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ICM综述| 石河子大学贾鑫教授团队：界面水工程赋能先进光催化

已有 183 次阅读 2026-8-26 11:04 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读
利用光催化将储量丰富的气态小分子（如CO₂、N₂和O₂）转化为高附加值化学品，是实现太阳能燃料生产和环境修复的重要策略。然而，传统气–液光催化界面普遍存在三方面固有瓶颈，包括太阳能利用效率较低、光生载流子快速复合以及传质动力学缓慢，从而限制了太阳能驱动燃料合成效率，并制约了光催化技术的工业化应用。
近年来，基于界面水工程的发展，即利用液态水、微液滴和水蒸气等不同水相状态构建反应界面，实现了气态小分子的高效光催化转化。石河子大学贾鑫教授团队的综述系统分析了不同相态界面调控下光催化剂的设计原理，阐明了界面电荷传输与物质传递机制，并讨论了CO₂还原、N₂固定及H₂O₂合成等反应中的构效关系。结合近年来的研究进展，本文重点介绍了亚稳态界面工程的发展机遇，为突破传统两相体系的性能限制提供了新的研究思路。这些研究进展对于实现光能驱动化学品的规模化制备以及推动光催化技术产业化具有重要意义。

图文摘要

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Advanced photocatalysis enabled by water-state driven interface design。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/d5im00380f

本文亮点

★ 提出“以水相态调控界面”的新范式，为高效光催化提供全新设计维度；

★ 系统解析液态水、微液滴、水蒸气三种界面体系对光吸收、电荷分离与传质过程的差异化增强机制。；

★ 总结CO₂还原、H₂O₂合成、N₂固定三大反应在新型界面体系下的性能突破，揭示界面微环境与催化活性的构效关系。

★ 展望相态工程在规模化太阳能化学品生产及农业原位应用中的发展路径。

图文解读

1 Introduction
2 Phase-interface modulation via water state control

2.1 Liquid water
2.2 Microdroplets
2.3 Water vapor
2.4 Summary

3 Photocatalytic applications

3.1 Photocatalytic CO₂ reduction
3.2 Photocatalytic H₂O₂ synthesis
3.3 Photocatalytic N₂fixation
3.4 Summary

4 Characterization methods for probing mechanisms at phase interfaces

4.1 Probing interfacial structure and microenvironment
4.2 Elucidating charge carrier dynamics
4.3 Monitoring reaction dynamics and intermediates
4.4 Quantifying macroscopic system effects

5 Summary and outlook

总结与展望
本综述表明调控水的不同相态构筑反应界面是提升气态小分子光催化转化效率的有效策略。液态水体系中，通过设计漂浮型光催化剂并调控表面疏水性，可构建气–液–固三相界面，改善传统两相体系中光遮蔽、光散射以及气态分子溶解度低、扩散速率慢等问题；微液滴体系中，光催化剂可分散于液滴内部或负载于载体表面，借助液滴表面的强电场促进光生载流子分离；水蒸气体系中，通常将光催化剂与漂浮于水面的光热材料耦合，通过光热效应产生水蒸气，或将光催化剂直接置于含反应性气态小分子的水蒸气环境中进行反应。上述策略为优化光催化反应动力学提供了新思路，并为环境治理和能源转化等领域的应用创造了新的机遇。
尽管近年来取得了显著进展，新型界面光催化体系的实际应用仍面临诸多挑战。未来研究可重点关注以下几个方面：（1）开发适用于不同相界面的规模化光催化反应器，提高受光面积和生产效率，推动工程化应用；（2）开发适用于新型相界面的多功能光催化材料，通过耦合光催化、压电效应与光热效应，可协同提升光吸收效率、电荷分离与迁移效率以及传质过程，从而强化反应动力学并提高整体光催化性能；（3）进一步拓展新型界面的适用反应体系，结合原位表征技术揭示界面电荷传输机制，并优化微反应器设计和催化材料表面工程，以提升光催化效率；（4）推动光催化产物在农业中的原位利用，需解决产物分离及安全性问题，开发无毒高效催化材料和可实现催化剂与产物有效分离的新型反应器；（5）针对不同界面体系的关键挑战，提高实际应用的可扩展性，从三相界面稳定性、微液滴高效生成与稳定、水蒸气体系湿度控制及热管理等关键问题开展系统研究，开发适用于实验室研究和工业应用的高可靠性装备。

编辑/排版：ICM编辑部

文章信息

Qian Zhang, Dongmin Liu, Bin Yang, Hao Liu, Guangfu Liao, Anna Lipovka, Raul D. Rodriguez, Jun Li, Xin Jia, Advanced photocatalysis enabled by water-state-driven interface design. Ind. Chem. Mater., 2026, https://doi.org/10.1039/d5im00380f.

期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被ESCI、EI、Scopus、CSCD、美国化学文摘（CA）、DOAJ等数据库检索，最新影响因子15.7，位列双学科Q1区，入选2024年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，入选中国科技核心期刊。是中国科学院主管，中国科学院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！