基于单原子催化剂的光热催化转化:原理和应用

宋千伟 何观朝 费慧龙

引用本文: 宋千伟, 何观朝, 费慧龙. 基于单原子催化剂的光热催化转化:原理和应用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 221203. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212038 shu
Citation:  Qianwei Song, Guanchao He, Huilong Fei. Photothermal Catalytic Conversion Based on Single Atom Catalysts: Fundamentals and Applications[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(9): 221203. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212038 shu

基于单原子催化剂的光热催化转化:原理和应用

    通讯作者: 费慧龙, hlfei@hnu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51902099

    国家自然科学基金 92163116

摘要: 在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。

English

    1. [1]

      Ciriminna, R.; Falletta, E.; Della Pina, C.; Teles, J. H.; Pagliaro, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14209. doi: 10.1002/anie.201604656

    2. [2]

      Schlummer, B. Chem. unserer Zeit 2016, 50, 114. doi: 10.1002/ciuz.201500705

    3. [3]

      Rusdan, N. A.; Timmiati, S. N.; Isahak, W. N. R. W.; Yaakob, Z.; Lim, K. L.; Khaidar, D. Nanomaterials 2022, 12, 3877. doi: 10.3390/nano12213877

    4. [4]

      Hashimoto, K.; Irie, H.; Fujishima, A. Jpn. J. Appl. Phys. Part 1 - Regul. Pap. Brief Commun. Rev. Pap. 2005, 44, 8269. doi: 10.1143/jjap.44.8269

    5. [5]

      Wu, H.; Tan, H. L.; Toe, C. Y.; Scott, J.; Wang, L. Z.; Amal, R.; Ng, Y. H. Adv. Mater. 2020, 32, 21. doi: 10.1002/adma.201904717

    6. [6]

      Bora, L. V.; Mewada, R. K. Renew. Sust. Energ. Rev. 2017, 76, 1393. doi: 10.1016/j.rser.2017.01.130

    7. [7]

      Wu, K.; Chen, J.; McBride, J. R.; Lian, T. Science 2015, 349, 632. doi: 10.1126/science.aac5443

    8. [8]

      Mateo, D.; Cerrillo, J. L.; Durini, S.; Gascon, J. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 2173. doi: 10.1039/d0cs00357c

    9. [9]

      Li, Z.; Liu, J.; Zhao, Y.; Waterhouse, G. I. N.; Chen, G.; Shi, R.; Zhang, X.; Liu, X.; Wei, Y.; Wen, X. D.; et al. Adv. Mater. 2018, 30, e1800527. doi: 10.1002/adma.201800527

    10. [10]

      Jia, J.; O'Brien, P. G.; He, L.; Qiao, Q.; Fei, T.; Reyes, L. M.; Burrow, T. E.; Dong, Y.; Liao, K.; Varela, M.; et al. Adv. Sci. 2016, 3, 1600189. doi: 10.1002/advs.201600189

    11. [11]

      Zhang, H.; Wang, T.; Wang, J.; Liu, H.; Dao, T. D.; Li, M.; Liu, G.; Meng, X.; Chang, K.; Shi, L.; et al. Adv. Mater. 2016, 28, 3703. doi: 10.1002/adma.201505187

    12. [12]

      Yang, Y.; Zhao, S.; Cui, L.; Bi, F.; Zhang, Y.; Liu, N.; Wang, Y.; Liu, F.; He, C.; Zhang, X. Green Energy Environ. 2022, doi: 10.1016/j.gee.2022.02.006

    13. [13]

      Zhu, L. L.; Gao, M. M.; Peh, C. K. N.; Ho, G. W. Mater. Horiz. 2018, 5, 323. doi: 10.1039/c7mh01064h

    14. [14]

      Zhou, S.; Shang, L.; Zhao, Y.; Shi, R.; Waterhouse, G. I. N.; Huang, Y. C.; Zheng, L.; Zhang, T. Adv. Mater. 2019, 31, e1900509. doi: 10.1002/adma.201900509

    15. [15]

      Fei, H. L.; Dong, J. C.; Arellano-Jimenez, M. J.; Ye, G. L.; Kim, N. D.; Samuel, E. L. G.; Peng, Z. W.; Zhu, Z.; Qin, F.; Bao, J. M.; et al. Nat. Commun. 2015, 6, 8. doi: 10.1038/ncomms9668

