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钒酸铟(InVO4)基材料因具有合适的能带结构、优异的化学稳定性和出色的光催化活性,使其在清洁能源生产和环境污染物修复领域展现出良好的应用前景。然而,传统的InVO4半导体由于其不可避免的固有弊端限制了其广泛应用。基于此,为提高目标催化剂的光催化活性,本论文从形貌调控、掺杂工程、缺陷调控、共催化剂改性、晶面工程、异质结构建和外部能量场等方面对提高InVO4催化剂光催化活性的举措和机制进行了总结和评述。随后,对InVO4基光催化材料在清洁能源生产(如析氢、析氧、N2固定、H2O2合成、有机化学品合成)以及环境修复(有机污染物去除、重金属离子修复、VOCs净化、抗菌)等领域的应用进展进行了总结。最后,对InVO4光催化剂的研究现在的状况进行了总结并对可能的研究方向进行了展望。
近年来,跟着社会快速的提升和人们物质生活水平的提高,能源短缺和环境污染成为非常棘手的两大难题。作为一种有着广阔前景的绿色无污染的能源转化和环境修复技术,半导体光催化技术既能实现从太阳能的化学能的催化转化,还能够最终靠产生活性氧物种实现目标污染物的矿化分解,因而成为国内外研究的热点方向之一。InVO4作为一种重要的三元金属氧化物半导体,由于其具有窄带隙(约2.0 eV),结构稳定、生物相容性好、易合成等优势非常关注,在光催化领域得到普遍使用。
然而,其光生载流子复合严重等不足严重阻碍其光催化性能的进一步提升。因此,如何通过种种有效的调控策略逐渐增强InVO4光催化剂的活性一直是该领域研究者们所关注的焦点。基于此,本论文从催化剂材料的调控策略出发,总结了形貌控制、掺杂工程、缺陷裁剪、助催化剂改性、晶面工程、异质结构建以及外加能量场等策略增强InVO4光催化剂催化活性的方法特点和活性增强机制。最后,进一步总结了InVO4光催化剂在清洁能源生产和环境污染物修复领域的研究进展,分析了目前所面临的挑战,并对未来可能研究发展的新趋势进行了展望。
本论文总结了近年来InVO4基光催化剂在模拟可见光照射条件下用于清洁能源生产和环境污染物修复的强化策略和研究进展。随后,作者对未来本领域可能的研究方向进行了展望:
1)可结合大数据和机器学习等技术快速筛选高催化活性的InVO4基光催化材料;
2)形貌控制、掺杂工程、缺陷裁剪、助催化剂改性、晶面工程、构建异质结等策略可增强InVO4基材料的光催化活性,但过程机制目前仍不清晰,后续应结合先进表征技术,明确光催化过程增强机制;
3)拓展InVO4基材料的光催化应用领域,如光催化回收贵金属材料,建筑自清洁玻璃、自清洁织物等;
4)结合其它单元操作提升清洁能源生产和环境污染物修复效率,如光电催化、光热催化、光催化/压电催化、光催化/膜分离等。
赵国庆,男,博士,江西农业大学青年教授,研究方向为能源环境光催化材料的设计合成与性能研究。目前主持江西农业大学博士科研启动基金项目1项。以第一作者/通讯作者在Coor. Chem. Rev., Small, Chem. Eng. J. Sep. Purif. Technol., 等国际权威期刊发表SCI论文20余篇,其中ESI(1%)高被引论文2篇。通讯邮箱:
焦飞鹏,男,博士,中南大学三级教授,博士生导师,化工系副主任,中国工程教育认证专家,普通高校本科教育教学评估专家。主要是做光电催化反应工程、油水膜分离工程方面研究。主持或参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、省部级科研项目等20余项。以第一作者/通讯作者在Chem. Eng. J., J. Membr. Sci., ACS Appl. Mater. Interf.等国际权威期刊发表SCI论文150余篇。通讯邮箱:
卢丽敏,博士,博士,江西农业大学教授,博士生导师,化学与材料学院副院长,南昌市植物资源化学利用重点实验室主任。研究方向为功能纳米材料制备及传感应用研究。主持国家自然科学基金项目5项、省部级科研课题9项;以第一作者/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater., Chem. Commun., 等杂志发表SCI论文120余篇,其中ESI(1%)高被引论文5篇。入选江西省百千万人才工程、江西省青年井岗学者、江西省杰出青年科学基金资助计划、中国博士后基金资助者选介人物,江西省“百人远航”工程计划。获江西省自然科学三等奖1项。担任Journal of Analysis and Testing青年编委、Frontiers in Chemistry客座编委。通讯邮箱:
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