环保型碳纳米材料在光催化制氢方面的应用

摘要

化石能源的发现和应用是工业文明快速发展的基础.然而,化石燃料的过渡开发和消耗导致能源短缺和环境污染问题日益突出.因此,迫切需要采用清洁能源替代化石能源.其中,氢气(H_(2))因具有热值高、无污染等优点而被认为是最有前途的清洁能源之一.目前,应用较多且比较成熟的制氢技术有电催化法、部分氧化法、自热重整法、甲醇重整法、蒸汽重整法和生物法.但是,这些技术的能耗和成本都比较高.光催化制氢技术可实现太阳能的转化和利用,被认为是解决能源短缺和环境污染问题的有效方法之一,受到广泛关注.光催化制氢主要采用贵金属催化剂,但贵金属稀缺且成本高,严重限制了其大规模应用.因此,迫切需要寻找一种便宜、高效和稳定的光催化制氢催化剂.碳纳米结构材料(CNMs)具有优异的结构和半导体性能,包括良好的导电性、较大的比表面积、较好的热稳定性和化学稳定性,可以有效地参与光催化制氢.此外,CNMs和光催化剂的结合可以增强反应物的吸附位点和活性中心,加速电荷分离和传输,抑制光激发的电子-空穴对的复合.同时,CNMs可以减少催化剂颗粒的聚集,改善催化剂颗粒的分布.CNMs还具有光敏性或光热效应,可以大大提高光催化制氢的效率.特别是CNMs价格低,可大幅度降低用于光催化分解制氢催化剂的成本,使实现工业化应用成为可能,因而,大量CNMs用于光催化水分解制氢领域.本文综述了碳点、富勒烯、纳米管、石墨烯和石墨炔等碳纳米材料在光催化制氢领域的广泛应用,总结了其在光催化制氢过程中作为光催化剂、助催化剂和光敏剂的应用.介绍了近年研究人员在光催化制氢中所采取的增强CNMs活性的策略.最后,展望了CNMs在光催化制氢方面所面临的挑战和机遇.