催化应用前景展望Fig.3　The prospective future in application of photocatalysis.

参考文献References

[1]Kubacka A, Fernández-García M, Colón G. Advanced Nanoarchitectures for Solar Photocatalytic Applications[J].ChemicalReviews, 2011,112: 1 555-1 614.

[2]Polman A, Atwater H A. Photonic Design Principles for Ultrahigh-Efficiency Photovoltaics[J].NatureMaterials, 2012,11: 174-177.

[3]Alexander B D, Kulesza P J, Rutkowska I,etal. Metal Oxide Photoanodes for Solar Hydrogen Production[J].JournalofMaterialsChemistry, 2008,18: 2 298-2 303.

[4]Tilley S D, Cornuz M, Sivula K,etal. Light-Induced Water Splitting with Hematite: Improved Nanostructure and Iridium Oxide Catalysis[J].AngewandteChemie, 2010(122): 6 549-6 552.

[5]Sayama K, Wang N, Miseki Y,etal. Effect of Carbonate Ions on the Photooxidation of Water over Porous BiVO4Film Photoelectrode under Visible Light[J].ChemistryLetters, 2010(1): 17-19.

[6] Luo W, Yang Z, Li Z,etal. Solar Hydrogen Generation from Seawater with a Modified BiVO4Photoanode[J].Energy&EnvironmentalScience, 2011,4: 4 046-4 051.

[7]Li M, Zhao L, Guo L. Preparation and Photoelectrochemical Study of BiVO4Thin Films Deposited by Ultrasonic Spray Pyrolysis[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy, 2010,35: 7 127-7 133.

[8]Su J, Guo L, Bao N,etal. Nanostructured WO3/BiVO4Heterojunction Films for Efficient Photoelectrochemical Water Splitting[J].NanoLetters, 2011,11: 1 928-1 933.

[9]Long M, Cai W, Kisch H. Visible Light Induced Photoelectrochemical Properties ofn-BiVO4andn-BiVO4/p-Co3O4[J].TheJournalofPhysicalChemistryC, 2008,112: 548-554.

[10]Liu H, Yuan J, Shangguan W,etal. Visible-Light-Responding BiYWO6Solid Solution for Stoichiometric Photocatalytic Water Splitting[J].TheJournalofPhysicalChemistryC, 2008,112: 8 521-8 523.

[11]Zhang M, Luo W, Li Z,etal. Improved Photoelectrochemical Responses of Si and Ti Codopedα-Fe2O3Photoanode Films[J].AppliedPhysicsLetters, 2010,97: 042 105.

[12]Luo W, Liu B, Li Z,etal. Stable Response to Visible Light of InGaN Photoelectrodes[J].AppliedPhysicsLetters, 2008,92: 262 110.

[13]Luo W, Li Z, Jiang X,etal. Correlation between the Band Positions of (SrTiO3)1-x·(LaTiO2N)x Solid Solutions and Photocatalytic Properties under Visible Light Irradiation[J].PhysicalChemistryChemicalPhysics, 2008(10): 6 717-6 723.

[14]Naito K, Tachikawa T, Fujitsuka M,etal. Single-Molecule Fluorescence Imaging of the Remote TiO2Photocatalytic Oxidation[J].TheJournalofPhysicalChemistryB, 2005,109: 23 138-23 140.

[15]Tachikawa T, Wang N, Yamashita S,etal. Design of a Highly Sensitive Fluorescent Probe for Interfacial Electron Transfer on a TiO2Surface[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2010,49: 8 593-8 597.

[16]Chen T, Feng Z, Wu G,etal. Mechanistic Studies of Photocatalytic Reaction of Methanol for Hydrogen Production on Pt/TiO2by in Situ Fourier Transform IR and Time-Resolved IR Spectroscopy[J].TheJournalofPhysicalChemistryC, 2007,111: 8 005-8 014.

[17]Tang J, Durrant J R, Klug D R. Mechanism of Photocatalytic Water Splitting in TiO2. Reaction of Water with Photoholes, Importance of Charge Carrier Dynamics, and Evidence for Four-Hole Chemistry[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2008,130: 13 885-13 891.

[18]Tang J, Cowan A J, Durrant J R,etal. Mechanism of O2Production from Water Splitting: Nature of Charge Carriers in Nitrogen Doped Nanocrystalline TiO2Films and Factors Limiting O2Production[J].TheJournalofPhysicalChemistryC, 2011,115: 3 143-3 150.

[19]Cowan A J, Barnett C J, Pendlebury S R,etal. Activation Energies for the Rate-Limiting Step in Water Photooxidation by Nanostructuredα-Fe2O3and TiO2[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2011,133: 10 134-10 140.