    16. [16]

      Yan, H.; Zhao, M.; Feng, X.; Zhao, S.; Zhou, X.; Li, S.; Zha, M.; Meng, F.; Chen, X.; Liu, Y.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202116059. doi: 10.1002/anie.202116059

    17. [17]

      Zhang, F. F.; Zhu, Y. L.; Lin, Q.; Zhang, L.; Zhang, X. W.; Wang, H. T. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 2954. doi: 10.1039/d1ee00247c

    18. [18]

      Yin, P. Q.; Yao, T.; Wu, Y.; Zheng, L. R.; Lin, Y.; Liu, W.; Ju, H. X.; Zhu, J. F.; Hong, X.; Deng, Z. X.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10800. doi: 10.1002/anie.201604802

    19. [19]

      Li, X. Y.; Wang, C.; Tang, J. W. Nat. Rev. Mater. 2022, 7, 617. doi: 10.1038/s41578-022-00422-3

    20. [20]

      Li, X.; Wang, W.; Dong, F.; Zhang, Z.; Han, L.; Luo, X.; Huang, J.; Feng, Z.; Chen, Z.; Jia, G.; et al. ACS Catal. 2021, 11, 4739. doi: 10.1021/acscatal.0c05354

    21. [21]

      Chong, M. N.; Jin, B.; Chow, C. W. K.; Saint, C. Water Res. 2010, 44, 2997. doi: 10.1016/j.watres.2010.02.039

    22. [22]

      Zhou, P.; Yu, J.; Jaroniec, M. Adv. Mater. 2014, 26, 4920. doi: 10.1002/adma.201400288

    23. [23]

      Pokrant, S. Nature 2020, 581, 386. doi: 10.1038/d41586-020-01455-w

    24. [24]

      Zhao, Y.; Gao, W.; Li, S.; Williams, G. R.; Mahadi, A. H.; Ma, D. Joule 2019, 3, 920. doi: 10.1016/j.joule.2019.03.003

    25. [25]

      Tian, J.; Han, R.; Guo, Q.; Zhao, Z.; Sha, N. Catalysts 2022, 12, 612. doi: 10.3390/catal12060612

    26. [26]

      Meng, X. G.; Cui, X. J.; Rajan, N. P.; Yu, L.; Deng, D. H.; Bao, X. H. Chem 2019, 5, 2296. doi: 10.1016/j.chempr.2019.05.008

    27. [27]

      Wu, H. L.; Li, X. B.; Tung, C. H.; Wu, L. Z. Adv. Mater. 2019, 31, 23. doi: 10.1002/adma.201900709

    28. [28]

      Zhu, Z. Z.; Guo, W. Y.; Zhang, Y.; Pan, C. S.; Xu, J.; Zhu, Y. F.; Lou, Y. Carbon Energy 2021, 3, 519. doi: 10.1002/cey2.127

    29. [29]

      Wang, J.; Gao, X. X.; Wang, Y. J.; Wang, S. Y.; Xie, Z. W.; Yang, B. Z.; Zhang, Z. G.; Yang, Z.; Kang, L.; Yao, W. Q. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 317, 19. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121789

    30. [30]

      Ge, H.; Kuwahara, Y.; Kusu, K.; Bian, Z.; Yamashita, H. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 317, 121734. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121734

    31. [31]

      Guo, S.; Li, X.; Li, J.; Wei, B. Nat. Commun. 2021, 12, 1343. doi: 10.1038/s41467-021-21526-4

    32. [32]

      Wang, X.; Wu, L.; Wang, Z.; Feng, Y.; Liu, Y.; Dai, H.; Wang, Z.; Deng, J. Appl. Catal. B: Environ. 2023, 322, 122075. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.122075

    33. [33]

      Feng. Y.; Dai, L.; Wang, Z.; Peng, Y.; Duan, E.; Liu, Y.; Jing, L.; Wang, X.; Rastegarpanah, A.; Dai, H.; et al. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 8722. doi: 10.1021/acs.est.1c08643

    34. [34]

      Feng, Y.; Ma, P.; Wang, Z.; Shi, Y.; Wang, Z.; Peng, Y.; Jing, L.; Liu, Y.; Yu, X.; Wang, X.; et al. Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 17341. doi: 10.1021/acs.est.2c07146

