二维光催化材料

董帆

电子科技大学基础与前沿研究院，环境与能源催化研究中心，成都 611731

二维纳米材料是一类性能独特且有良好前景的光催化材料。二维材料表面原子排列通常与块体材料不同，对表面性质和界面电荷转移有显著影响，展现出独特的表/界面特性。近年来，各类二维纳米材料合成方法和表面改性策略的快速发展，在光催化性能提升和能源环境领域应用等方面发挥了重要作用。本专刊邀请了从事光催化研究的学者，分享了他们在二维光催化材料方面的最新研究成果。这些成果可为实现二维光催化材料的可控合成、构-效关系建立、光催化效率提升和反应机理揭示等方面提供理论基础。本专刊共收录论文12 篇，包括综述4 篇、研究论文8 篇。

近年来，二维光催化材料的合成方法和改性研究方面得到了快速发展。吕康乐等1综述了典型的二维光催化材料g-C3N4的制备研究进展，通过对比分析现有方法，讨论了g-C3N4纳米片制备所面临的问题和挑战，并展望了未来的发展方向。黄宇等2回顾了近年来利用缺陷工程策略，来实现对g-C3N4表面电子结构和能级结构的调整，以增强光捕获、光生载流子分离-迁移和目标分子吸附/活化能力，并总结了二维g-C3N4在光催化净化大气方面的研究进展。董帆等3从光吸收、电荷分离和活性位点三个方面，综述了二维光催化材料表面设计和电子结构调控策略的最新研究进展，并总结了电子结构调控对二维光催化材料净化典型空气污染物反应机理的影响机制。

在环境光催化应用方面，周莹等4以二维BiOI为模型材料，通过复合BN 纳米片，实现了BiOI富氧晶面的选择性暴露。暴露的表面晶格氧原子可以直接参与到NO的氧化反应中，显著增强BiOI的NO 氧化活性。王海强等5实现了非晶态TiO2层在NH2-UiO-66 MOF 表面的包裹，制备了核壳结构的NH2-UiO-66@TiO2催化剂。得益于增强的光吸收能力与异质结的建立，复合催化剂的可见光催化甲苯降解效率达到76.7% (3 h)。王海强等6通过一步水热法，制备了稀土金属La 掺杂的BiOI微球(二维BiOI 纳米片组装体)。通过调变La 掺杂量，实现了复合材料带隙结构与氧空位的优化，其可见光催化NO 氧化性能与稳定性相比于纯相BiOI 得到显著提升。黄海保等7利用自制固定床连续流反应器，通过浸渍法成功制备了磷酸根修饰的Mn 掺杂介孔TiO2催化剂。得益于磷酸根修饰和Mn 掺杂的协同作用，复合材料在甲苯的真空紫外光解协同催化氧化工艺中，实现了臭氧的完全消除，并有效强化了甲苯的降解效率。展思辉等8采用溶剂热法合成了一种新型NiO/g-C3N4光电类芬顿体系，应用于水体中环丙沙星的光催化降解。相比于传统芬顿体系，新型光电类芬顿体系展现了更宽的pH 适应范围和更好的结构稳定性。敖志敏等9采用密度泛函理论计算方法，构建了单原子Ti 和V 负载的单层MXene-Ti2CO2模型。通过研究H2S 分子在这类单原子催化剂表面的吸附和催化解离行为，证实了单原子Ti 和V 的负载可诱导Ti2CO2表面电荷的重新分配，从而改善H2S分子与Ti2CO2之间的相互作用，实现光催化活性的显著提升。

在光催化CO2还原应用方面，曹少文等10通过简单的水热法，实现了FeNi 层状双氢氧化物助催化剂在g-C3N4纳米片上的负载，获得二维/二维FeNi-LDH/g-C3N4复合光催化材料。通过改变FeNi-LDH 的负载量，实现光催化CO2还原活性的调变。复合材料的甲醇最高产率达到 1.64 μmol·h−1·g−1，是纯相g-C3N4的6 倍。此外，在光催化水分解方面，张高科等11以共轭聚合物(SCN)n为前驱体，实现了Ni2P/类石墨碳氮化物光催化剂的制备。复合材料的可见光产氢效率达到了623.77 μmol·h−1·g−1，显著优于贵金属Pt 基CN 样品的产氢效率。另外，铁基化合物具有半导体/金属的特性和独特的电子结构，其可作为出色的助催化剂，用于改善催化剂的电导率和对水的吸附性能，在协同增强光催化水分解方面展现了出色的潜力。基于此，王其召等12综述了羟基氧化铁、铁基层状双氢氧化物以及铁基钙钛矿等常见二维铁基材料的结构、合成方法和光催化水分解应用方面的最新研究进展。

二维光催化材料近年来已成为环境与能源催化领域的明星材料，拥有广阔的实际应用前景，存在很大的研究空间和机会。我们希望该专刊能为先进二维光催化剂的设计构建及应用提供指导，并为深入理解二维材料光催化反应过程与反应机理提供帮助。