fie | 前沿綜述：用于高效能量轉(zhuǎn)換和環(huán)境治理的水凝膠光催化材料

中文摘要

光催化劑具有優(yōu)異的性能，且有同時解決能源需求和環(huán)境污染方面的挑戰(zhàn)的潛力，因此引起了廣泛的研究興趣。 在實際應用中，光催化顆粒需要與它們各自的介質(zhì)接觸才能表現(xiàn)出高效的光催化性能。然而，納米級的光催化材料后期很難從反應介質(zhì)中分離出來，這將不可避免地導致二次污染和比較差的循環(huán)性能。

三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠光催化材料具有高比表面積、高吸附能力和良好的環(huán)境相容性等特點，是一種很有前途的光催化劑載體材料。本文根據(jù)水凝膠光催化材料的組成將其分為兩類，并對近年來水凝膠光催化材料的制備方法進行了總結(jié)。此外，本文綜述了目前水凝膠光催化材料在能源轉(zhuǎn)化和環(huán)境修復中的應用，并對水凝膠光催化材料所遇到的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景進行了簡要闡述。

研究背景及意義

環(huán)境治理和可持續(xù)能源是當前面臨的緊迫問題，急需有效、可持續(xù)和綠色的解決方案。太陽能是一種豐富的、清潔的、可持續(xù)的能源，可以被用來解決這些問題。光催化技術(shù)有效地利用太陽能進行可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換（如h2進化、co2還原和固氮）和環(huán)境治理（如氮氧化物和揮發(fā)性有機化合物的轉(zhuǎn)化、重金屬離子的去除和有機污染物的降解）。因此，迫切需要高效的光催化劑和可靠的方法來滿足日益增長的發(fā)展要求。1972年，藤島-本田效應首次被報道，該效應是在紫外線照射tio2光電極的情況下產(chǎn)生h2和o2。許多新型材料，如黑tio2、zno2、g-c3n4、srtio3、bivo4、znins4及其復合材料已被應用于光催化水分解和環(huán)境修復。為了進一步提高光催化的效率，許多有效的策略也應運而生，比如使用摻雜、助催化劑、缺陷操作、結(jié)點、量子約束效應和z型構(gòu)型等。然而，鑒于對材料帶隙、比表面積和電荷分離的要求，大多數(shù)光催化材料是以納米大小的顆粒形式應用，導致其很難與反應介質(zhì)分離。此外，這些難以分離的納米材料，有可能對環(huán)境造成二次污染，而且回收性能差，循環(huán)性能差，這極大地阻礙了其在實際中的應用。因此，迫切需要找到合適的基質(zhì)來避免這些限制。

fig.1 hydrogel photocatalysts as an effective strategy for energy conversion and environmental treatment.

研究內(nèi)容

目前，已經(jīng)有許多關(guān)于將納米大小的光催化材料裝入發(fā)泡金屬、塑料、水凝膠，以及與聚合物或粘合劑混合形成薄膜的報道。水凝膠也被認為是潛在的光催化的三維支撐網(wǎng)絡(luò)。水凝膠具有良好的柔韌性、伸展性、離子傳導性和環(huán)境兼容性，并且具有高的表面積和吸附能力。將光催化劑和水凝膠結(jié)合起來，或許可以更有效、更環(huán)保地進行能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境治理。水凝膠的物理和化學特性也可以通過調(diào)整交聯(lián)點、改變基本組成、表面結(jié)構(gòu)和其他界面修飾來增強光催化效果。水凝膠為光催化劑提供了一個合適的平臺，用以實現(xiàn)高效的能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境調(diào)節(jié)。

這篇綜述總結(jié)了合成不同種類水凝膠光催化劑材料的不同方法。這些水凝膠光催化劑是通過把水凝膠加入各種光催化劑，如tio2、c3n4、cds、cus、pmi和石墨烯混合復合物而開發(fā)出來的。此外，本文還詳細討論了水凝膠光催化劑在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境處理方面的兩個主要應用，并且總結(jié)了水凝膠光催化劑在各種應用中的最新進展。希望本文可以為設(shè)計和制造先進的水凝膠光催化劑材料提供新的見解，以實現(xiàn)高效的光催化。

fig.9 hydrogel photocatalysts for hydrogen generation.

fig.11 gel-based photocatalyst for co2conversion.

fig.12 removal of metal ions using hydrogel photocatalyst.

fig.13 synergistic water evaporation and h2generation.

研究展望

盡管近年來在水凝膠光催化劑的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得了一些成就，但這一領(lǐng)域仍處于早期發(fā)展階段，在提高光催化效率和穩(wěn)定性以滿足實際應用需求方面仍有許多挑戰(zhàn)。為了應對這些挑戰(zhàn)，需要在以下幾個方面做出努力。

1) 目前對水凝膠光催化劑的研究集中在光催化劑和凝膠網(wǎng)絡(luò)的隨機共混上，這可能會限制光催化活性部位的暴露。顆粒狀的干凝膠可能會導致操作復雜化，并因光催化劑泄漏而導致分離困難和二次污染，而且回收性差。

2）目前的研究主要集中在光催化劑的設(shè)計和修改上，對水凝膠成分的內(nèi)在特性的研究較少。調(diào)節(jié)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和膨脹性能以及凝膠的吸附性能也會協(xié)同促進光催化劑的性能，需要進一步研究。

為了進一步改善水凝膠光催化材料的催化性能，水凝膠單體和光催化劑的界面修飾以及凝膠網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控可能會是一種有效的策略，可以實現(xiàn)光催化凝膠的高效可持續(xù)循環(huán)，從而克服現(xiàn)有水凝膠光催化劑的缺點。

原文信息

hydrogel photocatalysts for efficient energy conversion and environmental treatment

wenwei lei1, norihiro suzuki2, chiaki terashima*2, akira fujishima1

作者單位：

1. school of environmental and chemical engineering, yanshan university, qinhuangdao 066004, china; photocatalysis international research center, tokyo university of science, 2641 yamazaki, noda, chiba 278-8510, japan

2. photocatalysis international research center, tokyo university of science, 2641 yamazaki, noda, chiba 278-8510, japan

abstract：

photocatalysts have attracted great research interest owing to their excellent properties and potential for simultaneously addressing challenges related to energy needs and environmental pollution. photocatalytic particles need to be in contact with their respective media to exhibit efficient photocatalytic performances. however, it is difficult to separate nanometer-sized photocatalytic materials from reaction media later, which may lead to secondary pollution and a poor recycling performance. hydrogel photocatalysts with a three-dimensional (3d) network structures are promising support materials for photocatalysts based on features such as high specific surface areas and adsorption capacities and good environmental compatibility. in this review, hydrogel photocatalysts are classified into two different categories depending on their elemental composition and recent progresses in the methods for preparing hydrogel photocatalysts are summarized. moreover, current applications of hydrogel photocatalysts in energy conversion and environmental remediation are reviewed. furthermore, a comprehensive outlook and highlight future challenges in the development of hydrogel photocatalysts are presented.

keywords:

hydrogel, photocatalysts, energy conversion, environmental treatment

cite this article

wenwei lei, norihiro suzuki, chiaki terashima, akira fujishima. hydrogel photocatalysts for efficient energy conversion and environmental treatment. front. energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0756-x

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