[20]Zhang J, Xu Q, Feng Z,etal. Importance of the Relationship between Surface Phases and Photocatalytic Activity of TiO2[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2008,47: 1 766-1 769.

[21]Yoshida M, Yamakata A, Takanabe K,etal. ATR-SEIRAS Investigation of the Fermi Level of Pt Cocatalyst on a GaN Photocatalyst for Hydrogen Evolution under Irradiation[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2009,131: 13 218-13 219.

[22]Zhao Z, Luo W, Li Z,etal. Density Functional Theory Study of Doping Effects in Monoclinic Clinobisvanite BiVO4[J].PhysicsLettersA, 2010,374: 4 919-4 927.

[23]Li M, Luo W, Liu B,etal. Remarkable Enhancement in Photocurrent of In0.20Ga0.80N Photoanode by Using an Electrochemical Surface Treatment[J].AppliedPhysicsLetters, 2011,99: 112 108.

[24]Luo W, Li Z, Yu T,etal. Effects of Surface Electrochemical Pretreatment on the Photoelectrochemical Performance of Mo-Doped BiVO4[J].TheJournalofPhysicalChemistryC, 2012,116: 5 076-5 081.

[25]Kanan M W, Nocera D G. In Situ Formation of an Oxygen-Evolving Catalyst in Neutral Water Containing Phosphate and Co2+[J].Science, 2008,321: 1 072-1 075.

[26]Pilli S K, Furtak T E, Brown L D,etal. Cobalt-Phosphate (Co-Pi) Catalyst Modified Mo-Doped BiVO4Photoelectrodes for Solar Water Oxidation[J].Energy&EnvironmentalScience, 2011(4): 5 028-5 034.

[27]Barroso M, Cowan A J, Pendlebury S R,etal. The Role of Cobalt Phosphate in Enhancing the Photocatalytic Activity ofα-Fe2O3toward Water Oxidation[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2011,133: 14 868-14 871.

[28]Seabold J A, Choi K S. Effect of a Cobalt-Based Oxygen Evolution Catalyst on the Stability and the Selectivity of Photo-Oxidation Reactions of a WO3Photoanode[J].ChemistryofMaterials, 2011,23: 1 105-1 112.

[29]Wang X, Maeda K, Thomas A,etal. A Metal-Free Polymeric Photocatalyst for Hydrogen Production from Water under Visible Light[J].NatureMaterials, 2009,8: 76-80.

[30]Zhong D K, Gamelin D R. Photoelectrochemical Water Oxidation by Cobalt Catalyst (“Co-Pi”)/α-Fe2O3Composite Photoanodes: Oxygen Evolution and Resolution of a Kinetic Bottleneck[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2010,132: 4 202-4 207.

[31]Wang P, Huang B, Qin X,etal. Ag@AgCl: A Highly Efficient and Stable Photocatalyst Active under Visible Light[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2008,47: 7 931-7 933.

[32]Torimoto T, Horibe H, Kameyama T,etal. Plasmon-Enhanced Photocatalytic Activity of Cadmium Sulfide Nanoparticle Immobilized on Silica-Coated Gold Particles[J].TheJournalofPhysicalChemistryLetters, 2011,2: 2 057-2 062.

[33]Jung J H, Kobayashi H, van Bommel K J,etal. Creation of Novel Helical Ribbon and Double-Layered Nanotube TiO2Structures Using an Organogel Template[J].ChemistryofMaterials, 2002(14): 1 445-1 447.

[34]Yu J, Su Y, Cheng B. Template-Free Fabrication and Enhanced Photocatalytic Activity of Hierarchical Macro-/Mesoporous Titania[J].AdvancedFunctionalMaterials, 2007,17: 1 984-1 990.

[35]Kondo Y, Yoshikawa H, Awaga K,etal. Preparation, Photocatalytic Activities, and Dye-Sensitized Solar-Cell Performance of Submicron-Scale TiO2Hollow Spheres[J].Langmuir, 2008,24: 547-550.

[36]Yang H G, Sun C H, Qiao S Z,etal. Anatase TiO2Single Crystals with a Large Percentage of Reactive Facets[J].Nature, 2008,453: 638-641.

[37]Chen J S, Tan Y L, Li C M,etal. Constructing Hierarchical Spheres from Large Ultrathin Anatase TiO2Nanosheets with Nearly 100% Exposed (001) Facets for Fast Reversible Lithium Storage[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2010,132: 6 124-6 130.

