太阳能的绿色高效利用可减缓化石燃料消耗,有助于"双碳"目标的实现.光催化技术不仅可在温和条件下转化太阳能为化学能,还能实现有机污染物的高效降解,是太阳能开发利用的理想技术.光催化技术的核心在于半导体光催化剂的开发.近年来,由于石墨相氮化碳(g-C3N4)具有易调节的电子结构、优异的耐热性和化学稳定性,廉价无毒等优势,成为光催化领域中的明星催化剂.然而,未经改性的块体g-C3N4存在结晶度差、可见光吸收能力弱、表面积小、载流子易复合以及电荷迁移慢等问题,导致其较低的光催化反应活性.g-C3N4微观形貌结构的调控可提升光吸收性能,促进载流子分离与迁移,加快表面反应速率,进而大幅提升g-C3N4光催化活性.除了传统的微观形貌结构调控策略以外,模仿自然界中生物结构来设计和构建仿生结构,是提升g-C3N4光催化性能的有效途径之一.本综述以传统的微观形貌结构调控策略为铺垫,重点介绍了设计构建仿生结构g-C3N4基光催化剂的理论基础,包括仿生体系的设计原则、合成策略、反应机制以及优缺点.从结构仿生学角度,归纳总结了五种仿生结构的g-C3N4基光催化剂在制备方法、形貌结构、光催化活性以及活性提升机制方面的最新进展,包括蜂窝状结构、花状结构、鱼鳞状结构、叶状结构和螺旋状结构.从功能仿生学角度,详细介绍了木状结构和类叶绿体结构的g-C3N4基光催化剂的最新进展.在此基础上,总结了 g-C3N4基仿生催化剂在光催化降解有机污染物、光催化分解水制氢、光催化CO2还原、光催化固氮合成氨、光催化制备H2O2等领域的应用.此外,从理论计算层面归纳总结了 g-C3N4基仿生光催化剂的构效关系和催化机理研究,同时详细介绍了g-C3N4基仿生光催化剂的改性策略.最后,从仿生催化剂的构建与开发、反应机理研究、影响反应的重要指标、应用领域拓展以及工程化应用等角度指出了 g-C3N4基仿生光催化剂所面临的挑战和前景.综上,本文将仿生学和g-C3N4基光催化剂有机结合,通过提供新认知和新视角来拓展g-C3N4基仿生光催化剂的相关知识,为仿生光催化领域的发展提供一种新思路.

g-C3N4基体系;仿生设计;结构调控;仿生光催化;反应机理

林波;夏梦阳;许堡荣;种奔;陈子浩;杨贵东

西安交通大学化学工程与技术学院,西安交通大学-牛津大学催化国际联合实验室,陕西西安710049

催化学报

[1]林波;夏梦阳;许堡荣;种奔;陈子浩;杨贵东-.仿生纳米结构的g-C3N4基光催化剂研究进展)[J].催化学报,2022(08):2141-2172

仿生光催化

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