    35. [35]

      Song, L.; Zhao, T.; Yang, D.; Wang, X.; Hao, X.; Liu, Y.; Zhang, S.; Yu, Z. Z. J. Hazard. Mater. 2020, 393, 122332. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122332

    36. [36]

      Ma, R.; Sun, J.; Li, D. H.; Wei, J. J. Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45, 30288. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.127

    37. [37]

      Cheng, P.; Wang, D.; Schaaf, P. Adv. Sustain. Syst 2022, 46, 1900. doi: 10.1002/adsu.202200115

    38. [38]

      Wu, Z.; Li, C.; Li, Z.; Feng, K.; Cai, M.; Zhang, D.; Wang, S.; Chu, M.; Zhang, C.; Shen, J.; et al. ACS Nano 2021, 15, 5696. doi: 10.1021/acsnano.1c00990

    39. [39]

      Yue, X. Y.; Liu, X.; Wang, K.; Yang, Z.; Chen, X.; Dai, W. X.; Fu, X. Z. Inorg. Chem. Front. 2022, 9, 1258. doi: 10.1039/d2qi00004k

    40. [40]

      Li, S.; Miao, P.; Zhang, Y.; Wu, J.; Zhang, B.; Du, Y.; Han, X.; Sun, J.; Xu, P. Adv. Mater. 2021, 33, e2000086. doi: 10.1002/adma.202000086

    41. [41]

      Liang, C.; Li, C.; Zhu, Y.; Du, X.; Zeng, Y.; Zhou, Y.; Zhao, J.; Li, S.; Liu, X.; Yu, Q.; et al. Appl. Surf. Sci. 2022, 601, 154144. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.154144

    42. [42]

      Xiong, R.; Tang, C.; Li, K.; Wan, J.; Jia, W.; Xiao, Y.; Cheng, B.; Lei, S. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 22819. doi: 10.1039/d2ta05712c

    43. [43]

      Li, P. Y.; Liu, L.; An, W. J.; Wang, H.; Guo, H. X.; Liang, Y. H.; Cui, W. Q. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 266, 14. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118618

    44. [44]

      Li, L.; Li, Y.; Jiao, L.; Liu, X.; Ma, Z.; Zeng, Y. -J.; Zheng, X.; Jiang, H. -L. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 17075. doi: 10.1021/jacs.2c06720

    45. [45]

      Liu, Y.; Zhang, Z.; Fang, Y.; Liu, B.; Huang, J.; Miao, F.; Bao, Y.; Dong, B. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 252, 164. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.04.035

    46. [46]

      Zhang, L.; Pan, J.; Liu, L.; Zhang, S.; Wang, X.; Song, S.; Zhang, H. Small 2022, 18, e2201271. doi: 10.1002/smll.202201271

    47. [47]

      Song, C.; Liu, X.; Xu, M.; Masi, D.; Wang, Y.; Deng, Y.; Zhang, M.; Qin, X.; Feng, K.; Yan, J.; et al. ACS Catal. 2020, 10, 10364. doi: 10.1021/acscatal.0c02244

    48. [48]

      Ding, X.; Liu, X.; Cheng, J.; Kong, L.; Guo, Y. Catal. Sci. Technol. 2022, 12, 4740. doi: 10.1039/D2CY00439A

    49. [49]

      Zhang, Z.; Mao, C.; Meira, D. M.; Duchesne, P. N.; Tountas, A. A.; Li, Z.; Qiu, C.; Tang, S.; Song, R.; Ding, X.; et al. Nat. Commun. 2022, 13, 1512. doi: 10.1038/s41467-022-29222-7

    50. [50]

      Ding, X.; Liu, X.; Cheng, J. H.; Kong, L. Z.; Guo, Y. Catal. Sci. Technol. 2022, 12, 4740. doi: 10.1039/d2cy00439a

    51. [51]

      Li, Y.; Liu, Z.; Rao, Z.; Yu, F.; Bao, W.; Tang, Y.; Zhao, H.; Zhang, J.; Wang, Z.; Li, J.; et al. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 319, 121903. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121903

    52. [52]

      Qiao, B. T.; Wang, A. Q.; Yang, X. F.; Allard, L. F.; Jiang, Z.; Cui, Y. T.; Liu, J. Y.; Li, J.; Zhang, T. Nat. Chem. 2011, 3, 634. doi: 10.1038/nchem.1095

