《ACS Appl. Mater. Interfaces》 设计催化剂促进光催化塑料中载流子动力学的进展与展望
Jinyu Ding,+ Dongpo He,+ Peijin Du,+ Jiacong Wu, Qinyuan Hu, Qingxia Chen*, Xingchen Jiao*
塑料因其重量轻、成本低、耐用以及对多种化学品的适用性而被广泛应用于各个领域。从1950年到2015年，全球塑料产量从200万公吨飙升至3.8亿公吨，预计到2050年将超过5亿公吨。从1950年到现在，全球塑料产量已超过80亿公吨，其中约80%被随意弃置在垃圾填埋场或直接排放到环境中。迄今为止，已开发出多种废塑料再处理技术，如填埋、焚烧、机械回收、化学升级和热化学转化。在这些策略中，焚烧和填埋是处理废塑料的便利选择，但它们会产生有害污染物，如二噁英和温室气体，对环境和人类健康构成严重威胁。与热解和气化等传统热化学途径相比，光催化被认为是一种更环保和更具成本效益的技术，传统热化学途径通常需要大量的能量输入，并在高温高压的恶劣条件下运行。光催化通常在环境压力和温度下提供更温和的反应条件，利用阳光或低能耗的人工光源作为能源。这一特性使光催化成为塑料废物转化更环保、更经济的选择。
与传统的光催化如分解水和还原CO2类似，塑料光转化也包含三个步骤。第一步涉及半导体催化剂吸收能量大于其带隙的光子，产生受激电子和空穴。然后，这些电子和空穴独立地迁移到半导体表面。随后，光激发的电子和空穴参与表面氧化还原反应。也就是说，这三个步骤的优化对于提高塑料光转换的性能至关重要。因此，设计和调控催化剂加速载流子分离对提高太阳能塑料转化性能具有重要意义。
受电荷分离光催化剂设计的启发，本文在此创新性地提出了为塑料光转化选择合适催化剂的最新策略和方法。详细的说，本文综述了用于实现废塑料光转化的宽带隙半导体。然后，概述了提高载流子分离效率的各种策略:缺陷工程、掺杂工程、异质结工程和构建复合物。最后，对未来的研究方向进行了展望。这一观点旨在增强读者对塑料光转化最新进展的理解，同时为设计和制造高性能光催化剂提供实用指南。
图1：促进太阳能驱动塑料转化为燃料的载体动力学的工程催化剂策略。
