摘要
随着日益增加的化石能源消耗和环境污染,新能源和环境友好型技术的应用对工业发展发挥着重要作用.利用太阳能及电能进行各种催化反应的光电催化(PEC)是一种有应用前景的技术,与传统催化技术相比,具有环保节能、效率高的优势.析氧反应(OER)和CO2还原反应(CO2RR)是两种具有能源及环境应用潜力的催化反应.PEC OER对基于水氧化和其他相关氧化反应的可再生能源技术具有重要作用.PEC CO2RR可以将CO2转化为高附加值化学品,实现CO2的合理利用.上述两种技术均具有较大的研究价值和应用前景.本综述首先阐述了电催化和光催化技术的优缺点.由于工业上使用电催化技术会消耗煤和石油等化石能源,有污染环境的风险,且长期的用电成本会影响最终的盈利;而使用光催化技术又面临着反应效率不理想、稳定性差和可见光吸收率低等缺点.一方面,PEC技术可以解决光催化中光生电子-空穴对复合速度快、反应时间长的缺点;另一方面,PEC技术可以降低电催化过程中在高电流密度下反应所需的过电位,在节省电能的同时提高反应效率.此外,系统地介绍了光电催化产氧和CO2RR的机理和参数、催化剂类型、评价标准以及近年来的研究进展.对于反应条件,光电催化和电催化所使用的基础仪器基本相同,而光电催化是在电催化的基础之上施加外部光源,利用光能进一步提高反应效率和稳定性.光电催化和电催化的反应机理也基本一致,不同的是光电催化的评价标准与电催化有所不同.在光照作用下,除了关注特定电压下的电流密度、选择性和稳定性外,研究者们更关注应用偏压光子电流转换效率(ABPE)和入射光子对电流的效率(IPCE)的影响.同时,介绍了用于PEC OER和CO2RR催化剂的类别、优势、合成方法、设计原则和改性策略.就目前研究而言,光电催化性能优异的催化剂一般都具有导电性良好、光吸收效率高和载流子分离速率快等特点.随着对光电催化技术研究地深入,通过掺杂、制造缺陷、设计异质结、负载单/双原子和改变反应微环境等方法有效地提升了催化效率和稳定性.在上述研究基础上,还扩展性地阐述光热催化、光酶催化等近几年的热点技术,这些技术均具有反应条件温和、过程简单和效率高等特点,在未来具有较大的研究价值.最后,展望了PEC技术的未来发展趋势和前景,重点关注了它在工业上的应用前景和价值.在未来,PEC技术将朝着智能化、创新和环保的方向发展.通过先进的理论技术(如理论计算、机器学习、分子动力学模拟等)和原位表征探索反应机理,实现低成本、绿色和智能化的技术以迎接未来实现大规模工业化的挑战,从而在盈利和环保两者之间实现"双赢".希望本文能帮助读者更快及更全面地了解PEC技术的基本原理、常用催化剂、改性策略、拓展技术、应用前景和发展趋势,从而为读者提供可借鉴的研究思路.
Abstract
Increasing global energy consumption and environmental pollution make the use of new energy sources and environmentally friendly technologies essential to meet the diverse needs of industries.Photoelectrocatalysis is a promising method of utilising solar and electrical energy for various cata-lytic reactions with significant environmental and energy saving benefits.And photoelectrocatalytic (PEC) oxygen evolution reaction (OER) and CO2 reduction reaction (CO2RR) are two catalytic reac-tions with great potential for energy and environmental applications.PEC OER is critical for re-newable energy technologies for water oxidation and other related oxidation reactions.PEC CO2RR converts carbon dioxide into high-value products via a catalyst,enabling the rational use of carbon dioxide and the reduction of greenhouse gas emissions.Both technologies are efficient,environ-mentally friendly,and sustainable.However,further research and optimisation are needed to pro-mote the industrial application of both technologies for energy conversion and environmental pro-tection.This paper reviews the research progress of PEC CO2RR and OER catalysts in recent years,including detailed descriptions of catalyst types,reaction mechanisms and performance tests.Fi-nally,the paper considers the future trends and prospects of PEC technology,providing new in-sights into the technology and research directions for PEC OER and CO2RR catalysts.
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