    53. [53]

      Zhu, Y.; Wang, W. Y.; Cheng, J. J.; Qu, Y. T.; Dai, Y.; Liu, M. M.; Yu, J. N.; Wang, C. M.; Wang, H. J.; Wang, S. C.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9480. doi: 10.1002/anie.202017152

    54. [54]

      Lu, X. Y.; Gao, S. S.; Lin, H.; Yu, L. D.; Han, Y. H.; Zhu, P. A.; Bao, W. C.; Yao, H. L.; Chen, Y.; Shi, J. L. Adv. Mater. 2020, 32, 9. doi: 10.1002/adma.202002246

    55. [55]

      Kerketta, U.; Tesler, A. B.; Schmuki, P. Catalysts 2022, 12, 1223. doi: 10.3390/catal12101223

    56. [56]

      Jin, X. X.; Wang, R. Y.; Zhang, L. X.; Si, R.; Shen, M.; Wang, M.; Tian, J. J.; Shi, J. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6827. doi: 10.1002/anie.201914565

    57. [57]

      Li, Z.; Liu, F. N.; Jiang, Y. Y.; Ni, P. J.; Zhang, C. H.; Wang, B.; Chen, C. X.; Lu, Y. Z. Nano Res. 2022, 15, 4411. doi: 10.1007/s12274-021-4029-0

    58. [58]

      Xi, J. B.; Jung, H. S.; Xu, Y.; Xiao, F.; Bae, J. W.; Wang, S. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 39. doi: 10.1002/adfm.202008318

    59. [59]

      Cui, X. J.; Li, W.; Ryabchuk, P.; Junge, K.; Beller, M. Nat. Catal. 2018, 1, 385. doi: 10.1038/s41929-018-0090-9

    60. [60]

      Lang, R.; Du, X.; Huang, Y.; Jiang, X.; Zhang, Q.; Guo, Y.; Liu, K.; Qiao, B.; Wang, A.; Zhang, T. Chem. Rev. 2020, 120, 11986. doi: 10.1021/acs.chemrev.0c00797

    61. [61]

      Shi, Q.; Yu, T.; Wu, R.; Liu, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 60815. doi: 10.1021/acsami.1c18797

    62. [62]

      Speranza, G. Nanomaterials 2021, 11, 99. doi: 10.3390/nano11040967

    63. [63]

      Li, Z.; Lei, H.; Kan, A.; Xie, H.; Yu, W. Energy 2021, 216, 119262. doi: 10.1016/j.energy.2020.119262

    64. [64]

      Yang, Q.; Yang, C. C.; Lin, C. H.; Jiang, H. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3511. doi: 10.1002/anie.201813494

    65. [65]

      Gong, L.; Sun, J.; Liu, Y. S.; Yang, G. C. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 21689. doi: 10.1039/d1ta06159c

    66. [66]

      Liu, Y.; Wang, X. C.; Li, Q. Y.; Yan, T. R.; Lou, X. X.; Zhang, C. Y.; Cao, M. H.; Zhang, L.; Sham, T. K.; Zhang, Q.; et al. Adv. Funct. Mater. 2022, 2210283. doi: 10.1002/adfm.202210283

    67. [67]

      Guo, Y. C.; Chen, W. J.; Feng, L.; Fan, Y. C.; Liang, J. S.; Wang, X. M.; Zhang, X. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 12418. doi: 10.1039/d2ta02885a

    68. [68]

      Tan, K. W.; Yap, C. M.; Zheng, Z. Y.; Haw, C. Y.; Khiew, P. S.; Chiu, W. S. Adv. Sustain. Syst. 2022, 6, 29. doi: 10.1002/adsu.202100416

    69. [69]

      Yang, J.; Wang, D.; Han, H.; Li, C. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1900. doi: 10.1021/ar300227e

    70. [70]

      Zhou, L. A.; Martirez, J. M. P.; Finzel, J.; Zhang, C.; Swearer, D. F.; Tian, S.; Robatjazi, H.; Lou, M. H.; Dong, L. L.; Henderson, L.; et al. Nat. Energy 2020, 5, 61. doi: 10.1038/s41560-019-0517-9

    71. [71]

