Advanced Science: Nb2O5基光催化剂

雨辰

2021-02-23

光催化是解决能源和环境危机的一种潜在方案，其发展在很大程度上依赖于催化剂的开发。五氧化二铌（Nb₂O₅）是一种典型的无毒金属氧化物，具有良好的生态友好性和很强的氧化能力，引起了研究人员的广泛关注。此外，用不同方法制备的Nb₂O₅上还观察到独特的Lewis酸位(LASs)和Brønsted酸位(BASs)。

有鉴于此，中国科学院大连化学物理研究所王峰研究员和意大利的里亚斯特大学教授Paolo Fornasiero等人，综述了近年来基于Nb₂O₅的光催化剂的合成和应用的最新进展，包括纯Nb₂O₅、掺杂Nb₂O₅、负载于Nb₂O₅上的金属以及其他复合Nb₂O₅催化剂的研究进展。概述了尺寸和晶相、不饱和Nb位点和氧空位、LASs和BASs、掺杂剂和表面金属种类以及异质结结构在Nb₂O₅基催化剂光催化中的作用。最后，还提出了面临的挑战，可以通过整合合成方法，开发新颖的光电表征技术以及深入了解Nb₂O₅的局部结构来克服这些挑战。

本文要点

1）综述了近年来Nb₂O₅基光催化剂的合成及应用研究进展。特别是，在光照射下，在Nb₂O₅基光催化剂上CO₂还原、氧化胺、醇和碳氢化合物的反应途径与酸性、生成的氧种类和官能团有关。这种认识在很大程度上依赖于对Nb₂O₅局部结构的研究。通用表征技术和光电特性是揭示基于Nb₂O₅的光催化剂活性位点的基石。

2）未来，基于Nb₂O₅的光催化剂仍然是废塑料和碳资源丰富的生物质转化的潜在候选材料。在具有合适光氧化还原电位的Nb₂O₅上，sp³ C-H键和C-C键的活化是可行的。尽管所需产物的产率和选择性在烃和生物质的转化中受到限制，但通过催化剂结构和组分的设计，可以进一步提高Nb₂O₅的反应性。此外，在光照射下可以在Nb₂O₅上原位控制局部结构和相应的酸性强度。因此，可以在温和的条件下实现水解反应、脱水反应和加氢脱氧反应。

3）尽管基于Nb₂O₅的光催化剂具有巨大潜力，但仍应考虑暴露的挑战和问题。由于缺乏时空表征技术，NbO₄和NbO₆单元在光催化中的作用尚不清楚。除此之外，对Nb-O-金属界面的研究还不够充分，这可以提供对光催化作用中吸附-解吸过程和活性位点的深刻理解。同时，反应器的开发有利于光催化工艺的实际应用。这些方面的研究对于合理设计基于Nb₂O₅的光催化剂是必要的。此外，大规模生产基于Nb₂O₅的光催化剂迫切需要新颖的工艺和概念。

参考文献：

Kaiyi Su et al. Nb₂O₅‐Based Photocatalysts. Advanced Science, 2021.

DOI: 10.1002/advs.202003156

https://doi.org/10.1002/advs.202003156