Recent advances in quantum dot catalysts for hydrogen evolution: Synthesis, characterization and photocatalytic application

Haiwei Su, Weikang Wang, Run Shi, Hua Tang*, Lijuan Sun, Lele Wang, Qinqin Liu*, Tierui Zhang*

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.280

全球能源需求快速增长，开发和充分利用可再生能源，推动多元化能源体系转型刻不容缓。氢能源是绿色、高效、可持续、理想的可再生能源。利用丰富无污染的太阳能裂解水制氢技术有望解决现有的能源短缺和环境问题。在众多材料中，量子点具有独特的光物理和光化学特性，如量子限域效应、上转换荧光效应、多激子生成等，在光催化领域的应用不断拓展，其可以作为催化剂、电子中间体、光敏剂、能量转化器、光催化活性中心等促进太阳能向氢能的高效转化。

近日，江苏大学刘芹芹教授、中科院理化所张铁锐研究员和青岛大学唐华教授等人对量子点基光催化剂的发展现状进行了概述，并充分总结了量子点在光催化应用中的不同角色、不同量子点的制备方法和表征手段，最后，提出量子点光催化剂的创新应用和关键问题/挑战。文章以“Recent advances in quantum dot catalysts for hydrogen evolution: Synthesis, characterization and photocatalytic application”为题发表在Carbon Energy期刊上，为量子点基光催化剂的发展提供指导和参考。

到目前为止，具有优异的光物理和光化学特性的量子点在分解水制氢方面的研究取得了显著的进展。一般而言，已有的综述都着重介绍了特定量子点的研究背景、合成策略以及其在光催化领域中的应用。本综述主要注重总结各类量子点（硫硒化物量子点、金属氧化物量子点、碳基量子点、聚合物量子点、钙钛矿量子点等）的综合制备技术、性能和结构表征手段以及在光催化反应中的不同作用。在光催化制氢过程中，大多数半导体量子点(CdS量子点、CdTe量子点和TiO₂量子点等)可以作为催化剂产生光生电子还原质子产氢；具有高导电性的量子点（MoS₂量子点、CoP量子点、Ru量子点等）可以做为载流子迁移介质、还原端或氧化端助催化剂，加速载流子分离，提升光催化制氢活性；此外，量子点（C量子点、Au量子点等）具有较好的吸光特性，可以做为光催化制氢体系的捕光单元，提高光吸收能力。本文综合阐述和总结了量子点在各类不同几何构型和电子传输构型复合异质结中的协同作用，对于未来设计基于量子点的高性能光催化剂具有重要意义。

由于量子点纳米材料具有众多的优势性能，深化和扩展量子点在光催化能量转化和环境修复等领域的应用十分迫切。与传统光催化剂相比，量子点纳米材料具有多激子产生、丰富的活性位点和优异的捕光能力等优点。本文总结了各类量子点的制备和表征技术，以及其在光催化水裂解制氢研究中的应用，重点介绍了量子点光催化剂用于光催化制氢方面的前景，为新型量子点催化剂的制备进一步优化和设计提供指导，也有助于提高对量子点生长机制的认识，创造新的合成方法，拓展量子点的应用领域。值得注意的是，量子点材料可作为用于解释光催化制氢和其他一些反应机理的理想模型，然而量子点上丰富的活性位点在分解水制取氢气过程中的演变及其机制尚未得到充分的研究，值得我们继续深入探索。