[38]Xi G, Ye J. Synthesis of Bismuth Vanadate Nanoplates with Exposed {001} Facets and Enhanced Visible-Light Photocatalytic Properties[J].ChemicalCommunications, 2010,46: 1 893-1 895.

[39]Yan S, Wan L, Li Z,etal. Facile Temperature-Controlled Synthesis of Hexagonal Zn2GeO4Nanorods with Different Aspect Ratios toward Improved Photocatalytic Activity for Overall Water Splitting and Photoreduction of CO2[J].ChemicalCommunications, 2011,47: 5 632-5 634.

[40]Zhang M, Chen C, Ma W,etal. Visible-Light-Induced Aerobic Oxidation of Alcohols in a Coupled Photocatalytic System of Dye-Sensitized TiO2and TEMPO[J].AngewandteChemie, 2008(120): 9 876-9 879.

[41]Zhang M, Wang Q, Chen C,etal. Oxygen Atom Transfer in the Photocatalytic Oxidation of Alcohols by TiO2: Oxygen Isotope Studies[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2009,48: 6 081-6 084.

[42]Wang Q, Zhang M, Chen C,etal. Photocatalytic Aerobic Oxidation of Alcohols on TiO2: the Acceleration Effect of a Brønsted Acid[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2010,49: 7 976-7 979.

[43]Chen C, Ma W, Zhao J. Semiconductor-Mediated Photodegradation of Pollutants under Visible-Light Irradiation[J].ChemicalSocietyReviews, 2010(39): 4 206-4 219.

[44]Lang X, Ji H, Chen C,etal. Selective Formation of Imines by Aerobic Photocatalytic Oxidation of Amines on TiO2[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2011(50): 3 934-3 937.

[45]Liu Q, Zhou Y, Kou J,etal. High-Yield Synthesis of Ultralong and Ultrathin Zn2GeO4Nanoribbons toward Improved Photocatalytic Reduction of CO2into Renewable Hydrocarbon Fuel[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2010,132: 14 385-14 387.

(编辑盖少飞)

特约撰稿人吴孟怀

特约撰稿人邹志刚

特约撰稿人A Richard Horrocks

特约撰搞人付前刚

特约撰稿人林　鑫

吴孟怀：男，1963年生，教授，博士生导师。1986年于西北工业大学硕士毕业，2000年获德国 RWTH Aachen 亚琛工业大学工学博士学位，2008年在奥地利莱奥本大学计算冶金学专业取得教授、博导资格。现任奥地利莱奥本大学先进凝固及熔化过程数值仿真实验室(Christian Doppler Laboratory)主任, 先后主持欧洲共同体及奥地利政府多项重大研究课题, 并获得RFCS 欧盟钢铁研究基金, ESA 欧洲宇航局、 FFG 奥地利研究促进会、 FWF 奥地利科学基金、 Christian Doppler 基金会和多家欧洲钢铁企业的项目资助。研究方向: 多相流-体平均凝固过程数值仿真及其在冶金、铸造和其它材料加工过程中的应用。主要研究成果发表在国际顶尖学术刊物上,如MetallMaterTransA,ActaMater,CompMaterSci,IntJHeatandMassTransfer等，共发表学术论文200余篇，SCI收录90余篇，合作专著10部。2010 年获奥地利Styria 州政府颁发的 “Grundlagenforschung-基础研究”年度荣誉奖(该奖项每年一次，每次只限一人)。

邹志刚:男，1955年生，日本东京大学理学博士，南京大学物理学和材料学博士生导师。教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，国家“973”计划项目首席科学家，教育部创新团队负责人，总装备部“国民核生化灾害防护国家重点实验室”学术负责人，兼任日本北海道大学教授和日本国家材料研究所(NIMS)客座研究员。现为南京大学环境材料与再生能源研究中心主任，江苏省纳米技术重点实验室主任，南京大学昆山创新研究院院长。长期从事光催化材料的设计、制备、反应机理及其应用的基础研究。在Nature，PRL，AdvMater，AngewChemIntEd，JACS等一流国际期刊发表科学论文400余篇，被SCI他引超过一万多次，H指数55。获国家发明专利30多项、美国专利1项、日本专利2项。2014年获国家自然科学二等奖。

