环境学院何作利研究员在异质结光催化领域获得系列成果

近日，环境科学与工程学院王曙光教授团队何作利研究员在WILEY出版社旗下的纳米材料领域旗舰期刊Small（中科院一区TOP/JCR Q1，IF=15.153）上发表论文“Interface Engineering in 2D/2D Heterogeneous Photocatalysts”（Small, 2022, DOI.10.1002/smll. 202205767）。文中回顾并系统总结了基于二维/二维（2D/2D）异质结光催化剂的界面构筑与优化，深入分析了表面缺陷、助催化剂和表面改性对2D/2D异质结构光催化性能优化的关键作用，指出了2D/2D光催化剂的发展前景和面临的挑战。山东大学为独立通讯单位，王曙光教授和何作利研究员为通讯作者，博士后于慧君为本文第一作者。

电子-空穴对复合率高、氧化还原能力弱、光吸收效率低等是单一光催化剂普遍存在的问题。在各种改性策略中，构筑结构可控的半导体异质结是提高光催化效率的一种简单有效的方法。近年来，原子级2D纳米材料因具有大比表面积、优异的机械结构和独特的光电性能，在环境和能源相关领域备受青睐。如图1所示，与不同维度材料（如0D，1D，2D，3D）实现多种构筑/堆叠模式可有效调节界面特性，从而不同程度地提高了2D异质结催化剂的光催化活性。

Fig. 1The classification and structure representation of metal-based, metal-free 2D nanomaterials, and their construction modes of 2D-based heterojunction of 0D/2D, 1D/2D, 2D/2D and 3D/2D with different interfacial characteristics.

本研究中，针对2D/2D异质结催化剂体系的界面工程，基于不同电荷转移机制（如Type I, Type II, p-n junction, Schottky junction, Z-scheme and S-scheme）和光化学过程（如产氢，CO₂还原，有机污染物降解，固氮），系统地综述了多种构建模式（如face-to-face, edge-to-face, interface-to-face, edge-to-edge），重点分析了它们的界面特性（如点、线、面接触）、合成策略（如原位生长、非原位自组装技术）之间的关系。从增强可见光吸收能力、促进电荷转移/分离、诱导新的活性位点产生等方面综述了近年来在2D/2D异质结光催化剂的研究进展。基于优化工程和异质界面的协同效应，深入分析了表面缺陷、助催化剂和表面改性对2D/2D异质结构光催化性能优化的关键作用。

Fig. 2Schematic diagrams of the representative heterojunctions for 2D/2D photocatalysts in multiple construction modes (e.g., face-to-face, edge-to-face, interface-to-face, edge-to-edge), and the relationships between their interfacial characteristics (e.g., point, linear, planar), synthetic strategies (e.g., in situ growth, ex situ assembly), and enhanced photocatalytic applications.

2020年，课题组针对1D/2D异质结催化剂体系，深入分析了不同类型的界面工程1D/2D异质结光催化剂在不同光催化过程中的优势，同时系统探究了1D/2D异质结光催化剂的合成及研究进展（Small, 16 (2020) 2005051）。近年来，课题组在精确控制异质结催化剂纳米结构方面取得多项成果，研究成果先后发表在Small（2篇）、Solar RRL（2篇）、J. Mater. Sci. Technol.、Appl. Surf. Sci.、Nanoscale Adv.等杂志上。上述系列研究成果对新型异质结光催化材料的可控制备、界面工程和性能优化以及在光催化领域的应用提供了重要的理论和技术支持。

另外，将纳米材料通过湿法纺丝技术可得到功能化的柔性复合纤维，柔性复合纤维可通过编织、缝纫和裁剪等制备成织物或固定在物体表面，是开发先进柔性可穿戴器件的新途径。基于此，团队将CNT、Ag NW、BNNT、TiO₂等纳米材料复合到TPU、PVA等聚合物中制备出具有不同功能的柔性复合纤维，并通过编织、缝纫等得到了应变、湿度织物传感器和具有光催化功能的织物器件。（Compos. Sci. Technol., 189 (2020) 108011；Mater. Today Nano, 18 (2022) 100214；Mater. Adv., (2022) 1518-1526）

本研究工作得到了国家自然科学基金、山东省泰山青年学者计划、山东大学青年交叉创新团队、山东大学未来青年学者计划、江苏省青年自然科学基金等项目的支持。