英文原题：Mini review on electron mediator in artificial photosynthesis: Design, fabrication, and perspectives based on energy level matching

作者：Zhengzheng Xie, Qiang Gao, Xiaohong Shang, Xianwei Fu, Jianjun Yang, Yaping Yan, Qiuye Li*

01 论文信息

论文信息

Xie Z, Gao Q, Shang X, et al. Mini review on electron mediator in artificial photosynthesis: Design, fabrication, and perspectives based on energy level matching[J]. Green Carbon, 2024 2(4) 366-382.

论文关键词

Artificial photosynthesis; Photocatalysis; Solid electron mediator; Carbon-based materials; Work function

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.07.007

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Mini review on electron mediator in artificial photosynthesis Design, fabrication, and perspectives based on energy level matching

中文解读原链接

Green Carbon文章│河南大学李秋叶教授：人工光合成中电子中介体设计、制备及展望

02 背景简介

基于光催化的人工光合成能将低能量密度的太阳能转换成高能量密度的化学能，是绿氢制备及CO₂还原的理想策略。和单光子催化体系相比，具有异质界面的全固态Z（S）型光催化体系有利于光生电荷快速分离与转移，降低光生电子（e^-）与光生空穴（h⁺）的复合率。其中，氧化端和还原端催化剂之间电荷传递是人工光合成反应的决速步骤，降低界面肖特基势垒，构建高效电荷传递异质界面是提升人工光合成性能的关键。

近期，河南大学的李秋叶教授于Green Carbon期刊上发表了题为“Mini review on electron mediator in artificial photosynthesis: Design, fabrication, and perspectives based on energy level matching”的综述文章，系统总结了人工光合成中电子中介体的研究进展，讨论了不同电子中介体，包括（贵）金属单质、金属氧/硫化物及碳基中介体（还原氧化石墨烯、碳量子点、碳纳米管和碳纤维等）的设计及制备，并基于能级匹配对电子中介体的设计进行了展望，提出了一种电子中介体功函数调控策略，以实现异质界面内建电场方向的指向调控，从而促进光生电荷的快速分离与定向迁移，为提高人工光合成性能提供了新的思路和方向。

03 文章简介

重要进展与研究趋势

贵金属因其卓越的导电性和表面等离子体共振效应，一直以来在人工光合作用中扮演着重要的角色。贵金属如Ag、Pd、Pt等可以通过多种制备方法进行合成，包括电沉积、光沉积和化学气相沉积等。这些贵金属作为电子介体能够有效降低界面电阻，促进光生电子的迁移，从而显著提高人工光合作用的效率。

图1. Au作为人工光合成中电子中介体作用示意图

非贵金属由于其成本较低，也逐渐受到广泛关注。Cu、W、Cd、Bi等非贵金属同样具有良好的导电性和表面等离子体共振效应，可作为电子介体的替代品。例如，在CuO/Cu/AgBr/Ag体系中，Cu粒子能够调节Ag粒子的选择性沉积，进而提升体系的催化稳定性和光生电荷的分离效率。

图2. Cu、Bi及Cd作为人工光合成中电子中介体作用示意图

此外，金属氧化物和硫化物因其卓越的导电性和催化活性，也被广泛用作电子介体。例如，FeVO₄作为电子介体能够增强KTaO₃/FeVO₄/Bi₂O₃体系的催化性能。此外，像ITO和MoS₂等材料也展现出了优异的电子介体效能，能够促进光生电荷的分离与迁移。

图3. CdS、MoS₂、ITO、BiOBr及WO₃作为人工光合成中电子中介体作用示意图

碳基材料独特的电子结构和优异的导电性能使其成为理想的电子介体。还原氧化石墨烯（rGO）因其二维层状结构和卓越的导电特性，被广泛应用于人工光合作用。rGO不仅可以促进光生电荷的分离与迁移，还能有效抑制光腐蚀，从而提升人工光合作用的效率和稳定性。此外，碳量子点（CQDs）亦展现出良好的电子介体性能，可以增强光催化剂的光吸收能力和光生电荷的分离效率。其他如C60、碳纳米管（CNTs）和碳纤维（CNF）等碳基材料同样展示了作为电子介体的潜力，为优化人工光合作用提供了更加多样化的选择。

图4. rGO、MWCNTs及CNF作为人工光合成中电子中介体作用示意图

总结及展望

电子中介体能够促进光生电荷分离与传输，提升人工光合成性能。本文提出了一种基于电子中介体功函数调控的高效异质界面构筑方案，通过调节电子中介体的功函数实现与氧化端和还原段半导体能级匹配，从而促进光生电荷的快速分离，最终提升人工光合成性能。

图5. 基于功函数调控及能级匹配的电子中介体设计示意图

04 文章摘要

Abstract

Photocatalysis based on artificial photosynthesis is an effective method for addressing the current energy crisis and environmental issues. During photocatalysis, the charge transfer between the photocatalytic reduction and oxidation reactions constitutes the rate-limiting step of the entire Z-scheme photocatalytic system. The primary factors in building a highly efficient photogenerated charge-transfer interface include the design and fabrication of appropriate solid electron mediators. These factors are crucial for improving the performance of artificial photosynthesis systems, which include overall water splitting, hydrogen evolution, CO₂ photocatalytic reduction and pollutant degradation. Herein, we review the current literature on solid electron, including (noble) metals, metal oxides/sulfides, and carbon-based materials, in artificial photosynthesis, analyze the advantages and disadvantages of various electron mediators, and summarize the properties of electron mediators that facilitate the rapid separation of photogenerated charges. Moreover, we provide further perspectives for the energy level matching of the interface between electron mediators and catalysts in artificial photosynthesis based on work function regulation.

05 作者简介

李秋叶 教授

李秋叶，博士生导师，河南大学特聘教授，Green Carbon青年编委。主要研究领域为能源环境光催化和稠油催化降粘。作为第一或通讯作者，在Nano Lett.、Appl. Catal. B: Environ.、J. Catal.等国际期刊上发表了80余篇学术论文，其中7篇入选ESI高被引和热点论文。先后主持国家自然科学基金青年基金、面上项目、河南省高校科技创新团队、河南省科技计划重点专项等15项，并获得了10项国家发明专利。荣获河南省自然科学二等奖、科技进步三等奖等多个奖项，获得河南省教育厅学术技术带头人等荣誉称号。

谢峥峥 讲师

谢峥峥，讲师，河南大学能源科学与技术学院硕士生导师，研究方向：光（电）催化；功能化碳材料的设计与构筑。迄今在Small、 Chem.Eng.j.、Carbon、ACS Catal.等国际学术期刊上发表一作/通讯SCI论文10余篇。授权国家发明专利9件，主持省级项目3项，横向项目1项，参与国家自然科学基金项目、河南省科技计划联合基金重点项目。

06 Green Carbon

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