特约撰稿人范晓丽

A Richard Horrocks:男，教授，于1965年在牛津大学基督教堂学院获二级荣誉学士学位(化学)，并于两年后在东英吉利大学获博士学位(化学)。在加拿大英属哥伦比亚大学从事博士后研究(1967～1968)和澎堤浦帝国化学担任研究科学家(1969～1972)，之后进入博尔顿理工学院担任讲师，从事纤维/纺织科学研究。先后晋升为高级讲师(1976)和教授(2003)，并于1978年创建阻燃材料研究课题组。作为纤维/纺织科学与工程领域全球最顶尖的科学家之一，霍洛克斯教授的研究兴趣涉及耐热与阻燃织物、纤维织物燃烧行为、毒性评价、工业纺织品研究等，迄今已发表学术期刊论文200余篇和多项发明专利，并编撰专著7部，应邀在各类国际会议上做特邀报告。

付前刚:男，1979年生，工学博士，西北工业大学材料学院教授、博士生导师。博士论文被评为2009年全国百篇优秀博士论文，教育部新世纪优秀人才，获第八届陕西省青年科技奖，被评为首届陕西省青年科技新星，获首批国家优秀青年科学基金，入选首批“万人计划”青年拔尖人才。获2008年陕西省科学技术一等奖和2013年教育部技术发明一等奖(排名第二)。中国硅酸盐学会测试技术分会理事，中国材料研究学会青年工作委员会理事，中国复合材料研究学会高级会员。在Carbon，JournalofAmericanCeramicsSociety，CorrosionScience，Surface&CoatingsTechnology等国际学术刊物上发表论文200余篇， SCI收录180余篇，他人引用900余篇次。获授权发明专利21项。 主要研究方向：高温抗氧化涂层技术；碳/碳复合材料基体改性技术；碳和碳化硅纳米材料的制备、表征与应用。

林鑫：男，1973年生，教授，博士生导师。凝固技术国家重点实验室(西北工业大学)副主任，金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室主任，陕西省重点科技创新团队“高性能金属构件激光3D打印技术创新团队”负责人(2014年)。2006年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。中国热处理学会高能密度热处理技术委员会委员，中国机械工程学会特种加工分会增材制造技术委员会委员，国家自然科学基金委员会和科技部评审专家，10余家国内及国际期刊审稿人。主要从事精确凝固成形和金属增材制造先进理论与技术及建模仿真的研究与教学工作。主持国家自然科学基金重点项目、“973”计划、“863”计划等重要课题10余项；在材料物理、材料成形加工领域顶级学报ACM，APL等重要刊物和会议上发表论文375篇，SCI收录221篇，SCI等他引650多次；授权国家发明专利12项。获省部级科学技术一等奖两项，二等奖一项。合作出版国防重点专著《激光立体成形》和中国机械工程学会科普图书《3D打印 打印未来》。

范晓丽:女，1976年生，教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才。研究方向为材料微尺度模拟，主要从事材料热力学稳定结构及其性质、微观反应动力学过程和机理研究，特别是固体材料、气/固体界面、光催化材料等的结构、性质和催化机理的计算模拟和设计。主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、教育部基金等研究项目10余项。研究成果获陕西省高等学校自然科学奖一等奖(第一完成人)，河南省自然科学优秀论文一等奖，在PhysicalReviewLetters,JournaloftheAmericanChemicalSociety,JournalofMaterialsChemistryA,PhysicalReviewB,JournalofPhysicalChemistryC,PhysicalChemistryChemicalPhysics等著名期刊上发表SCI论文40余篇。

Recent Progress and Challenge in Research ofNovel Photocatalytic Materials

YAN Shicheng, ZOU Zhigang

(Ecomaterial and Renewable Energy Research Center, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Abstract：Photocatalytic materials present the potential applications for energy conversion and environment purification. To develop the efficient photocatalysts is a key step for promoting the photocatalytic technique into practical applications. The efficient photocatalyst must have the moderate band gap to match the solar irradiation spectrum, the appropriate conduction and valence level to match the redox potential of reactant, the high quantum efficiency and high photoelectrochemical stability . This review article introduces the present research state of novel photocatalytic materials, including a summary on basic mechanism for photocatalysis, the development strategy for visible-light-driven photocatalysts, the novel methods to improve the energy conversion efficiency and the new characteristic tools to know the mechanism of photocatalytic reaction. The key problems for improving the energy conversion efficiency and significance on the development of novel photocatalytic materials are discussed. Finally, the potential research directions in the photocatalysis fields are viewed.

Key words：photocatalysis mechanism; photocatalytic materials; renewable energy; environmental purification

中图分类号：O643.36

文献标识码：A

文章编号：1674-3962 (2015)09-0652-06

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.09.03

通讯作者：邹志刚，男，1955年生，教授，博士生导师，Email:

基金项目：科技部973计划项目(2013CB632404)

收稿日期：2015-07-20