      Liu, P. G.; Huang, Z. X.; Gao, X. P.; Hong, X.; Zhu, J. F.; Wang, G. M.; Wu, Y. E.; Zeng, J.; Zheng, X. S. Adv. Mater. 2022, 34, 2200057. doi: 10.1002/adma.202200057

    72. [72]

      Li, X. J.; Zhao, S. Y.; Duan, X. G.; Zhang, H. Y.; Yang, S. Z.; Zhang, P. P.; Jiang, S. P.; Liu, S. M.; Sun, H. Q.; Wang, S. B. Appl. Catal. B: Environ. 2021, 283, 119660. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119660

    73. [73]

      Cai, S.; Zhang, M.; Li, J.; Chen, J.; Jia, H. Sol. RRL 2020, 5, 2000313. doi: 10.1002/solr.202000313

    74. [74]

      Zheng, J.; Lu, L.; Lebedev, K.; Wu, S.; Zhao, P.; McPherson, I. J.; Wu, T. -S.; Kato, R.; Li, Y.; Ho, P. -L.; et al. Chem. Catal. 2021, 1, 162. doi: 10.1016/j.checat.2021.03.002

    75. [75]

      Dao, T. D.; Chen, K.; Ishii, S.; Ohi, A.; Nabatame, T.; Kitajima, M.; Nagao, T. ACS Photonics 2015, 2, 964. doi: 10.1021/acsphotonics.5b00195

    76. [76]

      Li, Y. G.; Hao, J. C.; Song, H.; Zhang, F. Y.; Bai, X. H.; Meng, X. G.; Zhang, H. Y.; Wang, S. F.; Hu, Y.; Ye, J. H. Nat. Commun. 2019, 10, 9. doi: 10.1038/s41467-019-10304-y

    77. [77]

      Li, Y. G.; Guan, Q. Q.; Huang, G. Y.; Yuan, D. C.; Xie, F.; Li, K. L.; Zhang, Z. B.; San, X. Y.; Ye, J. H. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2202459. doi: 10.1002/aenm.202202459

    78. [78]

      Wang, Z.; Xie, S.; Feng, Y.; Ma, P.; Zheng, K.; Duan, E.; Liu, Y.; Dai, H.; Deng, J. Appl. Catal. B: Environ. 2021, 298, 120612. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120612

    79. [79]

      Li, X.; Zhu, J.; Wei, B. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 3145. doi: 10.1039/c6cs00195e

    80. [80]

      Zhao, J.; Xue, S.; Ji, R. R.; Li, B.; Li, J. H. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 12070. doi: 10.1039/d1cs00237f

    81. [81]

      Shao, T.; Wang, X.; Dong, H.; Liu, S.; Duan, D.; Li, Y.; Song, P.; Jiang, H.; Hou, Z.; Gao, C.; et al. Adv. Mater. 2022, 34, e2202367. doi: 10.1002/adma.202202367

    82. [82]

      Han, L.; Zhang, L.; Wu, H.; Zu, H.; Cui, P.; Guo, J.; Guo, R.; Ye, J.; Zhu, J.; Zheng, X.; et al. Adv. Sci. 2019, 6, 1900006. doi: 10.1002/advs.201900006

    83. [83]

      Zhou, L. A.; Martirez, J. M. P.; Finzel, J.; Zhang, C.; Swearer, D. F.; Tian, S.; Robatjazi, H.; Lou, M. H.; Dong, L. L.; Henderson, L.; et al. Nat. Energy 2020, 5, 61. doi: 10.1038/s41560-019-0517-9

    84. [84]

      Yang, J. L.; Wang, H. J.; Zhu, Z.; Yue, M. F.; Yang, W. M.; Zhang, X. G.; Ruan, X.; Guan, Z.; Yang, Z. L.; Cai, W.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202112749. doi: 10.1002/anie.202112749

    85. [85]

      Li, Y.; Bai, X.; Yuan, D.; Zhang, F.; Li, B.; San, X.; Liang, B.; Wang, S.; Luo, J.; Fu, G. Nat. Commun. 2022, 13, 776. doi: 10.1038/s41467-022-28364-y

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  96
  • 文章访问数:  1904
  • HTML全文浏览量:  543
文章相关
  • 发布日期:  2023-09-15
  • 收稿日期:  2022-12-23
  • 接受日期:  2023-02-13
  • 修回日期:  2023-02-13
  • 网络出版日期:  2023-02-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章